background image

Pomiary pośrednie obarczone niepewnościami przypadkowymi.  
 
Niech zmienna z będzie funkcją p niezależnych zmiennych x

i

 

 

 

 

(

)

p

x

x

x

f

z

,

,

,

2

1

K

=

 

Mierzymy zmienne x

q

, chcemy wyznaczyć wartość wielkości nie mierzonej z oraz jej 

odchylenie standardowe S

z

 . Niech 

q

x

będzie średnią wartością wielkości x

q

, zaś 

q

x

S

odchyleniem standardowym pojedynczego pomiaru wielkości x

q

 

 

 

(

)

m

x

x

S

m

x

x

m

l

q

l

q

q

x

m

l

l

q

q

=

=

=

=

1

2

1

 

Wartość średnią   wyznaczamy z równania 
 

 

 

(

)

p

x

x

x

f

z

,

,

,

2

1

K

=

 

natomiast wariancję 

2

z

S

 z tzw. prawa przenoszenia wariancji 

 

 

 





=

=

p

q

q

x

q

p

z

S

x

x

x

x

f

S

1

2

2

1

2

)

,

,

,

(

K

 

Odchylenie standardowe S

z

 oblicza się z tzw. prawa przenoszenia odchyleń standardowych 

 

 

 





=

=

p

q

q

x

q

p

z

S

x

x

x

x

f

S

1

2

2

1

)

,

,

,

(

K

 

 

 

( ) 

Odchylenie standardowe jest miarą niepewności pomiarowych poszczególnych wyników 
wchodzących w skład próby. Jaka jest niepewność pomiarowa końcowego wyniku pomiaru, 
czyli wartości średniej? 
 
Niepewno
ść pomiarowa wartości średniej  
 
Zauważmy, że wartość średnią  można traktować formalnie jako wielkość mierzoną 
pośrednio, obliczaną ze wzoru 

 

 

 

(

)

n

x

x

x

n

x

+

+

+

=

K

2

1

1

 

Wtedy odchylenie standardowe wartości średniej 

x

S

 można obliczyć korzystając z prawa 

przenoszenia odchyleń standardowych. W tym celu przyjmujemy, że  
 

 

 

x

n

x

x

x

S

S

S

S

=

=

=

=

K

2

1

 

oraz 

 

 

 

(

)

n

x

x

x

x

f

q

n

1

,

.

,

2

1

=

K

 

Podstawiając powyższe dwa wzory do prawa przenoszenia odchyleń standardowych 
otrzymamy 

 

 

 

x

n

q

x

x

S

n

S

n

S

1

1

1

2

2

=

=

=

    

 

(∇) 

Dla dużej próby otrzymamy zatem ostatecznie 

 

 

 

(

)

=

2

1

x

x

n

S

i

x

 

zaś dla małej próby 

background image

 

 

 

(

)

=

2

)

1

(

1

x

x

n

n

S

i

x

 

Jak więc widać z powyższych wzorów odchylenie standardowe średniej 

x

S

 jest mniejsze od 

odchylenia standardowego S

x

 pojedynczego pomiaru (niepewność średniej jest mniejsza niż 

niepewność poszczególnego pomiaru). Ilustruje to poniższy rysunek, na którym wartości x

i

 

zaznaczone są punktami, długość odcinka ze środkowym punktem wynosi 2S

x

, średnia 

arytmetyczna reprezentowana jest pionową linią, zaś długość krótszego boku zacieniowanego 
prostokąta wynosi  

x

S

2

 (oś pionowa wprowadzona została jedynie dla zwiększenia 

czytelności rysunku). 
 
 

 

 

 

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dla bardzo małych prób wyniki pomiarów podlegają rozkładowi Studenta. Jaką niepewność 
przypisać uzyskanej z próby wartości średniej? Przyjmując interpretacje probabilistyczną 
odchylenia standardowego w rozkładzie normalnym (prawdopodobieństwo uzyskania wyniku 
spoza przedziału  

x

x

S

x

S

x

+

,

 wynosi  31.74%), znajdujemy taką wartość krytyczną w 

rozkładzie Studenta t

n,α

, dla której α=0.3174≈0.32. Wtedy dla bardzo małej próby 

 
 

 

 

 

x

n

xt

S

t

S

32

.

0

,

=

 

 

 

 

 

x

n

t

x

S

t

S

32

.

0

,

=

 

Wartości krytyczne t

n,0.32

 dla niektórych wartości n podane są w tabeli poniżej. 

 

 

 

 

Liczebność próby n  Wartość krytyczna 

t

n,0.3174 

1.3210 

1.1966 

1.1414 

1.1103 

1.0903 

1.0765 

1.0663 

10 

1.0585 

15 

1.0368 

 

background image

 
 
Odchylenie standardowe wielkości mierzonej pośrednio

 otrzymamy podstawiając do wzoru 

( ) wariancję średniej 

2

q

x

S

 zamiast wariancji poszczególnych pomiarów 

2

q

x

S

  

 

 

 

=

=

p

q

q

x

q

p

z

S

x

x

x

x

f

S

1

2

2

1

)

,

,

,

(

K

   

 

(

◊) 

 
W przypadku gdy znamy tylko wariancje 

2

q

x

S

 oraz liczebności próby n

q

 każdej zmiennej 

losowej, wzór końcowy na odchylenie standardowe 

z

S

 otrzymamy przez podstawienie 

wyrażenia (∇) do równania  (

◊), uzyskując 

 

 

 

=

=

p

q

q

x

q

q

p

z

S

n

x

x

x

x

f

S

1

2

2

1

1

)

,

,

,

(

K

 

 
Niepewność całkowita pomiarów bezpośrednich 
 
Zakładamy, że mierzona wielkość x obarczona jest zarówno różnymi niepewnościami 
systematycznymi 

r

x (r=1,2,...,R)

, jak i niepewnością przypadkową, opisaną odchyleniem 

standardowym średniej 

x

S

.Niepewności systematyczne poszczególnych przyczynków 

r

x

 

zamieniamy na odpowiadające im odchylenia standardowe S

r

 

za pomocą równania 

3

x

S

r

r

=

a niepewność całkowitą S

c

 obliczymy z prawa przenoszenia odchyleń standardowych  

 

 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

1

2

2

1

2

2

2

1

2

/

1

2

2

2

2

2

1

3

3

q

x

R

r

r

x

R

x

R

c

S

x

S

x

x

x

S

S

S

S

S

+

∑ ∆

=





+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

=

L

L

 

 
Niepewność całkowita pomiarów pośrednich 
 
Niepewność całkowita (całkowite odchylenie standardowe 

y

S

) , na którą składają się 

niepewności przypadkowe i systematyczne obliczymy korzystając ze wzoru (

◊) i ze wzoru 

powyżej  

 

 

 

(

)

+

∑ ∆

=

=

=

p

q

q

x

R

r

r

q

p

y

S

x

x

x

x

x

f

S

1

2

2

2

1

2

1

3

,

,

,

(

L

 

Przykład: Wyznaczanie przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła matematycznego. 
 

1.

  Pomiary długości wahadła [m]: {1.241; 1.243; 1.240; 1.243; 1.242} 

 

wartość średnia  =1.2418, odchylenie standardowe średniej długości  

(

)

(

)

1

2

=

n

n

l

l

S

i

l

=0.000583   

000665

.

0

1414

.

1

=

=

l

t

l

S

S

 

background image

∆l

1

 – niepewność systematyczna związana z dokładnością użytej miarki  

 

0.001 

∆l

2

 – niepewność systematyczna związana z przyłożeniem początku miarki   

0.001 

∆l

3

 – niepewność systematyczna związana z przyłożeniem końca miarki 

 

0.001 

 

Niepewność całkowita długości wahadła (odchylnie standardowe)  

(

)

0012012

.

0

000665

.

0

3

001

.

0

3

001

.

0

3

001

.

0

2

2

2

2

)

(

=

+

+

+

=

ca

l

S

 

2.

  Pomiary czasu k=30  wahnięć wahadła [s]: {66.1; 65.4; 66.0; 66.6; 65.5} 

 

wartość średnia 

9200

.

65

=

t

 , odchylenie standardowe średniego czasu 

 

(

)

(

)

1

2

=

n

n

t

t

S

i

t

=0.2177 

 

2485

.

0

1414

.

1

=

=

t

t

t

S

S

 

∆t

1

 – niepewność systematyczna związana z dokładnością użytego stopera:   

0.1 

∆t

2

 – niepewność systematyczna związana z włączeniem stopera: 

 

 

0.2 

∆t

3

 – niepewność systematyczna związana z wyłączeniem stopera: 

 

 

0.2  

 
 

Niepewność całkowita czasu 30-tu wahnięć (odchylenie standardowe) 

 

(

)

2

2

2

2

)

(

2485

.

0

3

2

.

0

3

2

.

0

3

1

.

0

+

+

+

=

ca

t

S

=0.30289 

3.

  Obliczenie okresu wahnięć i jego odchylenia standardowego: 

 

010096

.

0

30

1973

.

2

30

92

.

65

)

(

=

=

=

=

=

ca

t

T

S

S

k

t

T

 

4.

  Obliczenie przyśpieszenia ziemskiego i jego niepewności całkowitej 

 

1539

.

10

4

2

2

=

=

T

l

g

π

 

0938

.

0

0087071

.

0

0000965

.

0

2

2

2

)

(

=

+

=

+

=

T

ca

l

g

S

T

g

S

l

g

S

 

Rezultat końcowy zapiszemy w postaci 
 
 

g=10.15±0.09 m/s

2