background image

www.it.pw.edu.pl/ztkut Laboratorium 

Metrologii 

Ćwiczenie nr 5 

1. Tytuł ćwiczenia 

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK LICZBOWYCH ZMIENNYCH 

LOSOWYCH NA PODSTAWIE DANYCH DOŚWIADCZALNYCH 

2. Cel ćwiczenia 
Celem  ćwiczenia jest zapoznanie studentów z podstawowymi metodami statystycznej oceny 
wyników pomiarów otrzymanych na stanowisku kontroli produkcji. 
W produkcji wielkoseryjnej i masowej jest niemożliwe sprawdzanie dokładności wykonania 
każdego detalu, dlatego też sprawdzana jest dokładnie tylko pewna próbka n-elementowa 
wybrana losowo z całej produkcji np. w danym dniu. 
Ten sposób postępowania nazywa się statystyczną kontrolą jakości i stąd też wynika potrzeba 
nabycia umiejętności wyznaczania charakterystyk liczbowych zmiennych losowych. 
W  ćwiczeniu dokonujemy analizy statystycznej określonej partii detali, o której chcemy się 
dowiedzieć jak najwięcej czyli odpowiedzieć na pytania: 

-  czy wymiar poszczególnych detali mieści się w założonym polu tolerancji, 
-  czy rozkład wymiarów detali ma charakter rozkładu normalnego (w przybliżeniu). 

W tym celu określamy charakterystyki statystyczne wyników pomiarów i weryfikujemy 
hipotezy parametryczne o wartości przeciętnej i wariancji czyli testujemy hipotezy statystyczne. 
Hipoteza statystyczna – dowolne przypuszczenia co do rozkładu populacji generalnej (jego 

postaci funkcji lub wartości parametrów). 

Test statystyczny – reguła postępowania, która każdej możliwej próbie przyporządkowuje 

decyzje przyjęcia lub odrzucenia hipotezy. 

3. Wprowadzenie teoretyczne 
Rozważmy uzyskany w wyniku pomiarów ciąg  n-elementowy wartości pewnej wielkości  x
którą  będziemy utożsamiać ze zmienną losową. Wartości (x

1

,  x

2

, .. x

n

) zmiennej losowej x 

nazywamy próbą n-elementową . 
Zadaniem opracowującego wyniki pomiarów jest znalezienie ocen (wartości przybliżonych) dla 
charakterystyk liczbowych danej zmiennej losowej. Charakterystykami tymi są: 

-  wartość oczekiwana x
-   odchylenie standardowe 

σ

x

-  wariancja 

σ

x

2

-  momenty wyższych rzędów 

µ

s

m

s

,  

-  współczynnik asymetrii i spłaszczenia 

γ

1

γ

2

Oceny tych charakterystyk, uzyskane na podstawie wyników pomiarów, oznaczamy tymi 
samymi literami, co szukane charakterystyki, lecz z „wężykiem” u góry 

2

~

,

~

,

~

x

x

x

σ

σ

 itp. 

Przy nieograniczonym wzroście liczebności próby n ocena powinna być zbieżna wg. 
prawdopodobieństwa do ocenianego parametru. 
Mając liczna próbę, elementy próby łączymy, grupując w klasach tworzących tzw. 
uporządkowany szereg rozdzielczy 

)

)

)

mcx

g

x

x

x

x

x

x

,

,

,

,

,

2

1

1

min

K

  tablica.4.1. 

Oceny wartości oczekiwanej wariancji i momentów wyższych rzędów dokonuje się wtedy w 
sposób przybliżony korzystając ze wzorów: 

(

)

i

n

i

i

i

n

i

i

P

x

x

P

x

x

=

=

=

=

2

1

1

~

~

,

~

σ

 (4.1) 

gdzie: 

background image

www.it.pw.edu.pl/ztkut Laboratorium Metrologii 

i

 - wartość średnia w i-tej klasie 

P

i

 – częstość (prawdopodobieństwo) zdarzeń w i-tej klasie 

Tablica 4.1. 

Nr klasy 

.... 

10 

Granice klasy 

)

1

min

x

x

÷

 

2

1

x

x

÷

 

 

)

max

9

x

x

÷

 

Liczba elementów w klasie 

m

1

 

m

2

 

 

m

10

 

Wartość średnia w klasie 

1

x

 

2

x

 

 

10

x  

Częstość w klasie  

n

m

P

i

i

=

 

P

1

 

P

2

 

 

P

10

 

Dystrybuanta w klasie 

i

i

P

P

P

W

+

+

+

=

K

2

1

 

W

1

 

W

2

 

 

W

10

 

 
Korzystając z danych uzyskanych przy tworzeniu uporządkowanego szeregu rozdzielczego 
wykonujemy wykresy (histogramy) empirycznych funkcji: 

-  gęstości prawdopodobieństwa (wykres zależności P

i

-  dystrybuanty empirycznej W

i

 

 

 

 

                  

 

 

 

 

          

 

 

 

3

5

7

10

 n 

Pi

0,25

0,5

0,75

1

 

Rys. 4.1. Przykładowy wykres gęstości prawdopodobieństwa 

 
 

Wi 

 

2 3  4 5 6  7 

9

10 

             

 

 

 

 

          

 

 

 

8

 

Rys. 4.2. Przykładowy rozkład dystrybuanty empirycznej 

 
Dalszym etapem analizy jest weryfikacja hipotezy o wartości przeciętnej oraz weryfikacja 
hipotezy o wariancji wraz ze znalezieniem przedziału ufności dla wartości przeciętnej. 
 
 

background image

www.it.pw.edu.pl/ztkut Laboratorium Metrologii 

Weryfikacja hipotez 
l. Weryfikacja hipotezy o wartości przeciętnej w populacji generalnej.  

Hipotezę orzekającą,  że wartość przeciętna  m jest równa liczbie m

0

, zapisujemy 

 

H

(m = m

0

). Jeśli zmienna losowa x ma rozkład normalny N  (m,

σ

), przy czym 

σ

 jest znane  

i przyjmujemy poziom istotności 

α

, to korzystając z tabl. II [l], wyznaczamy 

ε

α 

takie, by: 

α

ε

σ

α



n

m

x

P

~

 

Jeśli zaobserwowana (obliczona) w n-elementowej próbie wartość 

x~

jest taka, że: 

n

m

x

σ

ε

α

~

0

to hipotezę (m = m

0

) odrzucamy.  

W przypadku, gdy: 

n

m

x

σ

ε

α

~

0

<

to nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy H (m = m

0

). 

Jeżeli nie ma podstaw do przyjęcia założenia,  że cecha ma rozkład normalny, ale n > 30,  
to w celu zweryfikowania hipotezy (m = m

0

) można stosować postępowanie analogiczne jak 

omówione wyżej, przy czym jako 

σ

2

 można przyjąć 

2

~

σ

 

2. Weryfikacja hipotezy o wariancji. 

Niech zmienna losowa x ma rozkład normalny, przy czym 

σ

 jest nie znane. Hipotezę 

(

)

2

0

2

σ

σ

=

H

, tzn. że wariancja jest równa liczbie 

2

0

σ

,

 

weryfikujemy, korzystając z faktu, że 

zmienna losowa 

(

)

2

1

2

0

2

0

2

2

~

1

~

=

=

=

n

i

i

x

x

n

σ

σ

σ

χ

 

 

ma rozkład 

χ

2

 o n - l stopniach swobody. Przyjmujemy poziom istotności 

α

. W tabl. IV [l] 

znajdujemy 

χ

2

α

  takie, że 

(

)

,

2

2

α

χ

χ

α

P

 

czyli 

α

χ

σ

σ

α

=



2

2

0

2

~

n

P

Hipotezę odrzucamy, jeśli 

n

2

2

0

2

~

α

χ

σ

σ

 

W przeciwnym przypadku hipotezę przyjmujemy.  
3. Przedział, ufności. 
Znajdowanie przedziału ufności dla wartości przeciętnej w rozkładzie normalnym, gdy jest 
nieznana wariancja. Jeśli zmienna losowa x ma rozkład normalny N(m,

σ

) i 

σ

 jest nieznane, to 

przedział ufności dla nieznanego również parametru m, wyznaczamy, korzystając z faktu, że 
zmienna losowa 

1

~

~

=

n

m

x

T

σ

 

ma rozkład 

t Studenta, który jest stablicowany (tabl. III [l]). 

background image

www.it.pw.edu.pl/ztkut Laboratorium Metrologii 

Dla prawdopodobieństwa 1-

α

 (

α

 - dany poziom istotności z tabl. III [l]) odczytujemy takie 

ε

α

, że 

α

ε

σ

α

=

⎟⎟

⎜⎜

1

1

~

n

m

x

P

 

Przedziałem ufności dla parametru 

m jest 

.

~

1

~

;

~

1

~

⎥⎦

⎢⎣

+

+

x

n

x

n

σ

ε

σ

ε

α

α

 

4. Przebieg ćwiczenia 
Ćwiczenie wykonujemy w dwóch etapach 

Etap pierwszy 

1.  Przy pomocy czujnika indukcyjno-analogowego Vistronik wykonać pomiar średnicy 50 

wałeczków ø15 i 50 wałeczków ø10. 

Czujnik indukcyjny 
analogowy 
Vistronik A1 

 

Rys. 4.3 

Schemat blokowy stanowiska pomiarowego: 1 – kontrolowany detal,  

2 – czujnik indukcyjny, 3- podstawa pomiarowa, 4 – stół pomiarowy 

2.  Na podstawie pomiarów utworzyć uporządkowany szereg rozdzielczy próby składający 

się z 10-ciu klas (tablica 4.1) szerokość klasy: 

10

min

max

x

x

 

3.  Narysować wykresy (histogramy) gęstości prawdopodobieństwa (częstość wystąpienia 

wymiaru w danej klasie) oraz dystrybuanty empirycznej. 

4.  Na podstawie wzorów 4.1 obliczyć (oszacować) wartość oczekiwaną i wariancję 

(wartości z tablicy 4.1). 

Etap drugi 

Weryfikując hipotezy parametryczne o wartości przeciętnej i wariancji oszacować, czy 
wszystkie wyniki populacji generalnej (przy założonym poziomie istotności  

α

) zawierają się w 

założonym polu tolerancji 

m

0

 

± ∆m 

gdzie: 

m = 3

σ

0

  

Wartości:  

m

0

m i 

α

 - podaje prowadzący. 

5. Wymagania dotyczące sprawozdania 

-  Podstawowe definicje 
-  Tabela wyników pomiarów 
-  Wykresy gęstości prawdopodobieństwa i dystrybuanty empirycznej 
-  Weryfikacja hipotez 
-  Wnioski 

6. Wymagania dotyczące zaliczenia ćwiczenia 
Znajomość charakterystyk liczbowych zmiennej losowej. Znajomość pojęcia „uporządkowany 
szereg rozdzielczy”. Znajomość sposobu weryfikacji hipotez o wartości przeciętnej i wariancji 
7. Literatura 
[1] Praca zbiorowa pod redakcją Jerzego Kisilowskiego: 

Podstawy pomiarów wielkości stałych i 

zmiennych w czasie, Laboratorium, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1995.