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誤差傳播


給定公式 formula y=f(x),其中 絕對誤差x 中為 dx,則 絕對誤差dy相對誤差dy/y。如果 x=f(u,v,...),則

 x_i-x^_=(u_i-u^_)(partialx)/(partialu)+(v_i-v^_)(partialx)/(partialv)+...,
(1)

其中 x^_ 表示均值,因此樣本方差由下式給出

s_x^2=1/(N-1)sum_(i=1)^(N)(x_i-x^_)^2
(2)
=1/(N-1)sum_(i=1)^(N)[(u_i-u^_)^2((partialx)/(partialu))^2+(v_i-v^_)^2((partialx)/(partialv))^2+2(u_i-u^_)(v_i-v^_)((partialx)/(partialu))((partialx)/(partialv))+...].
(3)

方差協方差的定義給出

s_u^2=1/(N-1)sum_(i=1)^(N)(u_i-u^_)^2
(4)
s_v^2=1/(N-1)sum_(i=1)^(N)(v_i-v^_)^2
(5)
s_(uv)=1/(N-1)sum_(i=1)^(N)(u_i-u^_)(v_i-v^_)
(6)

(其中 s_(ii)=s_i^2),因此

 s_x^2=s_u^2((partialx)/(partialu))^2+s_v^2((partialx)/(partialv))^2+2s_(uv)((partialx)/(partialu))((partialx)/(partialv))+....
(7)

如果 uv 不相關,則 s_(uv)=0 因此

 s_x^2=s_u^2((partialx)/(partialu))^2+s_v^2((partialx)/(partialv))^2.
(8)

現在考慮帶誤差的量的加法。對於 x=au+/-bvpartialx/partialu=apartialx/partialv=+/-b,因此

 s_x^2=a^2s_u^2+b^2s_v^2+/-2abs_(uv).
(9)

對於帶 x=+/-au/v 的量的除法,partialx/partialu=+/-a/vpartialx/partialv=∓au/v^2,因此

 s_x^2=(a^2)/(v^2)s_u^2+(a^2u^2)/(v^4)s_v^2-2a/v(au)/(v^2)s_(uv).
(10)

兩邊除以 x^2 並重新排列,得到

 ((s_x)/x)^2=((s_u)/u)^2+((s_v)/v)^2-2((s_(uv))/u)((s_(uv))/v).
(11)

對於帶 ... 的量的指數運算

 x=a^(+/-bu)=(e^(lna))^(+/-bu)=e^(+/-b(lna)u),
(12)

 (partialx)/(partialu)=+/-b(lna)e^(+/-blnau)=+/-b(lna)x,
(13)

因此

 s_x=s_ub(lna)x
(14)
 (s_x)/x=blnas_u.
(15)

如果 a=e,則

 (s_x)/x=bs_u.
(16)

對於帶 x=aln(+/-bu) 的量的對數partialx/partialu=a(+/-b)/(+/-bu)=a/u,因此

 s_x^2=s_u^2((a^2)/(u^2))
(17)
 s_x=a(s_u)/u.
(18)

對於帶 x=+/-auv 的乘法,partialx/partialu=+/-avpartialx/partialv=+/-au,因此

 s_x^2=a^2v^2s_u^2+a^2u^2s_v^2+2a^2uvs_(uv)
(19)
((s_x)/x)^2=(a^2v^2)/(a^2u^2v^2)s_u^2+(a^2u^2)/(a^2u^2v^2)s_v^2+(2a^2uv)/(a^2u^2v^2)s_(uv)
(20)
=((s_u)/u)^2+((s_v)/v)^2+2((s_(uv))/(uv)).
(21)

對於,對於 x=au^(+/-b)partialx/partialu=+/-abu^(+/-b-1)=+/-bx/u,因此

 s_x^2=s_u^2(b^2x^2)/(u^2)
(22)
 (s_x)/x=b(s_u)/u.
(23)

另請參閱

絕對誤差, 準確度, 協方差, 百分比誤差, 精度, 相對誤差, 有效數字, 方差

使用 探索

參考文獻

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, p. 14, 1972.Bevington, P. R. Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences. New York: McGraw-Hill, pp. 58-64, 1969.

在 中被引用

誤差傳播

請引用為

Weisstein, Eric W. "誤差傳播。" 來自 網路資源。 https://mathworld.tw/ErrorPropagation.html

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