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误差传播


给定公式 formula y=f(x),其中 绝对误差x 中为 dx,则 绝对误差dy相对误差dy/y。如果 x=f(u,v,...),则

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

其中 x^_ 表示均值,因此样本方差由下式给出

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)

方差协方差的定义给出

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 不相关,则 s_(uv)=0 因此

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

现在考虑带误差的量的加法。对于 x=au+/-bvpartialx/partialu=apartialx/partialv=+/-b,因此

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

对于带 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)

两边除以 x^2 并重新排列,得到

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

对于带 ... 的量的指数运算

 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,则

 (s_x)/x=bs_u.
(16)

对于带 x=aln(+/-bu) 的量的对数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)

对于带 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)

对于,对于 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)

另请参阅

绝对误差, 准确度, 协方差, 百分比误差, 精度, 相对误差, 有效数字, 方差

使用 探索

参考文献

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

误差传播

请引用为

Weisstein, Eric W. "误差传播。" 来自 网络资源。 https://mathworld.net.cn/ErrorPropagation.html

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