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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

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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 Wolfram|Alpha 中被引用

误差传播

请引用为

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

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