WikiDer > Распространение неопределенности

Propagation of uncertainty

В статистика, распространение неопределенности (или же распространение ошибки) является эффектом переменные' неопределенности (или же ошибки, более конкретно случайные ошибки) от неопределенности функция на их основе. Когда переменные являются значениями экспериментальных измерений, они имеют неопределенности из-за ограничений измерения (например, инструмент точность), которые распространяются из-за комбинации переменных в функции.

Неопределенность ты можно выразить разными способами. абсолютная ошибка ΔИкс. Неопределенности также могут быть определены относительная ошибка Икс)/Икс, который обычно записывается в процентах. Чаще всего неопределенность величины количественно выражается с помощью стандартное отклонение, σ, который является положительным квадратным корнем из отклонение. Тогда значение количества и его ошибка выражаются в виде интервала Икс ± ты. Если статистический распределение вероятностей переменной известно или можно предположить, можно вывести пределы уверенности для описания области, в которой может быть найдено истинное значение переменной. Например, 68% доверительный интервал для одномерной переменной, принадлежащей нормальное распределение примерно ± одно стандартное отклонение σ от центрального значения Икс, что означает, что регион Икс ± σ покрывает истинную стоимость примерно в 68% случаев.

Если неопределенности коррелированный тогда ковариация необходимо учитывать. Корреляция может возникать из двух разных источников. Во-первых, погрешности измерения могут быть коррелированы. Во-вторых, когда базовые значения коррелируют по всей совокупности, неопределенности в средних по группе будут соотнесены.[1]

Линейные комбинации

Позволять быть набором м функции, которые представляют собой линейные комбинации переменные с комбинационными коэффициентами :

или в матричной записи,

Также позвольте матрица дисперсии-ковариации из Икс = (Икс1, ..., Иксп) обозначим через :

Тогда матрица дисперсии-ковариации из ж дан кем-то

или в матричной записи,

Это наиболее общее выражение для распространения ошибки от одного набора переменных к другому. Когда ошибки на Икс некоррелированы, общее выражение упрощается до

куда это дисперсия k-й элемент Икс vector. Обратите внимание, что даже если ошибки на Икс могут быть некоррелированными, ошибки на ж в целом коррелированы; другими словами, даже если - диагональная матрица, это вообще полная матрица.

Общие выражения для скалярной функции ж немного проще (здесь а вектор-строка):

Каждый член ковариации можно выразить через коэффициент корреляции к , так что альтернативное выражение для дисперсии ж является

В случае, если переменные в Икс некоррелированы, это упрощает дальнейшее

В простейшем случае одинаковых коэффициентов и дисперсий находим

Нелинейные комбинации

Когда ж представляет собой набор нелинейных комбинаций переменных Икс, интервальное распространение может выполняться для вычисления интервалов, содержащих все согласованные значения переменных. В вероятностном подходе функция ж обычно необходимо линеаризовать приближением к первому порядку Серия Тейлор разложения, хотя в некоторых случаях могут быть получены точные формулы, которые не зависят от разложения, как в случае точной дисперсии продуктов.[2] Расширение Тейлора будет:

куда обозначает частная производная из жk с уважением к я-я переменная, вычисляемая по среднему значению всех компонентов вектора Икс. Или в матричная запись,

где J - Матрица якобиана. Поскольку f0 является константой, она не вносит вклад в ошибку f. Следовательно, распространение ошибки следует линейному случаю, описанному выше, но с заменой линейных коэффициентов, Аки и АкДж частными производными, и . В матричных обозначениях[3]

То есть, якобиан функции используется для преобразования строк и столбцов ковариационно-дисперсионной матрицы аргумента. Обратите внимание, что это эквивалентно матричному выражению для линейного случая с .

Упрощение

Пренебрежение корреляциями или допущение независимых переменных приводит к общей формуле для инженеров и ученых-экспериментаторов для расчета распространения ошибок, формуле дисперсии:[4]

куда представляет собой стандартное отклонение функции , представляет собой стандартное отклонение , представляет собой стандартное отклонение , и так далее.

Важно отметить, что эта формула основана на линейных характеристиках градиента и поэтому это хорошая оценка стандартного отклонения так долго как достаточно малы. В частности, линейная аппроксимация должно быть близко к внутри окрестности радиуса .[5]

Пример

Любая нелинейная дифференцируемая функция, , двух переменных, и , может быть расширен как

следовательно:

куда стандартное отклонение функции , стандартное отклонение , стандартное отклонение и ковариация между и .

В частном случае, когда , . потом

или же

куда корреляция между и .

Когда переменные и некоррелированы, . потом

Предостережения и предупреждения

Оценки ошибок для нелинейных функций: пристрастный за счет использования расширения усеченного ряда. Степень этого смещения зависит от характера функции. Например, смещение ошибки, вычисленное для log (1+Икс) увеличивается как Икс увеличивается, так как расширение до Икс хорошее приближение только тогда, когда Икс близок к нулю.

Для сильно нелинейных функций существует пять категорий вероятностных подходов для распространения неопределенности;[6] видеть Количественная оценка неопределенности # Методики прямого распространения неопределенности для подробностей.

Взаимный и сдвинутый взаимный

В частном случае обратного или обратного , куда следует за стандартное нормальное распределение, результирующее распределение является обратным стандартным нормальным распределением, и нет определяемой дисперсии.[7]

Однако в несколько более общем случае сдвинутой обратной функции за следуя общему нормальному распределению, статистика среднего и дисперсии действительно существует в основная стоимость смысл, если разница между полюсом и среднее имеет реальную ценность.[8]

Соотношения

Соотношения также проблематичны; нормальные приближения существуют при определенных условиях.

Примеры формул

В этой таблице показаны дисперсии и стандартные отклонения простых функций действительных переменных. , со стандартными отклонениями ковариация и точно известные (детерминированные) действительные константы (т.е. ). В столбцах «Дисперсия» и «Стандартное отклонение» следует понимать как ожидаемые значения (то есть значения, вокруг которых мы оцениваем неопределенность), и следует понимать значение функции, вычисленное при математическом ожидании .

ФункцияДисперсияСтандартное отклонение
[9][10]
[11]
[12]
[12]
[13]

Для некоррелированных переменных () члены ковариации также равны нулю, так как .

В этом случае выражения для более сложных функций могут быть получены путем объединения более простых функций. Например, повторное умножение при отсутствии корреляции дает

По делу у нас также есть выражение Гудмана[2] для точной дисперсии: для некоррелированного случая это

и поэтому имеем:

Примеры расчетов

Функция обратной тангенса

Мы можем рассчитать распространение неопределенности для функции обратной касательной в качестве примера использования частных производных для распространения ошибки.

Определять

куда абсолютная неопределенность нашего измерения Икс. Производная от ж(Икс) относительно Икс является

Следовательно, наша распространенная неопределенность равна

куда - распространенная абсолютная неопределенность.

Измерение сопротивления

Практическое применение - это эксперимент в котором измеряется Текущий, я, и Напряжение, V, на резистор чтобы определить сопротивление, р, с помощью Закон Ома, р = V / я.

Учитывая измеренные переменные с погрешностями, я ± σя и V ± σV, и пренебрегая их возможной корреляцией, неопределенность в вычисленной величине, σр, является:

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Киршнер, Джеймс. «Инструментарий анализа данных № 5: Анализ неопределенности и распространение ошибок» (PDF). Лаборатория сейсмологии Беркли. Калифорнийский университет. Получено 22 апреля 2016.
  2. ^ а б Гудман, Лео (1960). «О точной дисперсии товаров». Журнал Американской статистической ассоциации. 55 (292): 708–713. Дои:10.2307/2281592. JSTOR 2281592.
  3. ^ Очоа1, Бенджамин; Белонги, Серж «Распространение ковариации для управляемого сопоставления» В архиве 2011-07-20 на Wayback Machine
  4. ^ Ку, Х. Х. (октябрь 1966 г.). «Замечания по использованию формул распространения ошибок». Журнал исследований Национального бюро стандартов. 70C (4): 262. Дои:10.6028 / jres.070c.025. ISSN 0022-4316. Получено 3 октября 2012.
  5. ^ Клиффорд, А. А. (1973). Многомерный анализ ошибок: руководство по распространению ошибок и расчетам в многопараметрических системах. Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0470160558.[страница нужна]
  6. ^ Lee, S. H .; Чен, В. (2009). «Сравнительное исследование методов распространения неопределенности для задач типа черного ящика». Структурная и междисциплинарная оптимизация. 37 (3): 239–253. Дои:10.1007 / s00158-008-0234-7. S2CID 119988015.
  7. ^ Джонсон, Норман Л .; Коц, Самуэль; Балакришнан, Нараянасвами (1994). Непрерывные одномерные распределения, Том 1. Вайли. п. 171. ISBN 0-471-58495-9.
  8. ^ Леконт, Кристоф (май 2013 г.). «Точная статистика систем с неопределенностями: аналитическая теория стохастических динамических систем первого ранга». Журнал звука и вибраций. 332 (11): 2750–2776. Дои:10.1016 / j.jsv.2012.12.009.
  9. ^ «Сводка распространения ошибок» (PDF). п. 2. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-12-13. Получено 2016-04-04.
  10. ^ «Распространение неопределенности с помощью математических операций» (PDF). п. 5. Получено 2016-04-04.
  11. ^ «Стратегии оценки дисперсии» (PDF). п. 37. Получено 2013-01-18.
  12. ^ а б Харрис, Дэниел С. (2003), Количественный химический анализ (6-е изд.), Macmillan, p. 56, ISBN 978-0-7167-4464-1
  13. ^ "Учебник по распространению ошибок" (PDF). Футхилл Колледж. 9 октября 2009 г.. Получено 2012-03-01.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка