概述
誤差是實驗科學術語。指測量結果偏離真值的程度。對任何一個物理量進行的測量都不可能得出一個絕對準確的數值,即使使用測量技術所能達到的最完善的方法,測出的數值也和真實值存在差異,這種測量值和真實值的差異稱為誤差。數值計算分為絕對誤差和相對誤差。也可以根據誤差來源分為系統誤差(又稱可定誤差、已定誤差)、隨機誤差(又稱機會誤差、未定誤差)和毛誤差(又稱粗差)。
分類
絕對誤差和相對誤差
絕對誤差(Absoluteerror)=測量值-真值。是測量值(單一測量值或多次測量值的均值)與真值之差。若測量結果大於真值時,誤差為正,反之為負。
相對誤差(RelativeError)=絕對誤差÷真值。為絕對誤差與真值的比值(可以用百分比(%)、千分比(ppt)、百萬分比(ppm)表示,但常以百分比表示)。一般來說,相對誤差更能反映測量的可信程度。
例如,測量者用同一把尺子測量長度為1厘米和10厘米的物體,它們的測量值的絕對誤差顯然是相近的,但是相對誤差前者比後者大了一個數量級,表明後者測量值更為可信。
系統誤差、隨機誤差和毛誤差
誤差的來源可以分為系統誤差(又稱可定誤差)、隨機誤差(又稱未定誤差)和毛誤差(又稱過失誤差)。
系統誤差(Systemerror)分為固定誤差與比例誤差,原因可能有儀器本身誤差(instrumentalerrors)、採用方法的誤差(methoderrors)、個人誤差(personalerrors)、環境誤差(Environmentalerror)。理論上系統誤差可以通過一定的手段(如:校正)來消除。舉例而言,天平的兩臂應是等長的,可實際上是不可能完全相等的;天平配置的相同質量的砝碼應是一樣的,可實際上它們不可能達到一樣。
隨機誤差(Randomerror),無法控制的變因,會使得測量值產生隨機分布的誤差。它服從統計學上所謂的“常態分配”或稱“高斯分布”,它是不可消除的,在這個意義上,測量對象的真值是永遠不可知的,只能通過多次測量獲得的均值儘量逼近。系統誤差以相同的方式影響所有測量值,將它們推向同一個方向;隨機誤差,則隨著不同次的測量而變化,有時候向上或向下。
毛誤差(Grosserror),毛誤差主要是由於測量者的疏忽犯下不應有的錯誤造成的。例如讀數錯誤、記錄錯誤、測量時發生未察覺的異常情況等等,這種誤差是可以避免的(如:捨棄有關數據重新測量)。
•系統誤差中的個人誤差(personalerrors)與毛誤差(Grosserror)的差別。
個人誤差又稱人員誤差,是由於測定人員的分辨力、反應速度的差異和固有習慣引起的誤差。這類誤差往往因人而異,因而可以採取讓不同人員進行分析,以平均值報告分析結果的方法予以限制。
毛誤差主要是由於測量者的疏忽所造成的。
用等式可以表達,隨機誤差中可能存在的結果為,單獨測量值=精確值+隨機誤差。
而系統誤差中,則結果為:單獨測量值=精確值+偏度+隨機誤差。
誤差特徵
誤差的分布情況具有如下性質:
•誤差的絕對值有一定的限值;
•絕對值較小的誤差比絕對值較大的誤差多;
•絕對值相等的正負誤差的個數相近。
系統偏差的特徵
在同一條件下,多次測量同一量值時,誤差的絕對值和符號保持不變,或者在條件改變時,誤差按一定的規律變化,故多次測量同一量值時,系統誤差不具有抵償性,這是系統偏差與隨機誤差的本質區別。
根據系統偏差在測量過程中所具有的不同變化特性,將系統偏差分為恆定系統偏差和可變系統偏差兩大類。
恆定系統偏差
在整個測量過程中,誤差大小和符號均固定不變的系統偏差。
某量塊的公稱尺寸為10mm,實際尺寸為10.001mm,誤差為-0.001mm,若按公稱尺寸使用,則始終會存在-0.001mm的系統誤差 。
某千分尺零位位置不指零,也會在使用過程中造成對每次測量量值讀數的一個常量的零值誤差 。
可變系統偏差
在整個測量過程中,誤差的大小和符號隨著測量位置或時間的變化而發生有規律的變化。
1.線性變化系統偏差。
2.周期性變化系統偏差。
3.複雜規律變化系統偏差。