Для нормального закона распределения вероятность того, что случайная составляющая погрешности измерения не выходит за пределы интервала:
±3s, составляет 0,9972; ±2,6s, составляет 0,99;
±2s, составляет 0,95; ±1,6s, составляет 0,9.
Погрешность, равная 3s, принята в радиотехнике за максимальную. При этом из тысячи выполненных измерений только три их погрешности D выходят за пределы интервала (-3s, 3s).
Нормальный закон распределения случайных погрешностей широко используется при обработке результатов измерений, что объясняется следующими обстоятельствами. Случайная погрешность измерения некоторой величины складывается из многих составляющих, вызванных различными причинами, зачастую трудноуловимыми. Учитывая отмеченное, принимают, что при прямых измерениях закон распределения случайных погрешностей многократных наблюдений некоторой величины соответствует нормальному. Для получения достаточно точных результатов обработки таких наблюдений их число п должно быть не меньше 20.
Закон распределения Стьюдента.Наиболее часто этот закон применяется в процессе обработки результатов небольшого числа многократных наблюдений физической величины (2 £ п < 20) и справедлив, когда случайные погрешности наблюдений распределены по нормальному закону. Этот закон описывает распределение плотности вероятности значений случайной величины t = (-xи)/s, где = (x1 + x2 +...+ xn)/n — среднее арифметическое значение выполненного ряда наблюдений (x1, x2, ..., xn) величины xи. Он отличается от нормального закона тем, что учитывает число выполненных наблюдений п и задается функцией, зависящей от относительного аргумента t = D/s , где D = - xи — случайная погрешность:
,
Здесь п ³ 2; Г(n/2), Г((n-1)/2) — гамма-функции (интегралы Эйлера).
Из анализа следует, что закон распределения Стьюдента при числе наблюдений п³ 20 практически совпадает с нормальным нормированным законом, а при п < 20 отличается от него тем значительнее, чем меньше число наблюдений п. Отличия состоят в увеличении рассеяния относительных погрешностей t около центра t = 0 по мере уменьшения числа наблюдений. Следовательно, при этом следует ожидать уменьшения вероятности Р попадания погрешностей случайной величины t в заданный интервал (-tr1, tr1).
Случайная погрешность определяется по формуле DСЛ= t(Рд, п)s, где t(Рд, п) -коэффициент Стьюдента, характеризующий протяженность распределения.
Коэффициенты Стьюдента t(Рд, п)
n | Pд | |||||||
0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 0,95 | 0,98 | 0,99 | |
1,00 | 1,38 | 1,96 | 3,08 | 6,31 | 12,71 | 31,82 | 63,66 | |
0,82 | 1,06 | 1,34 | 1,89 | 2,92 | 4,30 | 6,97 | 9,93 | |
0,77 | 0,98 | 1,25 | 1,64 | 2,35 | 3,18 | 4,54 | 5,84 | |
0,74 | 0,94 | 1,19 | 1,53 | 2,13 | 2,78 | 3,75 | 4,60 | |
0,73 | 0,92 | 1,16 | 1,48 | 2,02 | 2,62 | 3,37 | 4,03 | |
0,72 | 0,91 | 1,13 | 1,44 | 1,94 | 2,45 | 3,14 | 3,71 | |
0,71 | 0,90 | 1,12 | 1,42 | 1,90 | 2,37 | 3,00 | 3,50 | |
0,71 | 0,89 | 1,11 | 1,40 | 1,86 | 2,31 | 2,90 | 3,36 | |
0,70 | 0,88 | 1,10 | 1,38 | 1,83 | 2,26 | 2,82 | 3,25 | |
0,69 | 0,87 | 1,07 | 1,34 | 1,75 | 2,13 | 2,60 | 2,95 | |
0,69 | 0,86 | 1,06 | 1,32 | 1,71 | 2,06 | 2,49 | 2,80 |
При одной и той же доверительной вероятности с уменьшением числа наблюдений доверительный интервал увеличивается, т.е. точность измерений ухудшается.
Равномерный закон распределения плотности вероятности. Данный закон применяется тогда, когда случайная погрешность измерений с идентичной плотностью вероятности принимает любые значения в ограниченном интервале. Этот закон характерен для случайных погрешностей при измерении непрерывных физических величин методом дискретного счета, при преобразовании таких величин в аналого-цифровых преобразователях (погрешности дискретности, квантования), а также для погрешностей отсчета показаний со шкал приборов.
Все возможные случайные погрешности результата измерений, описываемых равномерным законом, расположены в интервале (-Dm, Dm), где Dm — максимальная погрешность. Аналитически плотность вероятности равномерного закона распределения определяется по формуле
Вероятность того, что случайная погрешность результатов измерений D находится в некотором симметричном интервале (-Dr1, Dr1), определяется выражением (2.5) при подстановке в него значения плотности вероятности r(D) = 1/(2Dm):
На графике площадь заштрихованного прямоугольника с основанием 2Dr1 и высотой 1/(2Dm) численно равна вероятности.