接2# 史錦順 推薦文
根據中心化變量X~和期望估計誤差ΔEΛ(X)的定義將有下列隨機變量X的分解式:
X=E(X)+X~=EΛ(X)-ΔEΛ(X)+X~ (29)
由式(27)在評估中期望值E(X)和中心化變量X~=X-E(X)兩部分可以認為是相互獨立的。存在期望估計誤差ΔEΛ(X)表明確定期望估計值EΛ(X)的估計方法是不完善的。實踐中引起期望估計誤差ΔEΛ(X)的原因主要有兩個:
(1)變量X的抽樣值X的誤差存在不為零的期望值,其主要的組成是“量值溯源”誤差;
(2)變量X的隨機性對確定有限樣本量期望估計值EΛ(X)的影響。
期望估計誤差ΔEΛ(X)在理論上具有確定的量值,但是無法確定。對期望值ΔEΛ(X)的評估通常將它看作可能出現值的一個抽樣值,用它的可能出現值的統計特征估計值表征其大小,這樣的統計特征估計值有期望估計誤差可能出現值ΔEΛ(X)的期望估計值EΛ〔ΔEΛ(X)〕,標準差估計值σΛ〔ΔEΛ(X)〕或中心化極限估計值UΛ〔ΔEΛ(X)〕。在EΛ〔ΔEΛ(X)〕和σ0Λ〔ΔEΛ(X)〕或U0Λ〔ΔEΛ(X)〕符號中的變量ΔEΛ(X)已經不同于它在式(28)和(29)中確定量值的概念,已經是它的可能出現值的概念,它將由期望估計值EΛ(X)的評估方法決定而基本獨立于評估結果EΛ(X)。
這樣,在量值評估中隨機變量X被分為三部分,分別獨立地進行評估,首先是量X的期望值E(X)作無偏估計EΛ(X),其結果的數值和正負號是完全確定的;是評估所得的變量X的系統部分。另外兩部分是可能的期望估計誤差ΔEΛ(X)和中心化變量X~,對于它們的評定結果是標準差估計值σΛ〔ΔEΛ(X)〕和σΛ(X),或中心化極限估計值UΛ〔ΔEΛ(X)〕和UΛ(X);這兩部分在一起組成了變量X在量值評估中的隨機部分。
隨機變量X的系統部分X=Λ和隨機部分X~Λ可以分別用式(31)和(32)表示:
X=X=Λ+X~Λ (30)
X=Λ=EΛ(X) (31)
X~Λ=X-X=Λ=X~-ΔEΛ(X) (32)
變量X的分散性可以用變量隨機部分X~Λ的大小來量化,即用變量隨機部分X~Λ的均方根估計值σ0Λ(X~Λ)或極限估計值U0Λ(X~Λ)表征。
由于X~是變量X的中心化變量并和期望估計誤差ΔEΛ(X)間相互對立,因此有式(33)和(34):
σ0Λ(X~Λ)={σΛ(X)2+σ0Λ〔ΔEΛ(X)〕2}1/2 (33)
U0Λ(X~Λ)={UΛ(X)2+U0Λ〔ΔEΛ(X)〕2}1/2 (34)
三、隨機變量的不確定度和測量不確定度
1.任意隨機變量的“不確定度”
量值的分散性是所有隨機變量所共有的特點。如果希望有一個術語來表述對任意隨機變量量值分散性的評估結果,“不確定度”是合適的術語名稱。建議對任意隨機變量術語“不確定度”采用下列定義:
【隨機變量的不確定度uncertainty of random variable
隨機變量X的不確定度是表征變量隨機部分X~Λ大小的統計特征估計值。 注:
(1)變量X隨機部分的表示式為:X~Λ=X-EΛ(X)=X~-ΔEΛ(X)。式中的EΛ(X)為變量X的期望估計值,即期望E(X)的估計值;X~=X-E(X)為變量X的中心化變量;ΔEΛ(X)=EΛ(X)-E(X)為EΛ(X)的期望估計誤差。期望估計誤差ΔEΛ(X)具有未知的確定值,有時被稱為未定系統誤差。由于未定系統誤差的確定值是未知的,因此,對它的評估實際上是對期望估計方法可能存在的誤差進行評估。所以任何變量的不確定度將由其中心變化量的不確定度及期望估計誤差的不確定度兩個獨立部分組成。
(2)變量隨機部分的均方根估計值被稱為變量的標準不確定度。
(3)變量隨機部分的極限估計值被稱為變量的擴展不確定度。
(4)表征包括變量系統和隨機兩部分整個大小均方根估計值或極限估計值可以稱為“全(complete)標準不確定度”或“全(complete)擴展不確定度”。它可以由變量的期望估計值和變量相應的不確定度綜合得出。
(5)對某種指定目的可以對變量“擴展不確定度”規定允許值,這可以稱為該目的變量的“允許擴展不確定度”。例如,機械加工的公差,測量設備的最大基本誤差允許值,各種檢驗被檢量的允許偏差等。
表示符號:
隨機變量X的標準不確定度表示為σ0Λ(X~Λ)。
隨機變量X的擴展不確定度表示為U0Λ(X~Λ)。
隨機變量X的全(complete)標準不確定度表示為σ0Λ(X~Λ)。
隨機變量X的全(complete)擴展不確定度表示為U0Λ(X)。
來源及評注:
用統計學術語表述的GUM95中術語“測量不確定度”的擴展概念。】
這術語“不確定度”的這一定義是用統計學的術語明確地表述了“不確定度”含義中的量值關系,使其概念不留任何含糊之處。這術語定義又將“不確定度”和特定的隨機變量明確地聯系在一起。只有明確特定的隨機變量后,“不確定度”才有完整的涵義。“變量隨機部分大小”和其“不確定度”之間的關系是客觀存在的“量值”和其人為的評估值之間的關系。這術語定義的“注”將“不確定度”和目前廣泛應用的概念銜接起來,使它們在使用中相互銜接和協調。
2.與“測量不確定度”有關的術語
和“測量”過程直接有關的隨機變量有3個:測量結果Y、測量誤差ΔY和被測量真值Y0,它們之間的關系如下:
Y=ΔY+Y0 (35)
對式(35)兩側作期望估計,可得到式 (36):
EΛ(Y)=EΛ(ΔY)+EΛ(Y0) (36)
將式(35)減去式(36),可得到式 (37):
〔Y-EΛ(Y)〕=〔ΔY-EΛ(ΔY)〕+〔Y0-EΛ(Y0)〕 (37)
即有式 (38):
Y~Λ=ΔY~Λ+Y0~Λ (38)
式(38)中的Y~Λ=〔Y-EΛ(Y)〕,ΔY~Λ=〔ΔY-EΛ(ΔY)〕和Y0~Λ=〔Y0-EΛ(Y0)〕分別為測量結果Y、測量誤差ΔY和被測量真值Y0的隨機部分。
測量誤差ΔY的系統部分ΔY=Λ被稱為系統誤差(systematic error),其隨機部分ΔY~Λ被稱為隨機誤差(random error)。
測量誤差ΔY和被測量真值Y0的量值的隨機變化完全由不同的原因所引起,因此變量ΔY~Λ和Y0~Λ是獨立的。則有式(39)和(40):
σ0Λ(Y~Λ)2=σ0Λ(Y~Λ)2+σ0Λ(Y0~Λ)2 (39)
U0Λ(Y~Λ)2=U0Λ(Y~Λ)2+U0Λ(Y0~Λ)2 (40)
式(39)中的σ0Λ(Y~Λ)、σ0Λ(Y~Λ)和σ0Λ(Y0~)分別為測量結果Y,測量誤差ΔY和被測量真值Y0的標準不確定度,而式(40)中的U0Λ(Y~Λ)、U0Λ(Y~Λ)和U0Λ(Y0~Λ)分別為測量結果Y、測量誤差ΔY和被測量真值Y0的擴展不確定度。
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