ในทางสถิติ การแพร่กระจายของความไม่แน่นอน คือ ผลกระทบของความไม่แน่นอน ของตัวแปร ต่อความไม่แน่นอนของฟังก์ชัน ที่ขึ้นอยู่กับตัวแปรเหล่านั้น เมื่อตัวแปรเป็นค่าที่ได้จากการวัดเชิงทดลอง ตัวแปรเหล่านั้นจะมีความไม่แน่นอนเนื่องจากข้อจำกัดในการวัด (เช่นความแม่นยำ ของเครื่องมือ ) ซึ่งจะแพร่กระจายออกไปเนื่องจากการรวมกันของตัวแปรในฟังก์ชัน
ความไม่แน่นอนu สามารถแสดง ได้ หลายวิธี อาจกำหนดโดยความคลาดเคลื่อนสัมบูรณ์ Δx ความไม่แน่นอนยังสามารถกำหนดโดยความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ (Δx ) / x ซึ่งมักเขียนเป็นเปอร์เซ็นต์ โดยทั่วไปแล้ว ความไม่แน่นอนของปริมาณจะถูกวัดในรูปของ ค่าเบี่ยง เบนมาตรฐาน σ ซึ่งเป็นราก ที่สองบวก ของ ความแปรปรวน ค่าของปริมาณและ ความคลาดเคลื่อน จะแสดงเป็นช่วงx ± u อย่างไรก็ตาม วิธีทั่วไปที่สุดในการกำหนดลักษณะความไม่แน่นอนคือการระบุการกระจาย ความน่าจะเป็น หาก ทราบ การกระจายความน่าจะเป็น ของตัวแปรหรือสามารถสมมติได้ ในทางทฤษฎีแล้วเป็นไปได้ที่จะหาค่าสถิติใดๆ ของการกระจายนั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เป็นไปได้ที่จะหาขอบเขตความเชื่อมั่น เพื่ออธิบายบริเวณที่อาจพบค่าที่แท้จริงของตัวแปรได้ ตัวอย่างเช่น ช่วงความเชื่อมั่น 68% สำหรับตัวแปรหนึ่งมิติที่อยู่ในกลุ่มการแจกแจงแบบปกติ จะอยู่ ห่างจากค่ากลางx ประมาณ ± หนึ่งค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานσ ซึ่งหมายความว่า บริเวณx ± σ จะครอบคลุมค่าที่แท้จริงในประมาณ 68% ของกรณี
หากความไม่แน่นอนมีความสัมพันธ์กัน จะต้องคำนึงถึงความแปรปรวน ร่วมด้วย ความสัมพันธ์อาจเกิดขึ้นจากสองแหล่งที่มาที่แตกต่างกัน ประการแรก ข้อผิดพลาดในการวัด อาจมีความสัมพันธ์กัน ประการที่สอง เมื่อค่าพื้นฐานมีความสัมพันธ์กันในประชากรความไม่แน่นอนในค่าเฉลี่ยของกลุ่ม จะมีความสัมพันธ์กัน[ 1 ]
ในบริบททั่วไปที่ฟังก์ชันไม่เชิงเส้นปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ที่ไม่แน่นอน (มีความสัมพันธ์กันหรือไม่) เครื่องมือมาตรฐานในการแพร่กระจายความไม่แน่นอนและอนุมานการกระจายความน่าจะเป็น/สถิติของปริมาณที่เกิดขึ้นคือเทคนิคการสุ่มตัวอย่างจากตระกูลวิธี Monte Carlo [ 2 ] สำหรับชุดข้อมูลขนาดใหญ่มากหรือฟังก์ชันที่ซับซ้อน การคำนวณการแพร่กระจายข้อผิดพลาดอาจมีค่าใช้จ่ายสูงมาก ดังนั้นแบบจำลองตัวแทน [ 3 ] หรือกลยุทธ์การคำนวณแบบขนาน [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] อาจมีความจำเป็น
ในบางกรณี การคำนวณการแพร่กระจายความไม่แน่นอนสามารถทำได้โดยใช้ขั้นตอนทางพีชคณิตแบบง่ายๆ ตัวอย่างบางส่วนของสถานการณ์เหล่านี้จะอธิบายไว้ด้านล่าง
การรวมเชิงเส้น อนุญาต{ เอฟ เค ( x 1 , x 2 , … , x n ) } {\displaystyle \{f_{k}(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})\}} เป็นเซตของ ฟังก์ชัน m ฟังก์ชัน ซึ่งเป็นผลรวมเชิงเส้นของn {\displaystyle n} ตัวแปรx 1 , x 2 , … , x n {\displaystyle x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}} ด้วยสัมประสิทธิ์การรวมกันเอ เค 1 , เอ เค 2 , … , เอ เค n , ( เค = 1 , … , ม ) {\displaystyle A_{k1},A_{k2},\dots ,A_{kn},(k=1,\dots ,m)} : เอฟ เค = ∑ ฉัน = 1 n เอ เค ฉัน x ฉัน , {\displaystyle f_{k}=\sum _{i=1}^{n}A_{ki}x_{i},} หรือในรูปแบบเมทริกซ์ เอฟ = เอ x . {\displaystyle \mathbf {f} =\mathbf {A} \mathbf {x} .}
นอกจากนี้ ให้เมทริกซ์ความแปรปรวนร่วม ของx = ( x , ..., x ) แทนด้วยΣ x {\displaystyle {\boldsymbol {\Sigma }}^{x}} และให้ค่าเฉลี่ยแทนด้วยμ {\displaystyle {\boldสัญลักษณ์ {\mu }}} : Σ x = อี [ ( x − μ ) ⊗ ( x − μ ) ] = ( σ 1 2 σ 12 σ 13 ⋯ σ 21 σ 2 2 σ 23 ⋯ σ 31 σ 32 σ 3 2 ⋯ ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ) = ( Σ 11 x Σ 12 x Σ 13 x ⋯ Σ 21 x Σ 22 x Σ 23 x ⋯ Σ 31 x Σ 32 x Σ 33 x ⋯ ⋮ ⋮ ⋮ ⋱ ) . {\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {\Sigma }}^{x}=\operatorname {E} [(\mathbf {x} -{\boldsymbol {\mu }})\otimes (\mathbf {x} -{\boldsymbol {\mu }})]&={\begin{pmatrix}\sigma _{1}^{2}&\sigma _{12}&\sigma _{13}&\cdots \\\sigma _{21}&\sigma _{2}^{2}&\sigma _{23}&\cdots \\\sigma _{31}&\sigma _{32}&\sigma _{3}^{2}&\cdots \\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots \begin{pmatrix}}\\[1ex]&={\begin{pmatrix}{\Sigma }_{11}^{x}&{\Sigma }_{12}^{x}&{\Sigma }_{13}^{x}&\cdots \\{\Sigma }_{21}^{x}&{\Sigma }_{22}^{x}&{\Sigma }_{23}^{x}&\cdots \\{\Sigma }_{31}^{x}&{\Sigma }_{32}^{x}&{\Sigma }_{33}^{x}&\cdots \\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots \end{pmatrix}}.\end{aligned}}} ⊗ {\displaystyle \otimes } คือผลิตภัณฑ์ภายนอก
จากนั้น เมทริกซ์ความแปรปรวนร่วมΣ เอฟ {\displaystyle {\boldsymbol {\Sigma }}^{f}} ของf กำหนดโดย Σ เอฟ = อี [ ( เอฟ − อี [ เอฟ ] ) ⊗ ( เอฟ − อี [ เอฟ ] ) ] = อี [ เอ ( x − μ ) ⊗ เอ ( x − μ ) ] = เอ อี [ ( x − μ ) ⊗ ( x − μ ) ] เอ ที = เอ Σ x เอ ที . {\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {\Sigma }}^{f}&=\operatorname {E} \left[(\mathbf {f} -\operatorname {E} [\mathbf {f} ])\otimes (\mathbf {f} -\operatorname {E} [\mathbf {f} ])\right]=\operatorname {E} \left[\mathbf {A} (\mathbf {x} -{\boldsymbol {\mu }})\otimes \mathbf {A} (\mathbf {x} -{\boldsymbol {\mu }})\right]\\[1ex]&=\mathbf {A} \operatorname {E} \left[(\mathbf {x} -{\boldsymbol {\mu }})\otimes (\mathbf {x} -{\boldสัญลักษณ์ {\mu }})\right]\mathbf {A} ^{\mathrm {T} }=\mathbf {A} {\boldสัญลักษณ์ {\Sigma }}^{x}\mathbf {A} ^{\mathrm {T} }.\end{aligned}}}
ในสัญลักษณ์ส่วนประกอบ สมการ Σ เอฟ = เอ Σ x เอ ที {\displaystyle {\boldsymbol {\Sigma }}^{f}=\mathbf {A} {\boldsymbol {\Sigma }}^{x}\mathbf {A} ^{\mathrm {T} }} อ่าน Σ ฉัน เจ เอฟ = ∑ เค n ∑ ล n เอ ฉัน เค Σ เค ล x เอ เจ ล . {\displaystyle \Sigma _{ij}^{f}=\sum _{k}^{n}\sum _{l}^{n}A_{ik}{\Sigma __{kl}^{x}A_{jl}.}
นี่คือสูตรทั่วไปที่สุดสำหรับการแพร่กระจายของข้อผิดพลาดจากชุดตัวแปรหนึ่งไปยังอีกชุดหนึ่ง เมื่อข้อผิดพลาดบนx ไม่มีความสัมพันธ์กัน สูตรทั่วไปจะลดรูปเหลือเพียง Σ ฉัน เจ เอฟ = ∑ เค n เอ ฉัน เค Σ เค x เอ เจ เค , {\displaystyle \Sigma _{ij}^{f}=\sum _{k}^{n}A_{ik}\Sigma _{k}^{x}A_{jk},} ที่ไหนΣ เค x = σ x เค 2 {\displaystyle \Sigma _{k}^{x}=\sigma _{x_{k}}^{2}} คือค่าความแปรปรวนขององค์ประกอบที่k ของเวกเตอร์ x โปรดทราบว่าถึงแม้ข้อผิดพลาดบนx อาจไม่สัมพันธ์กัน แต่ข้อผิดพลาดบนf โดยทั่วไปจะสัมพันธ์กัน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ แม้ว่าΣ x {\displaystyle {\boldsymbol {\Sigma }}^{x}} เป็นเมทริกซ์แนว ทแยงΣ เอฟ {\displaystyle {\boldsymbol {\Sigma }}^{f}} โดยทั่วไปแล้วจะเป็นเมทริกซ์เต็มรูปแบบ
รูปแบบทั่วไปของฟังก์ชันค่าสเกลาร์f นั้นค่อนข้างเรียบง่ายกว่า (ในที่นี้a คือเวกเตอร์แถว ): เอฟ = ∑ ฉัน n เอ ฉัน x ฉัน = เอ x , {\displaystyle f=\sum _{i}^{n}a_{i}x_{i}=\mathbf {ax} ,} σ เอฟ 2 = ∑ ฉัน n ∑ เจ n เอ ฉัน Σ ฉัน เจ x เอ เจ = เอ Σ x เอ ที . {\displaystyle \sigma _{f}^{2}=\sum _{i}^{n}\sum _{j}^{n}a_{i}\Sigma _{ij}^{x}a_{j}=\mathbf {a} {\boldsymbol {\Sigma }}^{x}\mathbf {a} ^{\mathrm {T} }.}
แต่ละพจน์ความแปรปรวนร่วมσ ฉัน เจ {\displaystyle \sigma _{ij}} สามารถแสดงได้ในรูปของสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ ρ ฉัน เจ {\displaystyle \rho _{ij}} โดยσ ฉัน เจ = ρ ฉัน เจ σ ฉัน σ เจ {\displaystyle \sigma _{ij}=\rho _{ij}\sigma _{i}\sigma _{j}} ดังนั้นนิพจน์ทางเลือกสำหรับความแปรปรวนของf คือ σ เอฟ 2 = ∑ ฉัน n เอ ฉัน 2 σ ฉัน 2 + ∑ ฉัน n ∑ เจ ( เจ ≠ ฉัน ) n เอ ฉัน เอ เจ ρ ฉัน เจ σ ฉัน σ เจ . {\displaystyle \sigma _{f}^{2}=\sum _{i}^{n}a_{i}^{2}\sigma _{i}^{2}+\sum _{i}^{n}\sum _{j(j\neq i)}^{n}a_{i}a_{j}\rho _{ij}\sigma _{i}\sigma _{j}.}
ในกรณีที่ตัวแปรในx ไม่มีความสัมพันธ์กัน สมการนี้จะง่ายขึ้นไปอีก σ เอฟ 2 = ∑ ฉัน n เอ ฉัน 2 σ ฉัน 2 . {\displaystyle \sigma _{f}^{2}=\sum _{i}^{n}a_{i}^{2}\sigma _{i}^{2}.}
ในกรณีง่ายๆ ที่สัมประสิทธิ์และความแปรปรวนเหมือนกัน เราพบว่า σ เอฟ = n | เอ | σ . {\displaystyle \sigma _{f}={\sqrt {n}}\,|a|\sigma .}
สำหรับค่าเฉลี่ยเลขคณิตเอ = 1 / n {\displaystyle a=1/n} ผลลัพธ์ที่ได้คือค่าความคลาดเคลื่อนมาตรฐานของค่าเฉลี่ย : σ เอฟ = σ n . {\displaystyle \sigma _{f}={\frac {\sigma }{\sqrt {n}}}.}
การรวมแบบไม่เชิงเส้น เมื่อf เป็นเซตของการรวมแบบไม่เชิงเส้นของตัวแปรx การแพร่กระจายช่วง สามารถทำได้เพื่อคำนวณช่วงที่มีค่าที่สอดคล้องกันทั้งหมดสำหรับตัวแปร ในแนวทางเชิงความน่าจะเป็น ฟังก์ชันf มักจะต้องทำให้เป็นเชิงเส้นโดยการประมาณค่าด้วยการขยาย อนุกรมเทย์เลอร์ อันดับแรกแม้ว่าในบางกรณีจะสามารถหาสูตรที่แน่นอนได้ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับการขยายอนุกรมเทย์เลอร์ เช่นเดียวกับกรณีของความแปรปรวนที่แน่นอนของผลคูณ[ 7 ] การขยายอนุกรมเทย์เลอร์จะเป็นดังนี้: เอฟ เค ≈ เอฟ เค 0 + ∑ ฉัน n ∂ เอฟ เค ∂ x ฉัน x ฉัน {\displaystyle f_{k}\approx f_{k}^{0}+\sum _{i}^{n}{\frac {\partial f_{k}}{\partial {x_{i}}}}x_{i}} ที่ไหน∂ เอฟ เค / ∂ x ฉัน {\displaystyle \partial f_{k}/\partial x_{i}} หมายถึงอนุพันธ์ย่อย ของf เทียบกับ ตัวแปรที่ i โดยประเมินค่าที่ค่าเฉลี่ยของส่วนประกอบทั้งหมดของเวกเตอร์x หรือในสัญกรณ์เมทริก ซ์ เอฟ ≈ เอฟ 0 + เจ x {\displaystyle \mathrm {f} \approx \mathrm {f} ^{0}+\mathrm {J} \mathrm {x} \,} โดยที่ J คือเมทริกซ์จาโคเบียน เนื่องจาก f 0 เป็นค่าคงที่ จึงไม่มีส่วนทำให้เกิดข้อผิดพลาดบน f ดังนั้น การแพร่กระจายของข้อผิดพลาดจึงเป็นไปตามกรณีเชิงเส้นข้างต้น แต่แทนที่สัมประสิทธิ์เชิงเส้นA และA ด้วยอนุพันธ์ย่อย∂ เอฟ เค ∂ x ฉัน {\displaystyle {\frac {\partial f_{k}}{\partial x_{i}}}} และ∂ เอฟ เค ∂ x เจ {\displaystyle {\frac {\partial f_{k}}{\partial x_{j}}}} ในสัญลักษณ์เมทริกซ์[ 8 ] Σ เอฟ = เจ Σ x เจ ⊤ . {\displaystyle \mathrm {\Sigma } ^{\mathrm {f} }=\mathrm {J} \mathrm {\Sigma } ^{\mathrm {x} }\mathrm {J} ^{\top }.}
กล่าวคือ เมทริกซ์จาโคเบียนของฟังก์ชันจะถูกใช้เพื่อแปลงแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์ความแปรปรวนร่วมของตัวแปร โปรดสังเกตว่านี่เทียบเท่ากับนิพจน์เมทริกซ์สำหรับกรณีเชิงเส้นที่มีเจ = เอ {\displaystyle \mathrm {J=A} } .
การทำให้ง่ายขึ้น การละเลยความสัมพันธ์หรือการสมมติว่าตัวแปรอิสระทำให้วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์เชิงทดลองใช้สูตรทั่วไปในการคำนวณการแพร่กระจายข้อผิดพลาด ซึ่งก็คือสูตรความแปรปรวน: [ 9 ] ส เอฟ = ( ∂ เอฟ ∂ x ) 2 ส x 2 + ( ∂ เอฟ ∂ y ) 2 ส y 2 + ( ∂ เอฟ ∂ z ) 2 ส z 2 + ⋯ {\displaystyle s_{f}={\sqrt {\left({\frac {\partial f}{\partial x}}\right)^{2}s_{x}^{2}+\left({\frac {\partial f}{\partial y}}\right)^{2}s_{y}^{2}+\left({\frac {\partial f}{\partial z}}\right)^{2}s_{z}^{2}+\cdots }}} ที่ไหนส เอฟ {\displaystyle s_{f}} แสดงถึงค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของฟังก์ชันเอฟ {\displaystyle f} ,ส x {\displaystyle s_{x}} แสดงถึงค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของx {\displaystyle x} ,ส y {\displaystyle s_{y}} แสดงถึงค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของy {\displaystyle y} และอื่นๆ
สูตรนี้อิงตามลักษณะเชิงเส้นของความชันของเอฟ {\displaystyle f} และด้วยเหตุนี้จึงเป็นการประมาณค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานที่ดีของเอฟ {\displaystyle f} ตราบใดที่ส x , ส y , ส z , … {\displaystyle s_{x},s_{y},s_{z},\ldots } มีขนาดเล็กพอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการประมาณเชิงเส้น ของเอฟ {\displaystyle f} ต้องอยู่ใกล้ๆเอฟ {\displaystyle f} ภายในรัศมีของย่านใกล้เคียงส x , ส y , ส z , … {\displaystyle s_{x},s_{y},s_{z},\ldots } [ 10 ]
ตัวอย่าง ฟังก์ชัน ที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่ สามารถหาอนุพันธ์ได้ใดๆเอฟ ( เอ , ข ) {\displaystyle f(a,b)} ซึ่งประกอบด้วยตัวแปรสองตัวเอ {\displaystyle a} และข {\displaystyle b} สามารถขยายความได้ดังนี้ เอฟ ≈ เอฟ 0 + ∂ เอฟ ∂ เอ เอ + ∂ เอฟ ∂ ข ข . {\displaystyle f\approx f^{0}+{\frac {\partial f}{\partial a}}a+{\frac {\partial f}{\partial b}}b.} ถ้าเราพิจารณาความแปรปรวนทั้งสองข้างและใช้สูตร[ 11 ] สำหรับความแปรปรวนของการรวมเชิงเส้น ของตัวแปร วาร์ ( เอ X + ข วาย ) = เอ 2 วาร์ ( X ) + ข 2 วาร์ ( วาย ) + 2 เอ ข โควิด ( X , วาย ) , {\displaystyle \operatorname {Var} (aX+bY)=a^{2}\operatorname {Var} (X)+b^{2}\operatorname {Var} (Y)+2ab\operatorname {Cov} (X,Y),} จากนั้นเราจึงได้รับ σ เอฟ 2 ≈ | ∂ เอฟ ∂ เอ | 2 σ เอ 2 + | ∂ เอฟ ∂ ข | 2 σ ข 2 + 2 ∂ เอฟ ∂ เอ ∂ เอฟ ∂ ข σ เอ ข , {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx \left|{\frac {\partial f}{\partial a}}\right|^{2}\sigma _{a}^{2}+\left|{\frac {\partial f}{\partial b}}\right|^{2}\sigma _{b}^{2}+2{\frac {\partial f}{\partial a}}{\frac {\partial f}{\partial b}}\sigma _{ab},} ที่ไหนσ เอฟ {\displaystyle \sigma _{f}} คือค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของฟังก์ชันเอฟ {\displaystyle f} ,σ เอ {\displaystyle \sigma _{a}} คือค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของเอ {\displaystyle a} ,σ ข {\displaystyle \sigma _{b}} คือค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของข {\displaystyle b} และσ เอ ข = σ เอ σ ข ρ เอ ข {\displaystyle \sigma _{ab}=\sigma _{a}\sigma _{b}\rho _{ab}} คือค่าความแปรปรวนร่วมระหว่างเอ {\displaystyle a} และข {\displaystyle b} .
ในกรณีเฉพาะที่เอฟ = เอ ข {\displaystyle f=ab} ,∂ เอฟ ∂ เอ = ข {\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial a}}=b} ,∂ เอฟ ∂ ข = เอ {\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial b}}=a} . แล้ว σ เอฟ 2 ≈ ข 2 σ เอ 2 + เอ 2 σ ข 2 + 2 เอ ข σ เอ ข {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx b^{2}\sigma _{a}^{2}+a^{2}\sigma _{b}^{2}+2ab\,\sigma _{ab}} หรือ ( σ เอฟ เอฟ ) 2 ≈ ( σ เอ เอ ) 2 + ( σ ข ข ) 2 + 2 ( σ เอ เอ ) ( σ ข ข ) ρ เอ ข {\displaystyle \left({\frac {\sigma _{f}}{f}}\right)^{2}\approx \left({\frac {\sigma _{a}}{a}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{b}}{b}}\right)^{2}+2\left({\frac {\sigma _{a}}{a}}\right)\left({\frac {\sigma _{b}}{b}}\right)\rho _{ab}} ที่ไหนρ เอ ข {\displaystyle \rho _{ab}} คือความสัมพันธ์ระหว่างเอ {\displaystyle a} และข {\displaystyle b} .
เมื่อตัวแปรเอ {\displaystyle a} และข {\displaystyle b} ไม่มีความสัมพันธ์กันρ เอ ข = 0 {\displaystyle \rho _{ab}=0} . แล้ว ( σ เอฟ เอฟ ) 2 ≈ ( σ เอ เอ ) 2 + ( σ ข ข ) 2 . {\displaystyle \left({\frac {\sigma _{f}}{f}}\right)^{2}\approx \left({\frac {\sigma _{a}}{a}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{b}}{b}}\right)^{2}.}
ข้อควรระวังและคำเตือน การประมาณค่าความคลาดเคลื่อนสำหรับฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้นจะมีความคลาดเคลื่อน เนื่องจากการใช้การขยายอนุกรมแบบตัดทอน ขอบเขตของความคลาดเคลื่อนนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของฟังก์ชัน ตัวอย่างเช่น ความคลาดเคลื่อนของค่าความคลาดเคลื่อนที่คำนวณได้สำหรับ log(1+ x ) จะเพิ่มขึ้นเมื่อx เพิ่มขึ้น เนื่องจากอนุกรมที่ขยายไปถึงx นั้นเป็นค่าประมาณที่ดีเฉพาะเมื่อx อยู่ใกล้ศูนย์ เท่านั้น
สำหรับฟังก์ชันที่ไม่เป็นเชิงเส้นสูง มีแนวทางความน่าจะเป็นห้าประเภทสำหรับการแพร่กระจายความไม่แน่นอน[ 12 ] ดู รายละเอียด เพิ่มเติมได้ใน การหาปริมาณความไม่แน่นอน
อัตราส่วน อัตราส่วนก็เป็นปัญหาเช่นกัน การประมาณค่าแบบปกติเกิดขึ้นได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ
ตารางนี้แสดงค่าความแปรปรวนและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของฟังก์ชันอย่างง่ายของตัวแปรจริงเอ , บี {\displaystyle A,B} โดยมีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานσ เอ , σ บี , {\displaystyle \sigma _{A},\sigma _{B},} ความแปรปรวนร่วม σ เอ บี = ρ เอ บี σ เอ σ บี , {\displaystyle \sigma _{AB}=\rho _{AB}\sigma _{A}\sigma _{B},} และความสัมพันธ์ρ เอ บี . {\displaystyle \rho _{AB}.} สัมประสิทธิ์ค่าจริงเอ {\displaystyle a} และข {\displaystyle b} ถือว่าทราบค่าแน่นอน (แบบกำหนดได้) กล่าวคือσ เอ = σ ข = 0. {\displaystyle \sigma _{a}=\sigma _{b}=0.}
ในคอลัมน์ด้านขวาของตารางเอ {\displaystyle A} และบี {\displaystyle B} คือค่าคาดหวัง และเอฟ {\displaystyle f} คือค่าของฟังก์ชันที่คำนวณได้จากค่าเหล่านั้น
การทำงาน ความแปรปรวน ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน เอฟ = เอ เอ {\displaystyle f=aA\,} σ เอฟ 2 = เอ 2 σ เอ 2 {\displaystyle \sigma _{f}^{2}=a^{2}\sigma _{A}^{2}} σ เอฟ = | เอ | σ เอ {\displaystyle \sigma _{f}=|a|\sigma _{A}} เอฟ = เอ + บี {\displaystyle f=A+B} σ เอฟ 2 = σ เอ 2 + σ บี 2 + 2 σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}^{2}=\sigma _{A}^{2}+\sigma _{B}^{2}+2\sigma _{AB}} σ เอฟ = σ เอ 2 + σ บี 2 + 2 σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}={\sqrt {\sigma _{A}^{2}+\sigma _{B}^{2}+2\sigma _{AB}}}} เอฟ = เอ − บี {\displaystyle f=A-B} σ เอฟ 2 = σ เอ 2 + σ บี 2 − 2 σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}^{2}=\sigma _{A}^{2}+\sigma _{B}^{2}-2\sigma _{AB}} σ เอฟ = σ เอ 2 + σ บี 2 − 2 σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}={\sqrt {\sigma _{A}^{2}+\sigma _{B}^{2}-2\sigma _{AB}}}} เอฟ = เอ เอ + ข บี {\displaystyle f=aA+bB} σ เอฟ 2 = เอ 2 σ เอ 2 + ข 2 σ บี 2 + 2 เอ ข σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}^{2}=a^{2}\sigma _{A}^{2}+b^{2}\sigma _{B}^{2}+2ab\,\sigma _{AB}} σ เอฟ = เอ 2 σ เอ 2 + ข 2 σ บี 2 + 2 เอ ข σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}={\sqrt {a^{2}\sigma _{A}^{2}+b^{2}\sigma _{B}^{2}+2ab\,\sigma _{AB}}}} เอฟ = เอ เอ − ข บี {\displaystyle f=aA-bB} σ เอฟ 2 = เอ 2 σ เอ 2 + ข 2 σ บี 2 − 2 เอ ข σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}^{2}=a^{2}\sigma _{A}^{2}+b^{2}\sigma _{B}^{2}-2ab\,\sigma _{AB}} σ เอฟ = เอ 2 σ เอ 2 + ข 2 σ บี 2 − 2 เอ ข σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}={\sqrt {a^{2}\sigma _{A}^{2}+b^{2}\sigma _{B}^{2}-2ab\,\sigma _{AB}}}} เอฟ = เอ บี {\displaystyle f=AB} σ เอฟ 2 ≈ เอฟ 2 [ ( σ เอ เอ ) 2 + ( σ บี บี ) 2 + 2 σ เอ บี เอ บี ] {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx f^{2}\left[\left({\frac {\sigma _{A}}{A}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{B}}{B}}\right)^{2}+2{\frac {\sigma _{AB}}{AB}}\right]} [ 15 ] [ 16 ] σ เอฟ ≈ | เอฟ | ( σ เอ เอ ) 2 + ( σ บี บี ) 2 + 2 σ เอ บี เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|f\right|{\sqrt {\left({\frac {\sigma _{A}}{A}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{B}}{B}}\right)^{2}+2{\frac {\sigma _{AB}}{AB}}}}} เอฟ = เอ บี {\displaystyle f={\frac {A}{B}}} σ เอฟ 2 ≈ เอฟ 2 [ ( σ เอ เอ ) 2 + ( σ บี บี ) 2 − 2 σ เอ บี เอ บี ] {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx f^{2}\left[\left({\frac {\sigma _{A}}{A}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{B}}{B}}\right)^{2}-2{\frac {\sigma _{AB}}{AB}}\right]} [ 17 ] σ เอฟ ≈ | เอฟ | ( σ เอ เอ ) 2 + ( σ บี บี ) 2 − 2 σ เอ บี เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|f\right|{\sqrt {\left({\frac {\sigma _{A}}{A}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{B}}{B}}\right)^{2}-2{\frac {\sigma _{AB}}{AB}}}}} เอฟ = เอ เอ + บี {\displaystyle f={\frac {A}{A+B}}} σ เอฟ 2 ≈ เอฟ 2 ( เอ + บี ) 2 ( บี 2 เอ 2 σ เอ 2 + σ บี 2 − 2 บี เอ σ เอ บี ) {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx {\frac {f^{2}}{\left(A+B\right)^{2}}}\left({\frac {B^{2}}{A^{2}}}\sigma _{A}^{2}+\sigma _{B}^{2}-2{\frac {B}{A}}\sigma _{AB}\right)} σ เอฟ ≈ | เอฟ เอ + บี | บี 2 เอ 2 σ เอ 2 + σ บี 2 − 2 บี เอ σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|{\frac {f}{A+B}}\right|{\sqrt {{\frac {B^{2}}{A^{2}}}\sigma _{A}^{2}+\sigma _{B}^{2}-2{\frac {B}{A}}\sigma _{AB}}}} เอฟ = เอ เอ ข {\displaystyle f=aA^{b}} σ เอฟ 2 ≈ ( เอ ข เอ ข − 1 σ เอ ) 2 = ( เอฟ ข σ เอ เอ ) 2 {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx \left({a}{b}{A}^{b-1}{\sigma _{A}}\right)^{2}=\left({\frac {{f}{b}{\sigma _{A}}}{A}}\right)^{2}} σ เอฟ ≈ | เอ ข เอ ข − 1 σ เอ | = | เอฟ ข σ เอ เอ | {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|{a}{b}{A}^{b-1}{\sigma _{A}}\right|=\left|{\frac {{f}{b}{\sigma _{A}}}{A}}\right|} เอฟ = เอ ln ( ข เอ ) {\displaystyle f=a\ln(bA)} σ เอฟ 2 ≈ ( เอ σ เอ เอ ) 2 {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx \left(a{\frac {\sigma _{A}}{A}}\right)^{2}} [ 18 ] σ เอฟ ≈ | เอ σ เอ เอ | {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|a{\frac {\sigma _{A}}{A}}\right|} เอฟ = เอ บันทึก 10 ( ข เอ ) {\displaystyle f=a\log _{10}(bA)} σ เอฟ 2 ≈ ( เอ σ เอ เอ ln ( 10 ) ) 2 {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx \left(a{\frac {\sigma _{A}}{A\ln(10)}}\right)^{2}} [ 18 ] σ เอฟ ≈ | เอ σ เอ เอ ln ( 10 ) | {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|a{\frac {\sigma _{A}}{A\ln(10)}}\right|} เอฟ = เอ อี ข เอ {\displaystyle f=ae^{bA}} σ เอฟ 2 ≈ เอฟ 2 ( ข σ เอ ) 2 {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx f^{2}\left(b\sigma _{A}\right)^{2}} [ 19 ] σ เอฟ ≈ | เอฟ | | ( ข σ เอ ) | {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|f\right|\left|\left(b\sigma _{A}\right)\right|} เอฟ = เอ ข เอ {\displaystyle f=a^{bA}} σ เอฟ 2 ≈ เอฟ 2 ( ข ln ( เอ ) σ เอ ) 2 {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx f^{2}(b\ln(a)\sigma _{A})^{2}} σ เอฟ ≈ | เอฟ | | ข ln ( เอ ) σ เอ | {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|f\right|\left|b\ln(a)\sigma _{A}\right|} เอฟ = เอ บาป ( ข เอ ) {\displaystyle f=a\sin(bA)} σ เอฟ 2 ≈ [ เอ ข คอส ( ข เอ ) σ เอ ] 2 {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx \left[ab\cos(bA)\sigma _{A}\right]^{2}} σ เอฟ ≈ | เอ ข คอส ( ข เอ ) σ เอ | {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|ab\cos(bA)\sigma _{A}\right|} เอฟ = เอ คอส ( ข เอ ) {\displaystyle f=a\cos \left(bA\right)\,} σ เอฟ 2 ≈ [ เอ ข บาป ( ข เอ ) σ เอ ] 2 {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx \left[ab\sin(bA)\sigma _{A}\right]^{2}} σ เอฟ ≈ | เอ ข บาป ( ข เอ ) σ เอ | {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|ab\sin(bA)\sigma _{A}\right|} เอฟ = เอ แทน ( ข เอ ) {\displaystyle f=a\tan \left(bA\right)\,} σ เอฟ 2 ≈ [ เอ ข วินาที 2 ( ข เอ ) σ เอ ] 2 {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx \left[ab\sec ^{2}(bA)\sigma _{A}\right]^{2}} σ เอฟ ≈ | เอ ข วินาที 2 ( ข เอ ) σ เอ | {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|ab\sec ^{2}(bA)\sigma _{A}\right|} เอฟ = เอ บี {\displaystyle f=A^{B}} σ เอฟ 2 ≈ เอฟ 2 [ ( บี เอ σ เอ ) 2 + ( ln ( เอ ) σ บี ) 2 + 2 บี ln ( เอ ) เอ σ เอ บี ] {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx f^{2}\left[\left({\frac {B}{A}}\sigma _{A}\right)^{2}+\left(\ln(A)\sigma _{B}\right)^{2}+2{\frac {B\ln(A)}{A}}\sigma _{AB}\right]} σ เอฟ ≈ | เอฟ | ( บี เอ σ เอ ) 2 + ( ln ( เอ ) σ บี ) 2 + 2 บี ln ( เอ ) เอ σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}\approx \left|f\right|{\sqrt {\left({\frac {B}{A}}\sigma _{A}\right)^{2}+\left(\ln(A)\sigma _{B}\right)^{2}+2{\frac {B\ln(A)}{A}}\sigma _{AB}}}} เอฟ = เอ เอ 2 ± ข บี 2 {\displaystyle f={\sqrt {aA^{2}\pm bB^{2}}}} σ เอฟ 2 ≈ ( เอ เอฟ ) 2 เอ 2 σ เอ 2 + ( บี เอฟ ) 2 ข 2 σ บี 2 ± 2 เอ ข เอ บี เอฟ 2 σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}^{2}\approx \left({\frac {A}{f}}\right)^{2}a^{2}\sigma _{A}^{2}+\left({\frac {B}{f}}\right)^{2}b^{2}\sigma _{B}^{2}\pm 2ab{\frac {AB}{f^{2}}}\,\sigma _{AB}} σ เอฟ ≈ ( เอ เอฟ ) 2 เอ 2 σ เอ 2 + ( บี เอฟ ) 2 ข 2 σ บี 2 ± 2 เอ ข เอ บี เอฟ 2 σ เอ บี {\displaystyle \sigma _{f}\approx {\sqrt {\left({\frac {A}{f}}\right)^{2}a^{2}\sigma _{A}^{2}+\left({\frac {B}{f}}\right)^{2}b^{2}\sigma _{B}^{2}\pm 2ab{\frac {AB}{f^{2}}}\,\sigma _{AB}}}}
สำหรับตัวแปรที่ไม่สัมพันธ์กัน (ρ เอ บี = 0 {\displaystyle \rho _{AB}=0} ,σ เอ บี = 0 {\displaystyle \sigma _{AB}=0} นิพจน์สำหรับฟังก์ชันที่ซับซ้อนกว่าสามารถหาได้โดยการรวมฟังก์ชันที่ง่ายกว่า ตัวอย่างเช่น การคูณซ้ำๆ โดยสมมติว่าไม่มีความสัมพันธ์กัน จะได้ เอฟ = เอ บี ซี ; ( σ เอฟ เอฟ ) 2 ≈ ( σ เอ เอ ) 2 + ( σ บี บี ) 2 + ( σ ซี ซี ) 2 . {\displaystyle f=ABC;\qquad \left({\frac {\sigma _{f}}{f}}\right)^{2}\approx \left({\frac {\sigma _{A}}{A}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{B}}{B}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{C}}{C}}\right)^{2}.}
สำหรับกรณีนี้เอฟ = เอ บี {\displaystyle f=AB} นอกจากนี้ เรายังมีนิพจน์ของ Goodman [ 7 ] สำหรับความแปรปรวนที่แน่นอน: สำหรับกรณีที่ไม่มีความสัมพันธ์กันคือ วี [ X วาย ] = อี [ X ] 2 วี [ วาย ] + อี [ วาย ] 2 วี [ X ] + วี [ X ] วี [ วาย ] , {\displaystyle \operatorname {V} [XY]=\operatorname {E} [X]^{2}\operatorname {V} [Y]+\operatorname {E} [Y]^{2}\operatorname {V} [X]+\operatorname {V} [X]\operatorname {V} [Y],} และด้วยเหตุนี้เราจึงมี σ เอฟ 2 = เอ 2 σ บี 2 + บี 2 σ เอ 2 + σ เอ 2 σ บี 2 . {\displaystyle \sigma _{f}^{2}=A^{2}\sigma _{B}^{2}+B^{2}\sigma _{A}^{2}+\sigma _{A}^{2}\sigma _{B}^{2}.} พจน์สุดท้ายแสดงถึงการแก้ไขเล็กน้อยจากสูตรปกติ ดังที่เห็นได้จากการหารทั้งสองข้างด้วยเอฟ 2 = เอ 2 บี 2 {\displaystyle f^{2}=A^{2}B^{2}} . ( σ เอฟ เอฟ ) 2 = ( σ เอ เอ ) 2 + ( σ บี บี ) 2 + ( σ เอ σ บี เอ บี ) 2 . {\displaystyle \left({\frac {\sigma _{f}}{f}}\right)^{2}=\left({\frac {\sigma _{A}}{A}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{B}}{B}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{A}\sigma _{B}}{AB}}\right)^{2}.}
ตัวอย่างการคำนวณ
ฟังก์ชันแทนเจนต์ผกผัน เราสามารถคำนวณการแพร่กระจายความไม่แน่นอนสำหรับฟังก์ชันแทนเจนต์ผกผันได้ โดยใช้เป็นตัวอย่างของการใช้ค่าอนุพันธ์ย่อยในการแพร่กระจายข้อผิดพลาด
กำหนด เอฟ ( x ) = อาร์คตัน ( x ) , {\displaystyle f(x)=\arctan(x),} ที่ไหนΔ x {\displaystyle \Delta _{x}} คือความไม่แน่นอนสัมบูรณ์ในการวัดค่าx ของเรา อนุพันธ์ของf ( x ) เทียบกับx คือ ง เอฟ ง x = 1 1 + x 2 . {\displaystyle {\frac {df}{dx}}={\frac {1}{1+x^{2}}}.}
ดังนั้น ความไม่แน่นอนที่เราส่งต่อจึงเป็น Δ เอฟ ≈ Δ x 1 + x 2 , {\displaystyle \Delta _{f}\approx {\frac {\Delta _{x}}{1+x^{2}}},} ที่ไหนΔ เอฟ {\displaystyle \Delta _{f}} คือค่าความไม่แน่นอนที่แพร่กระจายอย่างแท้จริง
การวัดความต้านทาน ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติคือการทดลอง ที่วัดกระแสไฟฟ้า ( I ) และแรงดันไฟฟ้า ( V ) บนตัวต้านทาน เพื่อหาค่าความต้านทาน ( R) โดยใช้กฎ ของโอห์ม R = V / I
เมื่อพิจารณาตัวแปรที่วัดได้พร้อมความไม่แน่นอนI ± σ และV ± σ โดยไม่คำนึงถึงความสัมพันธ์ที่เป็นไปได้ระหว่างตัวแปรเหล่านั้น ความไม่แน่นอนในปริมาณที่คำนวณได้σ คือ:
σ อาร์ ≈ σ วี 2 ( 1 ฉัน ) 2 + σ ฉัน 2 ( − วี ฉัน 2 ) 2 = อาร์ ( σ วี วี ) 2 + ( σ ฉัน ฉัน ) 2 . {\displaystyle \sigma _{R}\approx {\sqrt {\sigma _{V}^{2}\left({\frac {1}{I}}\right)^{2}+\sigma _{I}^{2}\left({\frac {-V}{I^{2}}}\right)^{2}}}=R{\sqrt {\left({\frac {\sigma _{V}}{V}}\right)^{2}+\left({\frac {\sigma _{I}}{I}}\right)^{2}}}.}
อ่านเพิ่มเติม Bevington, Philip R.; Robinson, D. Keith (2002), การลดข้อมูลและการวิเคราะห์ข้อผิดพลาดสำหรับวิทยาศาสตร์กายภาพ ( ฉบับที่ 3), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-119926-1 Fornasini, Paolo (2008), ความไม่แน่นอนในการวัดทางฟิสิกส์: บทนำสู่การวิเคราะห์ข้อมูลในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ , Springer, หน้า 161, ISBN 978-0-387-78649-0 เมเยอร์, สจวร์ต แอล. (1975), การวิเคราะห์ข้อมูลสำหรับนักวิทยาศาสตร์และวิศวกร , ไวลีย์, ISBN 978-0-471-59995-1 Peralta, M. (2012), การแพร่กระจายของข้อผิดพลาด: วิธีการทำนายข้อผิดพลาดในการวัดทางคณิตศาสตร์ , CreateSpace Rouaud, M. (2013), ความน่าจะเป็น สถิติ และการประมาณค่า: การแพร่กระจายของความไม่แน่นอนในการวัดเชิงทดลอง (PDF) (ฉบับ ย่อ) เทย์เลอร์, เจ.อาร์. (1997), บทนำสู่การวิเคราะห์ข้อผิดพลาด: การศึกษาความไม่แน่นอนในการวัดทางกายภาพ ( ฉบับที่ 2), สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์ Wang, CM; Iyer, Hari K. (2005-09-07). "เกี่ยวกับการแก้ไขลำดับที่สูงกว่าสำหรับการแพร่กระจายความไม่แน่นอน" Metrologia . 42 (5): 406– 410. Bibcode : 2005Metro..42..406W . doi : 10.1088/0026-1394/42/5/011 . ISSN 0026-1394 . S2CID 122841691 .
ลิงก์ภายนอก เครื่องคำนวณความไม่แน่นอนสร้างงบประมาณความไม่แน่นอนที่พร้อมใช้งานตามมาตรฐาน ISO 17025 โดยไม่ต้องใช้สเปรดชีตหรือกล่องดำ การอภิปรายอย่างละเอียดเกี่ยวกับการวัดและการแพร่กระจายของความไม่แน่นอนโดยอธิบายถึงประโยชน์ของการใช้สูตรการแพร่กระจายข้อผิดพลาดและการจำลองมอนเตคาร์โลแทนการคำนวณความสำคัญแบบง่ายๆ GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) คือ คู่มือการแสดงค่าความไม่แน่นอนในการวัด EPFL บทนำเกี่ยวกับการแพร่กระจายข้อผิดพลาดการหาที่มา ความหมาย และตัวอย่างของ Cy = Fx Cx Fx' แพ็กเกจความไม่แน่นอนคือโปรแกรม/ไลบรารีสำหรับการคำนวณที่มีความไม่แน่นอน (และค่าความสัมพันธ์ของข้อผิดพลาด) อย่างโปร่งใส แพ็กเกจ soerpเป็นโปรแกรม/ไลบรารี Python สำหรับการคำนวณอันดับสองแบบโปร่งใส โดยคำนึงถึงความไม่แน่นอน (และความสัมพันธ์ของข้อผิดพลาด) ด้วย คณะกรรมการร่วมว่าด้วยแนวทางการวัด (2011). JCGM 102: การประเมินข้อมูลการวัด - ภาคผนวก 2 ของ "คู่มือการแสดงความไม่แน่นอนในการวัด" - การขยายไปสู่ปริมาณผลลัพธ์จำนวนใดๆ (PDF) (รายงานทางเทคนิค). JCGM . สืบค้นเมื่อ13 กุมภาพันธ์ 2013 .