的确定性实验,在统计数据,是具有可预测的和可重复的结果,只要相同的初始条件和参数被保持。即,因果关系是众所周知的。
例如,时钟的沙子从一个隔间移到另一个隔间所花费的时间是确定性的实验,因为结果是可预测的且可重复的。只要条件相同,一个胶囊到另一个胶囊的旅行就需要相同的时间。
图1.沙子从一个隔间移到另一个隔间所需的时间是确定性的实验。资料来源:
许多物理现象是确定性的,以下是一些示例:
-比水更重的物体(例如石头)将永远下沉。
-密度小于水的漂浮物将始终漂浮(除非施加力使其浸没)。
-海平面上水的沸腾温度始终为100ºC。
-模具从静止下落到下落所需的时间,因为它由下落的高度决定,并且此时间始终相同(当从相同高度下落时)。
以骰子为例。如果将其摔落,即使注意使其方向相同且始终处于相同高度,也很难预测一旦停在地面上它将出现在哪一侧。这将是一个随机实验。
从理论上讲,如果无限精确地知道诸如位置之类的数据;模具的初始速度和方向;形状(具有圆角或棱角);以及其下落表面的恢复系数,也许可以通过复杂的计算来预测,模具停止时将露出的面。但是,启动条件的任何细微变化都会产生不同的结果。
这样的系统是确定性的,同时也是混乱的,因为初始条件的微小改变会以随机方式改变最终结果。
测量
确定性实验是完全可以测量的,但是即使如此,其结果的度量也并非无限精确,并且具有一定的不确定性。
例如,进行以下完全确定性的实验:将一辆玩具车沿着一条直的倾斜轨道滑落。
图2.在确定性实验中,汽车沿直线倾斜下降。资料来源:
它总是从相同的起点释放,注意不要给以任何冲动。在这种情况下,汽车行驶在轨道上的时间必须始终相同。
现在,一个孩子开始测量推车在轨道上行驶所花费的时间。为此,您将使用手机内置的秒表。
作为一个细心的男孩,您注意到的第一件事是您的测量仪器具有有限的精度,因为秒表可以测量的最小时差为百分之一秒。
然后孩子继续进行实验,并使用移动式秒表测量11次-可以肯定地说-婴儿车经过倾斜平面所花费的时间,获得以下结果:
这个男孩感到惊讶,因为他在学校被告知这是确定性的实验,但是对于每种测量,他得到的结果都略有不同。
尺寸变化
每次测量结果不同的原因可能是什么?
原因之一可能是仪器的精度,如前所述,精度为0.01s。但是请注意,测量值的差异高于该值,因此必须考虑其他原因,例如:
-起点的细微变化。
-由于孩子的反应时间,秒表的开始和暂停有所不同。
关于反应时间,从儿童看到推车开始移动到按下秒表之间肯定存在延迟。
类似地,到达时由于反应时间的延长而存在延迟。但是开始和到达延迟得到补偿,因此获得的时间必须非常接近真实时间。
在任何情况下,对反应延迟的补偿都是不精确的,因为在每个测试中反应时间可能会有很小的变化,这可以解释结果的差异。
那实验的真实结果是什么?
测量结果和误差
要报告最终结果,我们必须使用统计数据。首先让我们看看结果重复的频率:
-3.03秒(1次)
-3.04秒(2次)
-3.05s(1次)
-3.06s(1次)
-3.08秒(1次)
-3.09秒1次
-3.10秒(2次)
-3.11秒(1次)
-3.12秒(1次)
订购数据时,我们意识到无法指定更多重复的模式或结果。然后要报告的结果是算术平均值,可以这样计算:
上述计算的结果是3.074545455。从逻辑上讲,在结果中报告所有这些小数点是没有意义的,因为每次测量的精度只有2个小数位。
应用四舍五入规则,可以说小车经过轨道所花费的时间是四舍五入到小数点后两位的算术平均值。
我们可以为实验报告的结果是:
-测量误差
正如我们在确定性实验的示例中所看到的那样,每次测量都有误差,因为它不能以无限的精度进行测量。
无论如何,唯一可以做的就是改进仪器和测量方法,以获得更精确的结果。
在上一节中,我们给出了确定性实验的结果,该实验确定了玩具车行驶在倾斜轨道上所需的时间。但是此结果包含一个错误。现在我们将解释如何计算该误差。
-测量误差的计算
在时间测量中,在进行的测量中记录了分散。标准差是统计中经常使用的形式,用于报告数据的传播。
方差和标准偏差
计算标准偏差的方法是这样的:首先,您将找到以这种方式定义的数据方差:
如果方差取平方根,则将获得标准差。
图3.平均值和标准偏差的公式。资料来源:维基共享资源。
玩具车下降时间数据的标准偏差为:
σ= 0.03
由于每个数据的精度为2个小数位,因此结果四舍五入到2个小数位。在这种情况下,0.03s代表每个数据的统计误差。
但是,所获得时间的平均值或算术平均值具有较小的误差。通过将标准偏差除以数据总数的平方根来计算平均误差。
平均误差=σ/√N= 0.03 /√11= 0.01
即,时间平均的统计误差为百分之一秒,并且在此示例中,它与秒表的欣赏相吻合,但并非总是如此。
作为测量的最终结果,然后报告:
t = 3.08s±0.01s是玩具车在倾斜轨道上行驶所需的时间。
可以得出结论,即使是确定性实验,其测量结果也不会有无限的精度,并且始终会有误差范围。
而且,要报告最终结果,即使是确定性实验,也必须使用统计方法。
参考文献
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