一條曲線決定分散性與偏離性

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                    一條曲線決定分散性σ與偏離性σ_d
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                                                                     史錦順
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       隨機(jī)變化的量值，可能是被測(cè)量的隨機(jī)變化（信號(hào)源頻率變化、電壓源的電壓變化、溫箱的溫度變化等等），也可能是測(cè)量?jī)x器的隨機(jī)誤差引起的示值變化（研制中確定儀器的精密度）。這些變化的量值，簡(jiǎn)稱隨機(jī)變量。隨機(jī)變量的分散性，用單值的σ來(lái)表征。
       σ稱為“單值的標(biāo)準(zhǔn)偏差”。用貝塞爾公式算出的σ，稱實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，就是單值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

       測(cè)量一組數(shù)（精密測(cè)量，測(cè)量次數(shù)N不應(yīng)小于20，時(shí)間頻率界，N取100，已成常規(guī)），許多行業(yè)N取10,少些，也可以，不宜提倡。

       對(duì)測(cè)量?jī)x器來(lái)說(shuō)，考究的是儀器的隨機(jī)誤差，這時(shí)的分散性就是重復(fù)性，就是精密度。
       頻率源頻率的重復(fù)性稱頻率穩(wěn)定度。

       請(qǐng)注意，講“重復(fù)性”，表征量一定是單值的σ，不能除以根號(hào)N。除以根號(hào)N的結(jié)果是嚴(yán)重的虛夸了重復(fù)性。

       實(shí)踐的操作，都是測(cè)量N個(gè)量值，這是一組數(shù)。用這組數(shù)可以畫出量值分布曲線。如果被測(cè)量是常量（計(jì)量中是用被檢儀器測(cè)量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，由于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差可略，可視為常量），這時(shí)，“鐘形線”的σ就表明測(cè)量值的分散性，就是重復(fù)性。鐘形線的中點(diǎn)是平均值，平均值與隨機(jī)變量的期望值的差距為
                     σ_d =  σ/√N(yùn)                                                                 （1）
以上稱基本操作。

       如果測(cè)量M組（每組N個(gè)值），這稱特種操作。這是研究者的事，老史是實(shí)際工作者，實(shí)際工作都是基本操作。有時(shí)搞點(diǎn)研究，也有幾次特種操作，但工作中（研制、計(jì)量、鑒別性測(cè)量）是不用的。多組測(cè)量太麻煩，也沒(méi)必要。
       在多組測(cè)量中，用M個(gè)平均值畫出的鐘形線，是平均值的分布曲線，其分散性表征量，即平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：
                     σ_平 =  σ/√M                                                                 （2）
       （1）式與（2）式的來(lái)源不同，所表達(dá)的意義不同。可惜，長(zhǎng)期以來(lái)，人們把他們弄混了。在極特殊的情況下，二者相同，這種情況是組數(shù)M與每組的個(gè)數(shù)N相等。把這種極端的個(gè)例，當(dāng)作一般情況，就出錯(cuò)了。

       不確定度體系的主定義是“分散性”。分散性的表征量，是一組測(cè)量中標(biāo)準(zhǔn)偏差。貝塞爾公式為：
                    σ = √[1/ (N-1)∑(X_i-X_平)²]                                                （3）

       不確定度體系的A類不確定度評(píng)定，是將σ除以根號(hào)N得u_A. 其中的N是一組測(cè)量值的測(cè)量次數(shù)？如是，u_A就不是“分散性”，而是測(cè)量值的平均值與測(cè)量值期望值的差距σ_d。

       在誤差理論中，儀器的誤差范圍是測(cè)量值對(duì)真值（實(shí)踐中用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值代替）的差的最大可能值R。就是系統(tǒng)誤差加隨機(jī)誤差的最大可能值。測(cè)量值的期望值與真值之差是系統(tǒng)誤差，平均值與期望值之差是3σ_d，而單個(gè)測(cè)得值與平均值之差最大可能值（99%概率）是3σ。
       求準(zhǔn)確度，以及求系統(tǒng)誤差時(shí)，σ_d是必要的量。當(dāng)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，已知系統(tǒng)誤差的具體值時(shí)，則隨機(jī)誤差的作用，是σ_d。用3σ_d與系統(tǒng)誤差“均方根”合成，即得測(cè)量的誤差范圍。

       在統(tǒng)計(jì)測(cè)量中，被測(cè)量是統(tǒng)計(jì)變量。要求測(cè)量?jī)x器的隨機(jī)誤差可略（σ_儀 ≤ σ_變/3）。統(tǒng)計(jì)測(cè)量的表征量必須是單值的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。不可除以根號(hào)N。除以根號(hào)N的結(jié)果是把“分散性”給平均掉了。

        測(cè)量有兩類：基礎(chǔ)測(cè)量與統(tǒng)計(jì)測(cè)量。基礎(chǔ)測(cè)量的被測(cè)量是常量，考究的是儀器的準(zhǔn)確度。精密度是準(zhǔn)確度的一部分。求準(zhǔn)確度，求的是測(cè)量值的平均值即測(cè)得值與真值的差距，就是誤差范圍。誤差范圍包括系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差兩部分。測(cè)得值取測(cè)量值的平均值，測(cè)得值與測(cè)量值數(shù)學(xué)期望之差是隨機(jī)誤差，要求的量是σ_d，因此，在基礎(chǔ)測(cè)量中，σ要除以根號(hào)N。
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       在統(tǒng)計(jì)測(cè)量中，被測(cè)量是統(tǒng)計(jì)變量，要求的是統(tǒng)計(jì)變量量值（各個(gè)單值）的分散性。這個(gè)分散性的表征量是σ，不是σ_平，也不是σ_d。因此，σ不能除以√N(yùn),（N是組內(nèi)單值個(gè)數(shù)）也不能除以√M（M是數(shù)據(jù)組數(shù)）。
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       計(jì)量界流行一種說(shuō)法：量值取單值用單值的σ；量值取平均值用平均值的σ_平。對(duì)基礎(chǔ)測(cè)量，大體可以，盡管不夠嚴(yán)格。但對(duì)統(tǒng)計(jì)測(cè)量則是錯(cuò)誤的。統(tǒng)計(jì)測(cè)量要求的分散性，必須是單值的分散性。此點(diǎn)極為重要。重要的實(shí)際產(chǎn)品的性能，如各類頻標(biāo)、各類信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度、穩(wěn)壓電源的電壓波動(dòng)、恒溫箱的溫度波動(dòng)，都必須是單值的σ。
       統(tǒng)計(jì)變量的表征量，量值取平均值，而分散性是3σ。以平均值為中心、以3σ為半寬的區(qū)間，包含量值的概率是99.73%；如果除以√N(yùn)，該區(qū)間包含量值的概率就很小了，是不能用的。
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補(bǔ)充內(nèi)容 (2019-8-26 11:34):
“均方根”應(yīng)為 “方和根”

補(bǔ)充內(nèi)容 (2019-8-26 16:11):
“單個(gè)測(cè)得值與平均值之差最大可能值”應(yīng)為“單個(gè)測(cè)量值與平均值之差最大可能值”。