Определение минимального количества измерений

Для проведения опытов с заданной точностью и досто­верностью необходимо знать то количество измерений, при котором экспериментатор уверен в положитель­ном исходе. В связи с этим одной из первоочередных задач при статических методах оценки является установление минимального, но достаточного числа изме­рений для данных условий. Задача сводится к уста­новлению минимального объема выборки (числа изме­рений) N_min при заданных значениях доверительного интервала 2µ и доверительной вероятности. При выпол­нении измерений необходимо знать их точность:

Δ = σ₀/x (5)

где σ_о - среднеарифметическое значение среднеквадра­тичного отклонения σ, равное σ_о = σ/ .

Таблица 2. Коэффициент Стьюдента α_ст.

n	Рд
	0,80	0,90	0,95	0,99	0,995	0,999
2	3,080	6,31	12,71	63,70	127,30	637,20
3	1,886	2,92	4,30	9,92	14,10	31,60
4	1,638	2,35	3,188	5,84	7,50	12,94
5	1,533	2,13	2,77	4,60	5,60	8,61
6	1,476	2,02	2,57	4,03	4,77	6,86
7	1,440	1,94	2,45	3,71	4,32	9,96
8	1,415	1,90	2,36	3,50	4,03	5,40
9	1,397	1,86	2,31	3,36	3,83	5,04
10	1,383	1,83	2,26	3,25	3,69	4,78
12	1,363	1,80	2,20	3,11	3,50	4,49
14	1,350	1,77	2,16	3,01	3,37	4,22
16	1,341	1,75	2,13	2,95	3,29	4,07
18	1,333	1,74	2,11	2,90	3,22	3,96
20	1,328	1,73	2,09	2,86	3,17	3,88
30	1,316	1,70	2,04	2,75	3,20	3,65
40	1,306	1,68	2,02	2,70	3,12	3,55
50	1,298	1,68	2,01	2,68	3,09	3,50
60	1,290	1,67	2,00	2,66	3,06	3,46
∞	1,282	1,64	1,96	2,58	2,81	3,29

Значение σ_о часто называют средней ошибкой. Дове­рительный интервал ошибки измерения Δ определяется аналогично для измерений µ = tσ_о. С помощью t легко определить доверительную вероятность ошибки измере­ний из табл.1.

В исследованиях часто по заданной точности Δ и до­верительной вероятности измерения определяют мини­мальное количество измерений, гарантирующих требуе­мые значения Δ и p_д.

Аналогично уравнению (3) с учетом (5) можно получить

µ = σ arg φ (р_д) = σ_о/ t (6)

При N_min = n получаем

N_min = σ²t²/σ²_o = k²_в t²/Δ², (7)

здесь k_в — коэффициент вариации (изменчивости), %; Δ - точность измерений, %.

Для определения N_min может быть принята такая по­следовательность вычислений: 1) проводится предвари­тельный эксперимент с количеством измерений n, кото­рое составляет в зависимости от трудоемкости опыта от 20 до 50; 2) вычисляется среднеквадратичное отклоне­ние по формуле (1); 3) в соответствии с поставлен­ными задачами эксперимента устанавливается требуе­мая точность измерений Δ, которая не должна превышать точности прибора; 4) устанавливается нор­мированное отклонение t, значение которого обычно за­дается (зависит также от точности метода); 5) по фор­муле (7) определяют N_min и тогда в дальнейшем в процессе эксперимента число измерений не должно быть меньше N_min.

П усть, например, при приемке сооружений комиссия в качестве одного из параметров замеряет их ширину. Согласно инструкции требуется выполнять 25 измере­ний; допускаемое отклонение параметра ±0,1 м. Если предварительно вычисленное значение σ = 0,4м, то мож­но определить, с какой достоверностью комиссия оцени­вает данный параметр. Согласно инструкции Δ = 0,1 м. Из формулы (7) можно записать t = Δ/σ = · =1.25. В соответствии с табл. 1 доверительная вероятность для t = 1,25р_д = 0,79 это низкая ве­роятность. Погрешность, превышающая доверительный ин­тервал 2µ = 0,2 м, согласно выражению (4) будет встре­чаться один раз из 0,79/(1 - 0,79) = 3,37, т. е. из четырех измерений. Это недопустимо. В связи с этим необходимо вы­числить минимальное количе­ство измерений с доверитель­ной вероятностью р_д, равной 0,9 и 0,95. По формуле (7) имеем N_min = 0,4² - 1,65/0,1² = 43 измерения при р_д = 0,90 и 64 измерения при р_д = 0,95, что значительно превышает ус­тановленные 25 измерений.

Оценки измерений с помощью σ и σ_о по приведенным методам справедливы при n > 30. Для нахождения гра­ницы доверительного интервала при малых значениях применяют метод, предложенный в 1908 г. английским математиком В. С. Госсетом (псевдоним Стьюдент). Кривые распределения Стьюдента в случае n → ∞ (прак­тически при n > 20) переходят в кривые нормального рас­пределения (рис. 1).

Для малой выборки доверительный интервал

µ_ст = σ_о α_ст, (8)

где α_ст - коэффициент Стьюдента, принимаемый по табл. 2 в зависимости от значения доверительной ве­роятности р_д.

Зная µ_ст, можно вычислить действительное значение изучаемой величины для малой выборки

х_д = х ± µ_ст (9)

Возможна и иная постановка задачи. По n известных измерений малой выборки необходимо определить довери­тельную вероятность р_д при условии, что погрешность среднего значения не выйдет за пределы ± µ_ст. Задачу решают в такой последовательности: вначале вычисляется среднее значение х, σ_о и α_ст = µ_ст/σ_о. С помощью величины α_ст, известного n и табл. 2 определяют до­верительную вероятность.