計算與實驗物理

誤差傳遞(error propagation)

你量出一個矩形的兩邊,各帶有某種不確定度,現在你想要它面積的不確定度。輸入的誤差不會在相乘時消失;它們會流過計算,並以輸出的誤差重新現身。誤差傳遞就是那套把測量不確定度帶過任何公式的簿記,告訴你對導出的結果究竟掌握得多精確。

對於由帶有不確定度 sigma_x, sigma_y, ... 的測量輸入所算出的量 f(x, y, ...),在假設誤差彼此獨立且夠小以致 f 局部線性的前提下,f 的變異數為 sigma_f^2 = (df/dx)^2 sigma_x^2 + (df/dy)^2 sigma_y^2 + ...,其中每個輸入的不確定度都被「衡量 f 對它敏感度」的偏導數的平方加權,而各項以平方相加(in quadrature)合併。由此得到兩個日常推論:對於和或差 f = x +/- y,絕對誤差以平方相加,sigma_f^2 = sigma_x^2 + sigma_y^2;對於積或商 f = x y 或 x / y,相對誤差以平方相加,(sigma_f / f)^2 = (sigma_x / x)^2 + (sigma_y / y)^2。

每一個導出的物理結果都需要這一步,無論是由 V / I 得到電阻、由單擺週期得到重力加速度 g,或由質量與體積得到密度;不把不確定度傳遞出去,那個數字還算不上一次測量。誠實的警告是:平方相加公式假設輸入誤差彼此獨立(不相關)且很小。若輸入共享一個共同的不確定度來源,你必須加上協方差項 + 2 (df/dx)(df/dy) cov(x, y);忽略相關性可能會嚴重高估或低估最終誤差。

電阻 R = V / I,其中 V = 10.0 +/- 0.1 V(1%)、I = 2.00 +/- 0.02 A(1%),得 R = 5.00 歐姆;由於它是商,相對誤差以平方相加,sqrt(0.01^2 + 0.01^2) ~= 1.4%,所以 R = 5.00 +/- 0.07 歐姆。

對於商,相對不確定度以平方相加合併。

標準的「平方相加」規則假設誤差彼此獨立、不相關;當輸入共享一個共同的不確定度來源時,必須納入它們的協方差,否則傳遞出的誤差會朝任一方向出錯。

又稱
propagation of uncertainty誤差傳播不確定度傳遞