計算與實驗物理

統計誤差(statistical error)

把同一件事量十次,你會得到十個略有不同的數字,被你無法預測或控制的抖動散布在真值周圍:電子雜訊、熱漲落、這一分鐘剛好有多少放射性核衰變的運氣。統計誤差就是這種不可約的隨機散布,是一次測量的不確定度中、逐次試驗間不可預測地變動的那一部分。

依定義,統計誤差沒有一致的正負號,所以隨著你累積資料,它會平均趨近於零。定量上它由重複測量的標準差刻畫,而 N 次獨立測量之平均值的不確定度按 1 / sqrt(N) 縮小(即平均值的標準誤差)。對於服從卜瓦松統計的計數實驗,計得 N 個事件會帶有 sqrt(N) 的統計不確定度,所以相對誤差 sqrt(N) / N = 1 / sqrt(N) 會隨著記錄更多事件而穩定改善。這種緩慢的平方根收斂是隨機抽樣的普遍事實。

統計誤差決定了你必須跑多久的實驗:要把誤差減半,你得蒐集四倍的資料。它的關鍵對照是系統誤差。更多資料能壓低統計誤差,卻對系統偏差毫無作用,因此兩者分開列出、以不同工具處理。經典而危險的錯誤是:報出一個微小、辛苦得來的統計誤差,卻讓一個更大、未被察覺的系統效應悄悄主宰了真正的不確定度。

計數放射性衰變時,你在一分鐘內記到 100 個計數;統計不確定度是 sqrt(100) = 10,所以速率是每分鐘 100 +/- 10,這個 10% 的不確定度要等到你累積約 10000 個計數後才會降到 1%。

卜瓦松計數:不確定度為 sqrt(N),所以精度只按 1 / sqrt(N) 改善。

平均更多資料能減少統計誤差,卻對系統誤差無能為力;若有一個未被察覺的系統偏差正主宰著真正的不確定度,一個極小的統計誤差反而會讓你陷入虛假的自信。

又称
random errorstatistical uncertainty隨機誤差統計不確定度