不確実性の計算方法

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著者: Monica Porter
作成日: 22 行進 2021
更新日: 1 5月 2024
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小澤の不等式とは何か(不確定性関係周辺の正しい理解)
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測定の不確実性のレベルを定量化することは、科学の重要な部分です。完璧な測定はできません。また、測定の精度の制限を理解することは、それらに基づいて不当な結論を導き出さないようにするのに役立ちます。不確実性を判断する基本は非常に簡単ですが、2つの不確実な数値を組み合わせるとより複雑になります。良いニュースは、元の数値でどのような計算を行うかに関係なく、不確実性を調整するために従うことができる多くの簡単なルールがあることです。

TL; DR(長すぎる;読まなかった)

不確実性のある数量を加算または減算する場合、絶対不確実性を追加します。乗算または除算する場合、相対的な不確実性を追加します。一定の係数を掛ける場合、絶対的な不確実性に同じ係数を掛けるか、相対的な不確実性に何もしません。不確実性のある数値の累乗をとる場合、相対的な不確実性に累乗の数値を掛けます。

測定の不確かさの推定

不確実性を組み合わせたり、何かを行う前に、元の測定で不確実性を判断する必要があります。これにはしばしば主観的な判断が伴います。たとえば、定規でボールの直径を測定する場合、実際に測定値をどれだけ正確に読み取ることができるかを考える必要があります。ボールの端から測定していると確信していますか?ルーラーをどれだけ正確に読むことができますか?これらは、不確実性を推定するときに尋ねなければならない質問のタイプです。

場合によっては、不確実性を簡単に推定できます。たとえば、0.1 gに最も近いスケールで計量する場合、測定値に±0.05 gの不確実性があると自信を持って推定できます。これは、1.0 gの測定値が実際には0.95 g(切り上げ)から1.05 g未満(切り捨て)までのいずれかになる可能性があるためです。それ以外の場合は、いくつかの要因に基づいて可能な限り推定する必要があります。

ヒント

絶対対相対不確実性

元の測定の単位(たとえば、1.2±0.1 gまたは3.4±0.2 cm)で不確実性を引用すると、「絶対的な」不確実性が得られます。つまり、元の測定値が不正確になる可能性がある量を明示的に示します。相対不確実性は、不確実性を元の値の割合として示します。これで解決する:

相対不確実性=(絶対不確実性÷最良推定値)×100%

したがって、上記の例では:

相対不確実性=(0.2 cm÷3.4 cm)×100%= 5.9%

したがって、値は3.4 cm±5.9%として引用できます。

不確実性の追加と減算

絶対的な不確実性を追加することにより、2つの量をそれぞれの不確実性で加算または減算するときの合計の不確実性を計算します。例えば:

(3.4±0.2 cm)+(2.1±0.1 cm)=(3.4 + 2.1)±(0.2 + 0.1)cm = 5.5±0.3 cm

(3.4±0.2 cm)-(2.1±0.1 cm)=(3.4-2.1)±(0.2 + 0.1)cm = 1.3±0.3 cm

不確実性の乗算または除算

数量を不確実性で乗算または除算する場合、相対的な不確実性を合計します。例えば:

(3.4 cm±5.9%)×(1.5 cm±4.1%)=(3.4×1.5)cm2 ±(5.9 + 4.1)%= 5.1 cm2 ± 10%

(3.4 cm±5.9%)÷(1.7 cm±4.1%)=(3.4÷1.7)±(5.9 + 4.1)%= 2.0±10%

定数を掛ける

不確実性のある数値に一定の係数を掛ける場合、ルールは不確実性の種類によって異なります。相対的な不確実性を使用している場合、これは同じままです。

(3.4 cm±5.9%)×2 = 6.8 cm±5.9%

絶対的な不確実性を使用している場合、不確実性に同じ係数を掛けます:

(3.4±0.2 cm)×2 =(3.4×2)±(0.2×2)cm = 6.8±0.4 cm

不確実性の力

不確実性のある値のべき乗をとる場合、相対的な不確実性にべき乗の数を掛けます。例えば:

(5 cm±5%)2 = (52 ±)cm2 = 25 cm2± 10%

または

(10 m±3%)3 = 1,000 m3 ±(3×3%)= 1,000 m3 ± 9%

分数の力についても同じ規則に従います。