Processing math: 100%
Tämä kurssi on jo päättynyt.

Virhearviointi

Käytännön virhearviointi perustuu differentiaalin käyttöön, koska differentiaali antaa hyvän arvion funktion arvon muutokselle. Differentiaalin avulla voidaan johtaa seuraava tulos.

Funktion f arvo määritetään mittaustuloksen x=x0+Δx avulla. Tällöin funktion arvoon aiheuttuvalle absoluuttisen virheen (Δf) ylärajalle pätee arvio

Δf|f(x0)|Δx,

jossa virherajat, Δx ja Δf, käsitellään aina positiivisena. Koska derivaatan arvo voi olla myös negatiivinen, niin siten kaavasssa vaaditaan itseisarvomerkit.

Esimerkki 3.6.1

Kuution särmäksi mitattiin s=(10,20±0,05)cm. Arvioi differentiaalin avulla, millä tarkkuudella kuution tilavuus tunnetaan.

Piilota/näytä ratkaisu

Lasketaan tilavuus, kun s=10,20cm

V=s3=(10,20cm)3=1061,0cm3.

Differentiaalin avulla saadaan absoluuttiselle virheelle yläraja seuraavasti

ΔV|V(s)|Δs=|3s2|Δs=|3(10,20cm)2|0,05cm=15,606cm3<20cm3.

Virheet pyöristetään yleensä ylöspäin ja esitetään pääsääntöisesti yhden merkitsevänn numeron tarkkuudella. Näin pyritään välttämään liian optimistisia tuloksia.

Tilavuus virherajoineen on siten V=(1060±20)cm3.

Virhearvio useammasta mittaustuloksesta

Jos mittaustuloksia on useampi, niin lasketaan jokaisesta mittaustuloksesta aiheutuvien virheiden itseisarvot yhteen, koska pahimmillaan kaikki virheet vaikuttavat samaan suuntaan. Esimerkiksi kahden mittaustuloksen tapauksessa virhe saataisiin seuraavasti.

Funktion f(x,y) arvo määritetään mittaustuloksien x=x0±Δx ja y=y0±Δy avulla. Tällöin funktion arvoon aiheutuvalle virheella pätee arvio

Δf|ddxf(x0,y0)|Δx+|ddyf(x0,y0)|Δy.

Huomautus 3.6.2

Tulos voidaan yleistää, kun mittaustuloksia on useampikin kuin kaksi!

Esimerkki 3.6.3

Ympyrälieriön tilavuuden laskemiseksi määritettiin lieriön pohjan halkaisija d=(12,5±0,2)cm ja korkeus h=(52,50±0,15)cm. Arvioi kokonaisdifferentiaalia käyttäen, millä tarkkuudella lieriön tilavuus tunnetaan.

Piilota/näytä ratkaisu

Lasketaan tilavuuden arvo kyseisillä mittaustuloksilla

V=π4d2h=π4(12,5cm)252,50cm=6442,719cm3.

Lasketaan tilavuuden derivaatat kummankin mitatun suureen suhteen

dVdd=π42dh=πdh2,dVdh=π4d21=πd24.

Tilavuuden absoluuttinen virhe saadaan kaavalla

ΔV|dVdd|Δd+|dVdh|Δh=|πdh2|Δd+|πd24|Δh=|π12,5cm52,50cm2|0,2cm+|π(12,5cm)24|0,15cm=1030,835cm20,2cm+122,718cm20,15cm=206,167cm3+18,407cm3(halkaisija tuo siis enemmän virhettä kuin korkeus)=224,575cm3<300cm3.

Siis tilavuus on virherajoineen V=(6400±300)cm3. (Tilavuus annetaan samalla tarkkuudella kuin virhe ja se pyöristetään normaaleilla pyöristyssäännöillä ks. ohje alla).

Huomautus 3.6.4 (Suuren arvon ja virheen pyöristäminen)

  • Pyöristä ensin virhe ylöspäin yhteen merkitsevään numeroon. Paitsi jos virheen ensimmäiset merkitsevät numerot ovat 10, 11, 12, 13 tai 14, niin pyöristä kahteen merkitsevään numeroon ylöspäin. Tämä on niin kutsuttu 15-sääntö.
  • Pyöristä vasta virheen pyöristyksen jälkeen suureen arvo normaaleilla pyöristyssäännöillä samaan tarkkuuteen kuin virhe. Esimerkiksi satojen, ykkösten tai kolmen desimaalin tarkkuuteen.

Virhetarkastelu suhteellisen virheen kautta

Määritelmä 3.6.5

Suureen suhteellinen virhe on

suhteellinen virhe=|virhetarkka arvo|.

Virhetarkasteluja voidaan tehdä tietyissä tapauksissa myös suhteellisen virheen kautta, jolloin vältytään derivaatan laskemiselta. Tämäkin menetelmä perustuu differentiaaliin, jonka avulla voidaan johtaa seuraava tulos.

Mikäli arvioitava funktio f on muotoa f(x,y)=kxpyq, missä k=vakio ja p,qR saadaan mittaustuloksilla x=x0±Δx ja y=y0±Δy sen suhteelliselle virheelle yläraja

|Δff(x0,y0)||p||Δxx0|+|q||Δyy0|.

Toisin sanoen funktion f suhteellinen virhe voidaan laskea muuttujien suhteellisen virheiden avulla. Tämän jälkeen absoluuttinen virhe saadaan kaavalla

Δf|Δff(x0,y0)||f(x0,y0)|.

Huomautus 3.6.6

Tämäkin tulos voidaan yleistää useammalle mittaustulokselle!

Esimerkki 3.6.7

Ympyrälieriön tilavuuden laskemiseksi määritettiin lieriön pohjan halkaisija d=(12,5±0,2)cm ja korkeus h=(52,50±0,15)cm. Arvioi kokonaisdifferentiaalia käyttäen, millä tarkkuudella lieriön tilavuus tunnetaan.

Piilota/näytä ratkaisu

Lasketaan tilavuuden arvo tehtävän edellä mainituilla arvoilla

V=π4d2h=π4(12,5cm)252,50cm=6442,719cm3.

Koska tilavuuden laskulauseke on edellä esitettyä muotoa V=π4d2h1, voidaan tilavuuden V suhteellinen virhe laskea seuraavasti

|ΔVV|2|Δdd|+1|Δhh|=2|0,2cm12,5cm|+|0,15cm52,50cm|=0,032+0,002857=0,03485(3.5%).

Absoluuttinen virhe saadaan tämän jälkeen kaavasta

|ΔVV|0,03485|ΔV|0,03485|V||ΔV|0,034856442,719cm3=224,575cm3<300cm3.

Tulos virherajoineen on V=(6400±300)cm3.

Palautusta lähetetään...