Tilfeldig feil vs. systematisk feil

To typer eksperimentell feil

Andrew Brookes / Getty Images

Uansett hvor forsiktig du er, er det alltid feil i en mål . Feil er ikke en 'feil' - det er en del av måleprosessen. I vitenskapen kalles målefeil eksperimentell feil eller observasjonsfeil.

Det er to brede klasser av observasjonsfeil: tilfeldig feil og systematisk feil . Tilfeldig feil varierer uforutsigbart fra en måling til en annen, mens systematisk feil har samme verdi eller proporsjon for hver måling. Tilfeldige feil er uunngåelige, men grupperer seg rundt den sanne verdien. Systematiske feil kan ofte unngås ved å kalibrere utstyr, men hvis det ikke korrigeres, kan det føre til målinger langt fra den sanne verdien.

Viktige takeaways

• Tilfeldig feil fører til at en måling avviker litt fra den neste. Det kommer fra uforutsigbare endringer under et eksperiment.
• Systematisk feil påvirker alltid målingene like mye eller med samme andel, forutsatt at en avlesning foretas på samme måte hver gang. Det er forutsigbart.
• Tilfeldige feil kan ikke elimineres fra et eksperiment, men de fleste systematiske feil kan reduseres.

Eksempel på tilfeldig feil og årsaker

Hvis du tar flere målinger, klynges verdiene rundt den sanne verdien. Dermed påvirker tilfeldig feil først og fremst presisjon . Vanligvis påvirker tilfeldig feil det siste signifikante sifferet i en måling.

Hovedårsakene til tilfeldig feil er begrensninger av instrumenter, miljøfaktorer og små variasjoner i prosedyre. For eksempel:

• Når du veier deg på en vekt, plasserer du deg litt annerledes hver gang.
• Når du tar en volumlesing i en kolbe kan du lese verdien fra en annen vinkel hver gang.
• Måling av massen til en prøve på en analytisk balanse kan produsere forskjellige verdier ettersom luftstrømmer påvirker balansen eller når vann kommer inn og forlater prøven.
• Å måle høyden din påvirkes av mindre holdningsendringer.
• Måling av vindhastighet avhenger av høyden og tidspunktet for en måling. Flere målinger må tas og gjennomsnittsberegnes fordi vindkast og retningsendringer påvirker verdien.
• Avlesningene skal estimeres når de faller mellom merkene på en skala eller når det tas hensyn til tykkelsen på en målemarkering.

Fordi tilfeldig feil alltid oppstår og kan ikke forutses , er det viktig å ta flere datapunkter og gjennomsnitt dem for å få en følelse av mengden variasjon og beregne den sanne verdien.

Systematisk feileksempel og årsaker

Systematisk feil er forutsigbar og enten konstant eller proporsjonal med målingen. Systematiske feil påvirker først og fremst en måling nøyaktighet .

Typiske årsaker til systematisk feil inkluderer observasjonsfeil, ufullkommen instrumentkalibrering og miljøinterferens. For eksempel:

• Å glemme å tarere eller nullstille en balanse gir massemålinger som alltid er 'av' med samme mengde. En feil forårsaket av ikke å sette et instrument til null før det ble brukt kalles en offset feil .
• Å ikke lese menisken i øyehøyde for en volummåling vil alltid resultere i en unøyaktig avlesning. Verdien vil være konsekvent lav eller høy, avhengig av om avlesningen er tatt ovenfra eller under merket.
• Lengdemåling med metalllinjal vil gi et annet resultat ved kald temperatur enn ved varm temperatur, på grunn av termisk utvidelse av materialet.
• Et feilkalibrert termometer kan gi nøyaktige avlesninger innenfor et visst temperaturområde, men bli unøyaktig ved høyere eller lavere temperaturer.
• Målt avstand er annerledes ved å bruke et nytt tøymålebånd sammenlignet med et eldre, strukket. Proporsjonale feil av denne typen kalles skalafaktorfeil .
Driftoppstår når påfølgende avlesninger blir konsekvent lavere eller høyere over tid. Elektronisk utstyr har en tendens til å være utsatt for drift. Mange andre instrumenter påvirkes av (vanligvis positiv) drift når enheten varmes opp.

Når årsaken er identifisert, kan systematisk feil reduseres til en viss grad. Systematiske feil kan minimeres ved å rutinemessig kalibrere utstyr, bruke kontroller i eksperimenter, varme opp instrumenter før avlesninger og sammenligne verdier mot standarder .

Selv om tilfeldige feil kan minimeres ved å øke utvalgsstørrelsen og beregne gjennomsnittsdata, er det vanskeligere å kompensere for systematiske feil. Den beste måten å unngå systematiske feil på er å være kjent med instrumentenes begrensninger og erfaren med riktig bruk.

Viktige ting: Tilfeldig feil vs. systematisk feil

• De to hovedtypene for målefeil er tilfeldig feil og systematisk feil.
• Tilfeldig feil fører til at en måling avviker litt fra den neste. Det kommer fra uforutsigbare endringer under et eksperiment.
• Systematisk feil påvirker alltid målingene like mye eller med samme andel, forutsatt at en avlesning foretas på samme måte hver gang. Det er forutsigbart.
• Tilfeldige feil kan ikke elimineres fra et eksperiment, men de fleste systematiske feil kan reduseres.

Kilder

• Bland, J. Martin og Douglas G. Altman (1996). 'Statistiske notater: Målefeil.' BMJ 313.7059:744.
• Cochran, W.G. (1968). 'Målefeil i statistikk'. Teknometri . Taylor & Francis, Ltd. på vegne av American Statistical Association og American Society for Quality. 10: 637–666. gjør jeg: 10.2307/1267450
• Dodge, Y. (2003). Oxford Dictionary of Statistical Terms . OP. ISBN 0-19-920613-9.
• Taylor, J.R. (1999). En introduksjon til feilanalyse: Studiet av usikkerheter i fysiske målinger .... Universitetsvitenskapelige bøker. s. 94. ISBN 0-935702-75-X.