Meten en experimenteren

Vergelijkbare documenten
Meten en experimenteren

Meten en experimenteren

Meten en experimenteren

1. Statistiek gebruiken 1

Statistiek voor Natuurkunde Opgavenserie 1: Kansrekening

Tentamen Planning 2de semester Wetenschappelijk verslag Lenzen en Hydrodynamica. 17 februari 2006 Meten en experimenteren 1

Data analyse Inleiding statistiek

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Eindtoets Experimentele Fysica 1 (3A1X1) - Deel 2. 6 november 2015 van 10:00 12:00 uur

Hoofdstuk 3 : Numerieke beschrijving van data. Marnix Van Daele. Vakgroep Toegepaste Wiskunde en Informatica Universiteit Gent

Sterrenkunde Praktikum 1 Fouten en fitten

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen OGO Fysisch Experimenteren voor minor AP (3MN10)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen OGO Fysisch Experimenteren voor minor AP (3MN10) Tentamen Inleiding Experimentele Fysica (3AA10)

Kansrekening en Statistiek

Statistiek I Samenvatting. Prof. dr. Carette

Les 2 / 3: Meetschalen en Parameters

Kansrekening en Statistiek

Statistiek voor Natuurkunde Opgavenserie 4: Lineaire regressie

Samenvatting Wiskunde Samenvatting en stappenplan van hfst. 7 en 8

Kansrekening en Statistiek

Proefopstelling Tekening van je opstelling en beschrijving van de uitvoering van de proef.

werkcollege 6 - D&P9: Estimation Using a Single Sample

Vandaag. Onderzoeksmethoden: Statistiek 3. Recap 2. Recap 1. Recap Centrale limietstelling T-verdeling Toetsen van hypotheses

Data analyse Inleiding statistiek

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Eindtoets Experimentele Fysica 1 (3A1X1) - Deel november 2016 van 14:30 16:30 uur

+ ( 1 4 )2 σ 2 X σ2. 36 σ2 terwijl V ar[x] = 11. Aangezien V ar[x] het kleinst is, is dit rekenkundig gemiddelde de meest efficiënte schatter.

Introductie periode 2b. Onderdeel Foutenleer 1

Tentamen Kansrekening en Statistiek MST 14 januari 2016, uur

Examen Statistiek I Feedback

Data analyse Inleiding statistiek

Les 1: Waarschijnlijkheidrekening

Hoofdstuk 3 Statistiek: het toetsen

BETROUWBAARHEIDSINTERVALLEN VANUIT VERSCHILLENDE HOEKEN BELICHT. S.A.R. Bus

Een kogel die van een helling afrolt, ondervindt een constante versnelling. Deze versnelling kan berekend worden met de formule:

Theorie: Het maken van een verslag (Herhaling klas 2)

Significante cijfers en meetonzekerheid

Practicum algemeen. 1 Diagrammen maken 2 Lineair verband en evenredig verband 3 Het schrijven van een verslag

HOOFDSTUK VI NIET-PARAMETRISCHE (VERDELINGSVRIJE) STATISTIEK

Samenvatting Statistiek

Kansrekening en Statistiek

Foutenleer 1. dr. P.S. Peijzel

Je kunt al: -de centrummaten en spreidingsmaten gebruiken -een spreidingsdiagram gebruiken als grafische weergave van twee variabelen

6.1 Beschouw de populatie die wordt beschreven door onderstaande kansverdeling.

Kansrekening en Statistiek

Naam: Klas: Practicum veerconstante

Gegevensverwerving en verwerking

In het internationale eenhedenstelsel, ook wel SI, staan er negen basisgrootheden met bijbehorende grondeenheden. Dit is BINAS tabel 3A.

Tentamen Inleiding Statistiek (WI2615) 10 april 2013, 9:00-12:00u

Les 1: de normale distributie

6.1 Beschouw de populatie die beschreven wordt door onderstaande kansverdeling.

vwo: Het maken van een natuurkunde-verslag vs

Kansrekening en Statistiek

HOOFDSTUK VII REGRESSIE ANALYSE

Examenvragen Hogere Wiskunde I

Samenvatting Natuurkunde Hoofdstuk 1

Vandaag. Onderzoeksmethoden: Statistiek 2. Basisbegrippen. Theoretische kansverdelingen

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Eindtoets Experimentele Fysica 1 (3A1X1) - Deel januari 2014 van 14:50 17:00 uur

Exact Periode 9.1. Rekenvaardigheid Controlekaarten

Kansrekening en statistiek wi2105in deel 2 27 januari 2010, uur

HOOFDSTUK II BIJZONDERE THEORETISCHE VERDELINGEN

Wisnet-HBO update nov. 2008

Deze week: Steekproefverdelingen. Statistiek voor Informatica Hoofdstuk 7: Steekproefverdelingen. Kwaliteit van schatter. Overzicht Schatten

Hoeveel vertrouwen heb ik in mijn onderzoek en conclusie? Les 1

4900 snelheid = = 50 m/s Grootheden en eenheden. Havo 4 Hoofdstuk 1 Uitwerkingen

HOOFDSTUK I - INLEIDENDE BEGRIPPEN

IJkingstoets Wiskunde-Informatica-Fysica 29 juni Nummer vragenreeks: 1

Cursus Statistiek Hoofdstuk 4. Statistiek voor Informatica Hoofdstuk 4: Verwachtingen. Definitie (Verwachting van discrete stochast) Voorbeeld (1)

Meetkundige Dienst

Hoofdstuk 5: Steekproevendistributies

Les 1: Waarschijnlijkheidrekening

Inleiding Applicatie Software - Statgraphics

Statistiek voor A.I. College 10. Donderdag 18 Oktober

Inleiding Applicatie Software - Statgraphics. Beschrijvende Statistiek

Significante cijfers en meetonzekerheid

HOOFDSTUK 6: INTRODUCTIE IN STATISTISCHE GEVOLGTREKKINGEN

Klantonderzoek: statistiek!

Oefenvragen bij Statistics for Business and Economics van Newbold

Inleiding statistiek

Verslag Natuurkunde De uitrekking van veren

Examen G0N34 Statistiek

We illustreren deze werkwijze opnieuw a.h.v. de steekproef van de geboortegewichten

werkcollege 5 - P&D7: Population distributions - P&D8: Sampling variability and Sampling distributions

Belangrijke concepten & conventies

Titel: De titel moet kort zijn en toch aangeven waar het onderzoek over gaat. Een subtitel kan uitkomst bieden. Een bijpassend plaatje is leuk.

REKENTECHNIEKEN - OPLOSSINGEN

Havo 4 - Practicumwedstrijd Versnelling van een karretje

Populatie: De gehele groep elementen waarover informatie wordt gewenst.

Hoofdstuk 1 Beweging in beeld. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen OGO Fysisch Experimenteren voor minor AP (3MN10) en Tentamen Inleiding Experimentele Fysica (3NA10)

Statistiek voor A.I. College 2. Donderdag 13 September 2012

Voorbeelden van gebruik van 5 VUSTAT-apps

Kengetal Antwoord Nee Nee Ja Nee Ja Ja Nee Toetsgrootheid 1,152 1,113 2,048 1,295 1,152 1,113 0,607

Statistiek: Spreiding en dispersie 6/12/2013. dr. Brenda Casteleyn

10.0 Voorkennis. Herhaling van rekenregels voor machten: a als a a 1 0[5] [6] Voorbeeld 1: Schrijf als macht van a:

6.0 Differentiëren Met het differentiequotiënt bereken je de gemiddelde verandering per tijdseenheid.

HOOFDSTUK III. SCHATTEN VAN PARAMETERS Schatters en Betrouwbaarheidsintervallen. Theorie Statistiek Les 6

Inleiding Statistiek

4,4. Praktische-opdracht door een scholier 2528 woorden 23 juni keer beoordeeld. Natuurkunde. De Veer. Het bepalen van de veerconstante,

klas "Eenheden"

Hoofdstuk 8: Het Toetsen van Hypothesen (Extra Oefeningen)

Financiële economie. Opbrengsvoet en risico van een aandeel

Transcriptie:

Meten en experimenteren Statistische verwerking van gegevens Een korte inleiding 3 oktober 006

Deel I Toevallige veranderlijken Steekproef Beschrijving van gegevens Histogram Gemiddelde en standaarddeviatie ormale verdeling Fouten en onzekerheden p

Toevallige veranderlijken experiment = meting van een bepaalde grootheid x uitgevoerd met een bepaald instrument volgens een bepaalde procedure Een experiment wordt meestal beïnvloed door verschillende factoren: vb bepaling verbruik van een auto, meten valversnelling Het resultaat van een experiment is nooit exact reproduceerbaar De verschillende waarnemingen of resultaten van een experiment vertonen een spreiding Men noemt de grootheid x (het resultaat van het experiment) een toevallige of stochastische veranderlijke p3

Keuze van de steekproef Men wil meestal uit het experiment een fysische grootheid bepalen, bvb de valversnelling Elk experiment wordt beïnvloedt door verschillende willekeurige factoren Het is dus best om een groot aantal experimenten uit te voeren, at random (willekeurig) gekozen Dit is een steekproef waaruit men conclusies wenst te trekken over de fysische grootheid Men bekomt een verzameling gegevens {x,x,x 3, x n } p4

Beschrijving van gegevens a het uitvoeren van n experimenten beschikt men over een verzameling gegevens {x,x,x 3, x n } Men kan deze verzameling beschrijven via de volgende empirische grootheden : Aantal gegevens steekproefgemiddelde: maat voor de locatie van de gegevens Steekproefvariantie en standaardafwijking: maat voor de spreiding van de gegevens De gegevens worden vaak voorgesteld in een histogram p5

Histogram De gegevens worden ingedeeld in klassen Het histogram geeft een eerste informatie over structuren (pieken, uniform..) in de verdeling van gemeten grootheid De keuze van de breedte van de klassen hangt af van de nauwkeurigheid waarmee men de grootheid gemeten heeft, van het aantal gegevens Voorbeeld :men meet de lengte van een balk van 0 cm p6

00 metingen lengte balk mm lat in 0 klassen van elk mm in 4 klassen van elk,5mm Aantal metingen Lengte (mm) p7

Gemiddelde en standaarddeviatie Een steekproef wordt gekarakteriseerd door de volgende grootheden: Rekenkundig gemiddelde x n xi n i = = Variantie s = x x i n n i= ( ) Standaardafwijking of standaarddeviatie = s p8

s x p9

Indien de steekproef oneindig groot wordt dan volgt de verdeling van de gemeten grootheid een normale of gaussische verdeling met gemiddelde waarde µ standaardafwijking σ Variantie σ Waarschijnlijkheids verdeling f(x) f ( x) = e σ π ormale verdeling - ( x-µ ) σ frequentie Grootheid x p0

ormale verdeling 68% van de metingen ligt in het interval [µ-σ, µ+σ] 95% van de metingen ligt in het interval [µ-σ, µ+σ] 99,7% van de metingen ligt in het interval [µ-3σ, µ+3σ] p

ormale verdeling en steekproef Steekproef is nooit oneindig groot Men benadert Gemiddelde µ door rekenkundig gemiddelde x variantie σ door steekproefvariantie s Standaardafwijking σ = statistische onzekerheid op één meting van de grootheid Voorbeeld : meting lengte balk 00 of 0000 metingen p

00 en 0000 metingen lengte balk 00 metingen 0000 metingen + normale verdeling s s x x p3

Fouten en onzekerheden Statistische onzekerheden Te wijten aan toevallige fluctuaties in de metingen De onzekerheid op de conclusie uit de metingen verkleint wanneer men beschikt over een grotere steekproef Men spreekt vaak van statistische fout Blunders = fouten die niet ingeschat kunnen worden Systematische fouten Reproduceerbare fouten te wijten aan slecht afgesteld apparaat Bvb amperemeter meet systematisch te hoge stroom De metingen herhalen geeft geen betere nauwkeurigheid en geeft niet meer zekerheid over de conclusies uit de proef p4

Deel II Herhaalde metingen: gemiddelde en variantie Bewerkingen met stochastische veranderlijken Voorplanten van statistische onzekerheden p5

Een enkele meting Elk meetinstrument laat toe metingen uit te voeren met een bepaalde onzekerheid Bvb weegschaal meet op 0,0g nauwkeurig Bvb lat meet op mm nauwkeurig Voor de meetapparaten die in het practicum gebruikt zullen worden wordt de nauwkeurigheid gegeven in de syllabus of op het apparaat zelf otatie: x i ± s i bvb m = 50,00 ± 0,0 ( ) g p6

Herhaalde metingen De metingen herhalen levert een resultaat met een kleinere onzekerheid Wanneer men metingen uitvoert van een grootheid x, elk men een bepaalde onzekerheid s i x ± s ; i =, { } i i Dan zijn het gewogen gemiddelde en zijn variantie wx i i i= = en x= met gewichten i = w i wi i= i= x s w s i p7

Herhaalde metingen met zelfde fout Indien alle metingen dezelfde onzekerheid s bezitten (of hetzelfde gewicht) dan worden het gemiddelde en zijn onzekerheid i x x = x s = i= s Bvb 00 metingen van 00mm lange balk met lat met mm nauwkeurigheid geven: Elke meting : onzekerheid mm Gemiddelde : onzekerheid /0mm p8

Bewerkingen met toevallige variabelen De metingen uitgevoerd in een of meerdere experimenten zijn zelden zelf het eindresultaat waarin men geïnteresseerd is Eenvoudig geval: ik bepaal mijn gewicht door elke ochtend op de weegschaal te staan De proeven uitgevoerd in de fysica bestaan meestal uit metingen van verschillende grootheden, elk met een onzekerheid Bewerkingen met die metingen leiden tot het eindresultaat p9

Voorbeeld: bepaling valversnelling bepaling valversnelling g: laat een kogel vanop een hoogte vallen en meet de tijd tot die de grond raakt Metingen van hoogte y en tijd t, elk met een statistische onzekerheid Valbeweging y = y0 + v0t+ at met y0 = 0 en v0 = 0 De valversnelling g wordt g = y t Vraag: welke is de onzekerheid op g? p0

Voorplanten van onzekerheden Voor een groot aantal metingen geldt dat de onzekerheid op een enkele meting gelijk is aan de standaarddeviatie van de normale verdeling σ = lim i i= ( x x ) Voor f(u,v) = een functie van variabelen (bvb hoogte en tijd bij valversnelling) krijgt men σ f = lim ( f ) i f = f( u, v ) i= fi i i p

Voorplanten van onzekerheden De vraag is nu f = f(,)? u v Voor een lineair verband geldt deze relatie altijd Voor een niet-linear verband kan men de functie f rond het maximum van de multidimensionele waarschijnlijkheidsverdeling benaderen door een raakvlak Dit geschiedt door een ontwikkeling in Taylorreeks rond het punt ( u, v) f f f( u, v) = f( u, v) + ( u u) uv, + ( v v) uv, +... u v Termen van de en hogere orde worden verwaarloosd p

Voortplanten van onzekerheden 3 f u ( fi f ) ( ui u) u, v+ ( vi v) u, v Variantie op f wordt f v σ f f f lim ( ui u) u, v ( vi v) u, v + i= u v f f = lim ( ) ( ) + lim ( ) ( ) u v ui u vi v i= i= f f + lim ( ui u)( vi v) u v i= p3

Voortplanten van onzekerheden 4 ( f f u ) v( f ) f σ σ + σ + σ f uv u v u v Covariantie σ uv is nul voor niet gecorreleerde veranderlijken, wat in alle practica het geval is Voorbeeld: snelheid bepalen uit metingen van afstand x en tijd t Voor de steekproefvariantie geldt v = x t v v s s ( ) + s ( ) x t f x t v = v ± s v p4

Deel III Bepalen van de beste rechte door de metingen Methode van de kleinste kwadraten iet lineaire problemen p5

Een lineaire fysische wet Voorbeeld : bepaling veerconstante Een veer wordt opgehangen aan een punt men hangt achtereenvolgens verschillende massa s onderaan de veer dit veroorzaakt een elongatie van de veer men meet de positie x van het onderste punt van de veer als functie van de massa m positie(cm 30 5 0 5 0 5 0 elongatie vd veer ifv massa Blauw = Meetpunten Alle posities zijn gemeten met dezelfde onzekerheid 0 00 00 300 400 500 massa(g) p6

Bepalen van de beste rechte Fysische wet g kx = mg of x = m k k = veerconstante g=valversnelling x positie(cm elongatie vd veer ifv massa 30 5 0 5 0 5 0 0 00 00 300 400 500 massa(g) vraag: wat is de veerconstante k voor deze veer? Of: welke is de beste schatting van k uit deze metingen? de beste schatting van k geeft de beste rechte door de meetpunten (m,x) Hoe bepaalt men de beste rechte door de meetpunten? p7

Methode van de kleinste kwadraten Uit metingen {x i,y i ±σ i } schat men de beste rechte y=ax+b de beste schatting wordt bekomen door minimisatie van de χ χ = ( yi axi b ) i= σ i Vb verloop χ als functie van parameter a voor proef veer χ chi 30 5 0 5 0 5 0-4 -3 - - 0 3 4 5 6 rico a a p8

Mehtoden van de kleinste kwadraten Het minimum komt overeen met (partieel afleiden naar de parameters a en b) χ a χ = 0, = 0 b Algemene oplossing: zie cursus statistiek Indien alle metingen y i dezelfde onzekerheid σ y bezitten: eenvoudig stelsel van vgl en onbekenden Eerst de vergelijking oplossen naar b Deze oplossing substitueren in ste vergelijking geeft a Dit invullen in oplossing voor b p9

Oplossen van stelsel naar a en b stel δ = xi xi i= i= a = x y x y δ i i i i i= i= i= b= x y x x y δ i i i i i i= i= i= i= p30

Schatting van onzekerheden op a,b Voortplanten van onzekerheden op y i naar a,b σ σ a a = σ i i= yi b b = σ i i= yi σ i = σ y i In praktijk is onzekerheid σ y vaak niet gekend en kan berekend worden uit σ σ σ y = sy = ( yi axi b) i= a = σ y δ σ y b = xi δ i = p3

Fysische wet is geen rechte Methode van de kleinste kwadraten is steeds geldig zie cursus statistiek Men kan het probleem lineariseren Bvb valbeweging: indien men t ipv t als x variabele gebruikt bekomt men een rechte waarvan de richtingscoëfficient = g y = gt p3

Deel IV Presentatie van resultaten Aantal beduidende cijfers Afronden van getalwaarden Grafieken, tabellen, eenheden etc p33

Aantal beduidende cijfers Meest LIKSE cijfer ( 0) is meest beduidende cijfer Geen decimaal punt : minst beduidende cijfer is meest RECHTSE cijfer ( 0) Wel decimaal punt : : minst beduidende cijfer is meest RECHTSE cijfer, ook al is dit 0 Aantal beduidende cijfers = aantal tussen meest en minst beduidende cijfers 580 : 3 beduidende cijfers 580, : 4 beduidende cijfers 0,0094 : beduidende cijfers 3,00 x 0 4 : 4 beduidende cijfers p34

Afronden van getalwaarden Resultaat van de proef: hoeveel beduidende cijfers moet men geven? Men rond eerst de onzekerheid op het resultaat (de fout ) af tot of 3 beduidende cijfers Men kiest de meest aangepaste eenheden, bvb keuze tussen,0mm (3 bed cijfers) 0,cm ( bed cijfer) Dan rond men het resultaat zelf af tot hetzelfde aantal decimalen als de fout p35

Grafieken, tabellen, eenheden Tabellen en grafieken geven een duidelijk overzicht van de metingen gebruik ze! Grafiek: geef assen een naam en eenheden Kies de schaal zodanig dat de gegevens over het gehele gebied verspreid zijn Geef duidelijk de schalen aan van de assen Tabel: zet bovenaan de naam van de grootheid en de eenheden Vergeet eenheden niet bij het geven van resultaten van metingen en berekeningen Zet titels boven grafieken en tabellen p36