分享丨如何正確區分誤差、不確定度、精密度、準確度、偏差、方差?

2020-12-25 吾谷網


在日常分析測試工作中,

測量誤差、測量不確定度、

精密度、準確度、偏差、方差等

是經常運用的術語,

它直接關係到

測量結果的可靠程度和量值的準確一致。

如何區分這些概念呢?

一起來看看吧!



傳統的方法多是用精密度和準確度來衡量。但是,通常說的準確度和誤差只是一個定性的、理想化的概念,因為實際樣品的真值是不知道的。而精密度只是表示最終測定數據的重複性,不能真正衡量其測定的可靠程度。


作為一名分析測試人員,這些術語是應該搞清楚的概念,但這些概念互相聯繫又有區別,也常常使人不知所云。在此略作論述,希望能引起大家討論。




測量誤差表示測量結果偏離真值的程度。真值是一個理想的概念,嚴格意義上的真值是通過實際測量是不能得到的,因此誤差也就不能夠準確得到。在實際誤差評定過程中,常常以約定真值作為真值來使用,約定真值本身有可能存在誤差,因而得到的只能是誤差的估計值。此外,誤差本身的概念在實際應用過程中容易出現混亂和錯誤理解。按照誤差的定義,誤差應是一個差值。當測量結果大於真值時,誤差為正,反之亦然。誤差在數軸上應該是一個點,但實際上不少情況下對測量結果的誤差都是以一個區間來表示(從一定程度上也反映了誤差定義的不合理),這實際上更像不確定度的範圍,不符合誤差的定義。


在實際工作中,產生誤差的原因很多,如方法、儀器、試劑產生的誤差,恆定的個人誤差,恆定的環境誤差,過失誤差,可控制或未加控制的因素變動等。


由於系統誤差和隨機誤差是兩個性質不同的量,前者用標準偏差或其倍數表示,後者用可能產生的最大誤差表示。數學上無法解決兩個不同性質的量之間的合成問題。因此,長期以來誤差的合成方法上一直無法統一。這使得不同的測量結果之間缺乏可比性。



測量不確定度為「表徵合理地賦予被測量之值的分散性,與測量結果想聯繫的參數」。定義中的參數可能是標準偏差或置信區間寬度。不確定度是建立在誤差理論基礎上的一個新概念,它表示由於測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度,是定量說明測量結果質量的重要參數。例如,測量結果可能非常接近真值(誤差很小),但由於認知不足,人們賦予的不確定度落在一個較大的區間內。也可能實際測量誤差很大,但由於分析估計不足,給出的不確定度偏小。一個完整的測量結果,不僅要表示其量值的大小,還需要給出測量的不確定度,表示了被測量值在一定概率水平所處的範圍。測量不確定度越小,其測量結果的可疑程度越小,可信度越大,測量的質量就越高,測量數據的使用價值越高。


在實際工作中,測量不確定度可能來源有很多,如定義不完整、取樣、基體效應、環境條件、質量和容量器皿的不確定、標準物質、測量方法和程序中的估計和假定以及隨機變化等。測量不確定度一般來源於隨機性和模糊性,這就使得測量不確定度一般有許多分量組成。


在評估總不確定度時,可能有必要分析不確定的每一個來源並分別處理,以確定其對總不確定度的貢獻。每一個貢獻量即為一個不確定度分量。


不確定度和測量誤差的主要區別表





精度細分為:


準確度:系統誤差對測量結果的影響。

精密度:隨機誤差對測量結果的影響。

精確度度:系統誤差和隨機誤差綜合後對測量結果的影響。


精度是誤差理論中的說法,與測量不確定度是不用的概念,在誤差理論中,精度定量的特徵可用目前的測量不確定度(對測量結果而言)和極限誤差(對測量儀器儀表)來表示。對測量而言,精密度高的準確度不一定高,準確度高的精密度不一定高,但精確度高的準確度和精密度都高,精度是精確度的簡稱。目前,不提倡精度的說法。


我們看待精密度和準確度就如同打靶一樣,靶心為真值,設計點為測試結果,分為4種情況:



第1種情況。這種情況最好,各測試結果很接近,精密度好,平均值與真值很接近,正確度好。既精密,又正確,稱為準確度好。這是分析工作者所追求的。


第2種情況。各測試結果接近程度與圖1相同,只是整體從靶心沿半逕往外平移一大段距離。表示的期望從靶心移到從外往內第一與第二圈之間。與第1種情況相比,精密度不變,正確度變差了。


第3種情況。是圖1中測試結果以靶心為中心,各自沿半逕往外平移不等距離,象炸開了一樣,變得很分散了。與第1種情況相比正確度不變,精密度變差了。


第4種情況。各次測試結果接近程度與圖3相同整體偏移程度與圖2相同。與第1種情況相比,精密度變差,正確度也變差了。既不精密,又不正確,準確度差。


偏差:描述的是預測值(估計值)的期望與真實值之間的差距。偏差越大,越偏離真實數據,如下圖第二行所示。


相對標準偏差(RSD,relative standard deviation)就是指:標準偏差與計算結果算術平均值的比值。


相對標準偏差(RSD)=標準偏差(SD)/計算結果的算術平均值(X)*100%,該值通常用來表示分析測試結果的精密度。


方差:描述的是預測值的變化範圍,離散程度,也就是離其期望值的距離。方差是衡量源數據和期望值相差的度量值。方差越大,數據的分布越分散,如下圖右列所示。



方差分為離散型方差和連續型方差,在統計學意義上,當數據分布比較分散(即數據在平均數附近波動較大)時,各個數據與平均數的差的平方和較大,方差就較大;當數據分布比較集中時,各個數據與平均數的差的平方和較小。因此方差越大,數據的波動越大;方差越小,數據的波動就越小。


當一份分析報告標明了這批數據的偏倚(表明了正確度)和相對標準偏差(表明了精密度),也就標明了這批數據的準確度。當分析質量不能滿足規範的規定或與數據用戶的約定要求時,需要從人員(責任心和專業素養)、儀器(特別是儀器的校準)、方法(特別是化驗中的樣品分解方法)和環境(溫度、溼度、振動、電磁幹擾、 汙染等)4個方面檢查原因並採取相應措施,把問題解決了才可繼續進行分析。




來源:銳標質量論壇


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  • 準確度、精度、精密度之間到底是什麼關係,如何選擇一款合適的測量...
    所以在計算誤差時,一般用約定真值或相對真值來代替。通常所說的真值可以分為 理論真值 、 約定真值 和 相對真值。 理論真值也稱絕對真值,如 三角形內角和180度。 約定真值也稱規定真值,是一個接近真值的值,它與真值之差可忽略不計。實際測量中以在沒有系統誤差的情況下,足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。
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    以上就是我對Bias(偏差),Error(誤差),和Variance(方差)的一些簡單理解,圖全是截取自李宏毅的PPT中。最近聽機器學習課程時聽到這三個概念一開始有點模糊。感覺沒理解透,所以自己又查了點資料,消化了一下,然後做了個筆記。
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  • 測量不確定度的來源
    2、測量儀器特性的局限性 測量儀器的特性包括示值誤差、最大允許誤差、穩定性、響應特性、靈敏度、鑑別力(閾)、分辨力、漂移等。所以不理想的儀器特性都會直接引入測量結果的不確定度。 2.1、測量儀器的示值誤差 測量儀器的示值誤差將直接引入測量結果的不確定度。
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