28.02.2014 Aufrufe

Fehlerrechnung_Vorlesung11.pdf

Fehlerrechnung_Vorlesung11.pdf

Fehlerrechnung_Vorlesung11.pdf

MEHR ANZEIGEN
WENIGER ANZEIGEN

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.

Ankündigung<br />

Sondertutorium zur Besprechung der Probeklausur und<br />

Klausurvorbereitung <strong>Fehlerrechnung</strong> allgemein<br />

Termine:<br />

Wochentag Zeit Ort<br />

Mittwoch 16:00 - 18:00 HS3<br />

Freitag 16:00 - 18:00 HS3<br />

Das Tutorium ist nicht verpflichtend,<br />

weiterhin ist keine Anmeldung nötig<br />

Beginn: 08.01.2014<br />

Ansprechpartner: M. Wagner<br />

S. Hümmer Mo-Fr: 08:00 – 12:00<br />

in Raum B017<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 1


Ankündigung<br />

Blockkurs Grundpraktikum<br />

Wintersemester 2013/2014:<br />

03.03.2014 – 21.03.2014<br />

Anmeldezeitraum:<br />

13.01.2013 – 31.01.2013<br />

online unter www.physik.uni-wuerzburg.de/grundpraktikum/<br />

Termine:<br />

T17 Montag/Donnerstag 08:30<br />

T18 Montag/Donnerstag 14:00<br />

T19 Dienstag/Freitag 08:30<br />

T20 Dienstag/Freitag 14:00<br />

Sicherheitseinweisung BAM am 27.02.2014<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 2


Verteilungsfunktionen III:<br />

Wiederholung<br />

Poissonverteilung<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 3


1.) Die Binomialverteilung<br />

Diskrete Wahrscheinlichkeitsverteilung<br />

Was bisher geschah…<br />

W<br />

⎛ n ⎞<br />

⎝m⎠<br />

m<br />

( ) ( ) n −<br />

m = ⎜ ⎟⋅ p ⋅ 1−<br />

p<br />

m<br />

Beschreibt Anzahl der Erfolge bei Serie gleichartiger und unabhängiger Versuche mit<br />

nur zwei möglichen Ergebnissen (Bernoulli - Experiment)<br />

W(m) beschreibt, für gegebene Erfolgswahrscheinlichkeit p, die Wahrscheinlichkeit bei n<br />

Versuchen genau m Erfolge zu erzielen.<br />

Normiert, d. h. Summe über alle W(m) ist eins.<br />

Erwartungswert M = n·p<br />

Varianz: 2 = n·p (1-p) = M (1-p)<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 4


2.) Die Normalverteilung ( )<br />

Kontinuierliche Verteilung<br />

Was bisher geschah…<br />

( x − M ) 2<br />

−<br />

1<br />

= , ∈ R.<br />

σ 2π<br />

2<br />

2 σ<br />

G x e x<br />

Symmetrisch um den Erwartungswert M, geht schnell gegen null wen (x - M) 2 groß wird<br />

Standardabweichung gegeben durch , Wendepunkt der Verteilungsfunktion<br />

Normiert, d. h.<br />

+∞ −<br />

∫<br />

−∞<br />

1<br />

σ 2π<br />

e<br />

( x − M ) 2<br />

2 σ<br />

2<br />

dx<br />

=<br />

1<br />

Fehlerfunktion<br />

P<br />

1 −<br />

2<br />

( innerhalb 1σ<br />

) = e dz<br />

1<br />

2π<br />

∫ + −1<br />

z<br />

2<br />

Im Grenzfall n ∞ konvergiert Binomialverteilung gegen Normalverteilung<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 5


Von der Binomial- zur Normalverteilung<br />

Bernoulli- Verteilung<br />

diskret<br />

Parameter: n=1, p<br />

Binomial-Verteilung<br />

diskret<br />

Parameter: n, p<br />

Bi (x)<br />

n ∞<br />

p const.<br />

Gauss-Verteilung<br />

Normal-Verteilung<br />

kontinuierlich<br />

Parameter: µ, σ<br />

G (x)<br />

Wir machen eine Messung<br />

Die Messwerte x m setzen sich aus einer großen Zahl<br />

von kleinen Elementarfehlern β zusammen,<br />

die um den wahren Wert (Mittelwert) µ verteilt sind.<br />

Die Elementarfehler treten n mal auf,<br />

m mal positiv und n-m mal negativ.<br />

Der Fehler f m setzt sich somit zusammen aus (p = 1/2):<br />

f m = m β - (n-m) β = 2 m β - n β<br />

[m = n/2 + f m / 2 β ]<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 6


Von der Binomial- zur Normalverteilung<br />

Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass der Fehler m mal positiv und<br />

n-m mal negativ auftritt wird durch die Binomial-Verteilung<br />

gegeben:<br />

P<br />

m<br />

=<br />

⎛ n ⎞<br />

⎜ ⎟p<br />

⎝m⎠<br />

P m<br />

P m+1<br />

P m+2<br />

P m+3 Pm+4<br />

m<br />

( 1−<br />

p)<br />

n−m<br />

=<br />

⎛ n ⎞ 1<br />

⎜ ⎟<br />

⎝m⎠2<br />

n<br />

=<br />

m!<br />

n!<br />

n<br />

( n − m )!<br />

2<br />

m+4<br />

Die Verteilung ist treppenförmig<br />

Lassen wir β immer kleiner werden und n immer<br />

größer,<br />

dann wird die Anzahl der Stufen immer größer, die<br />

Kurve immer "glatter".<br />

Versuch, eine Funktion zu finden,<br />

die den Verlauf beschreibt.<br />

f m f m+1 f m+2 f m+3 f m+4<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 7


Von der Binomial- zur Normalverteilung<br />

f m = m β - (n-m) β = 2 m β - n β<br />

∆P<br />

∆f<br />

=<br />

P<br />

f<br />

m<br />

m<br />

−<br />

−<br />

P<br />

f<br />

m+<br />

1<br />

m+<br />

1<br />

P<br />

m<br />

⎛ n ⎞<br />

⎝m⎠<br />

1<br />

2<br />

⎛ n ⎞<br />

⎝m<br />

+ 1⎠<br />

= ⎜ ⎟ und P<br />

n<br />

m+<br />

1<br />

= ⎜ ⎟<br />

1<br />

2<br />

n<br />

P<br />

n − m<br />

m + 1<br />

m+ 1<br />

= Pm<br />

sowie fm−<br />

fm+<br />

1<br />

= −<br />

2 β<br />

∆P<br />

∆f<br />

=<br />

n<br />

− 2m<br />

−1<br />

Pm<br />

⋅<br />

m + 1 2β<br />

Die Rechnung soll durchgeführt werden für Fehler,<br />

die klein sind gegen den maximalen Fehler, also<br />

f m > 1.<br />

[m = n/2 + f m / 2 β]<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 8


Von der Binomial- zur Normalverteilung<br />

P<br />

∆f<br />

∆ [m = n/2 + f m / 2 β]<br />

=<br />

∆P<br />

≈ −<br />

∆<br />

f<br />

n − 2m<br />

−1<br />

Pm<br />

⋅<br />

m + 1 2β<br />

P f<br />

2<br />

n<br />

β<br />

P f<br />

2<br />

n<br />

β<br />

m m<br />

= − =<br />

dP<br />

df<br />

n - 2 m – 1 ≈ n - 2 m = - f m / β<br />

und der Nenner<br />

m + 1 ≈ m = n/2 + f m /2 β ≈ n/2<br />

Abkürzung : n β 2 = σ 2<br />

Abkürzung : n β 2 = σ 2 const<br />

dP<br />

df<br />

P f dP 1<br />

= −<br />

= − ⋅ f ⋅df<br />

2<br />

2<br />

σ P σ<br />

1 2<br />

lnP = − x +<br />

2<br />

2σ<br />

P<br />

=<br />

d<br />

⋅e<br />

−<br />

x<br />

2<br />

2σ<br />

2<br />

d<br />

=<br />

1<br />

2<br />

2πσ<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 9


Wann ist n ∞ in der Praxis gut erfüllt?<br />

Was fehlt ?<br />

FAUSTREGEL: n·p > 9<br />

d. h. n hinreichend groß und p nicht zu klein.<br />

je asymmetrischer die Binomialverteilung, desto größer muss n<br />

sein um gut durch Normalverteilung genähert zu sein.<br />

Was passiert, wenn p sehr klein ist?<br />

Betrachten wir den Fall n ∞ und p 0,<br />

mit der Nebenbedingung n·p = konstant.<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 10


Von der Binomial- zur Poisson-Verteilung<br />

⎛ n ⎞<br />

= ⎜ ⎟⋅ p ⋅ 1−<br />

p<br />

⎝m⎠<br />

m<br />

Binomialverteilung ( ) ( ) n − m<br />

W<br />

m<br />

Gesucht:<br />

W(m) für n ∞ und p = /n<br />

n!<br />

⎛ µ ⎞ ⎛ µ ⎞<br />

lim W ( m)<br />

= lim ⋅⎜ ⎟ ⋅⎜1<br />

− ⎟<br />

n→∞<br />

n→∞<br />

( n − m)! m!<br />

⎝ n ⎠ ⎝ n ⎠<br />

m<br />

n−m<br />

m<br />

⎛ µ ⎞ ⎛ n ( n − 1)( n − 2) ⋅⋅⋅ ( n − m<br />

+<br />

1)<br />

⎞ ⎛ µ ⎞ ⎛ µ<br />

⎞<br />

= lim ⎜ ⎟⎜ 1 1<br />

n→∞<br />

m<br />

⎟⋅⎜ − ⎟ ⋅⎜ − ⎟<br />

⎝ m!<br />

⎠⎝ n ⎠ ⎝ n ⎠ ⎝ n ⎠<br />

n<br />

−m<br />

m<br />

⎛ µ ⎞ ⎛ n n −1 n − 2 n − m + 1⎞ ⎛ µ ⎞ ⎛ µ ⎞<br />

= ⎜ ⎟ lim ⎜ ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⎟⋅⎜1 − ⎟ ⋅⎜1<br />

− ⎟<br />

m!<br />

n→∞<br />

⎝ ⎠ ⎝ n n<br />

<br />

n n ⎠ ⎝ n ⎠ ⎝<br />

n ⎠<br />

→1<br />

n<br />

→1<br />

−m<br />

m<br />

⎛ µ ⎞ ⎛ µ ⎞<br />

= ⎜ ⎟ lim ⎜1<br />

− ⎟<br />

m!<br />

n→∞<br />

⎝ ⎠ ⎝ n ⎠<br />

n<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 11


Von der Binomial- zur Poisson-Verteilung<br />

m<br />

⎛ µ ⎞ ⎛ µ ⎞<br />

lim W ( m)<br />

= ⎜ ⎟ lim ⎜1<br />

− ⎟<br />

n→∞<br />

m!<br />

n→∞<br />

⎝ ⎠ ⎝ n ⎠<br />

n<br />

Kurze Erinnerung: Euler‘sche Zahl und Näherungsformel Exponentialfunktion<br />

e<br />

x<br />

⎛<br />

= lim ⎜1+<br />

n→∞⎝<br />

x ⎞<br />

⎟<br />

n ⎠<br />

n<br />

Damit:<br />

lim<br />

n→∞<br />

( )<br />

W m<br />

m<br />

⎛ ⎞<br />

= ⎜ ⎟e<br />

⎝ m!<br />

⎠<br />

µ −µ<br />

Dies wird als Poisson`scher Grenzwertsatz oder<br />

als Gesetz seltener Ereignisse bezeichnet.<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 12


Poisson-Verteilung<br />

µ e<br />

x!<br />

x −µ<br />

Die Verteilung: P( x) = , wobei x = 0,1,2,3, .....<br />

heißt Poissonverteilung oder Verteilung seltener Ereignisse.<br />

x ist die Anzahl von Ereignissen in einer bestimmten Zeit oder in einem<br />

bestimmten Volumen, wobei ein bestimmter Mittelwert µ solcher Ereignisse<br />

erwartet werden kann.<br />

Die Ereignisse müssen zufällig und unabhängig voneinander sein.<br />

Die Verteilung ist diskret und asymmetrisch.<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 13


Poisson-Verteilung<br />

Konsistenz: Wie groß ist der Mittelwert (Erwartungswert)?<br />

x<br />

∞<br />

∞ x<br />

µ −<br />

xP ∑<br />

x=<br />

0 x=<br />

0 x!<br />

µ<br />

( x) x<br />

= ∑ = e<br />

Der erste Term der Summe ist Null.<br />

Der Faktor x/x! kann durch 1/(x-1)! ersetzt werden.<br />

x<br />

=<br />

µ e<br />

−µ<br />

∞<br />

∑<br />

x<br />

µ<br />

−1<br />

( x −1)<br />

!<br />

x=<br />

1<br />

<br />

2 3<br />

µ µ<br />

1+<br />

µ + + + .... =<br />

2!<br />

3!<br />

e<br />

µ<br />

=<br />

µ<br />

Das heißt der Parameter µ , der die Poisson-Verteilung charakterisiert,<br />

ist gleich der mittleren Anzahl der gezählten Ereignisse, die erwartet wird,<br />

wenn wir das Zählexperiment viele Male wiederholen.<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 14


Poisson-Verteilung<br />

Wie groß ist die Standardabweichung ?<br />

Zunächst Berechnung der Varianz<br />

σ<br />

2<br />

=<br />

=<br />

∑<br />

∞<br />

x=<br />

0<br />

( x<br />

−<br />

µ<br />

)<br />

2<br />

µ<br />

x!<br />

x −µ<br />

e<br />

∞<br />

2<br />

2<br />

∑( x − 2xµ<br />

+ µ )<br />

x=<br />

0<br />

x<br />

µ e<br />

x!<br />

−µ<br />

2<br />

σ<br />

∞<br />

= ∑ x<br />

x=<br />

0<br />

2<br />

x<br />

µ e<br />

x!<br />

−µ<br />

∞<br />

x<br />

−<br />

µ<br />

µ<br />

e<br />

−∑<br />

2 x µ<br />

x=<br />

0 x!<br />

<br />

<br />

2<br />

−2µ<br />

∞ x −µ<br />

2 µ e<br />

+ ∑ µ<br />

x=<br />

0 x!<br />

<br />

<br />

2<br />

+ µ<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 15


Poisson-Verteilung<br />

Verschiebungssatz:<br />

σ<br />

2<br />

∞<br />

∑<br />

x = 0<br />

x=<br />

0<br />

( x µ ) 2<br />

= −<br />

x<br />

µ e<br />

x!<br />

∞<br />

µ e<br />

= ∑ x −<br />

x!<br />

−µ<br />

x −µ<br />

2 2<br />

µ<br />

σ<br />

ersetzen von x 2 mit (x ( x - 1 ) + x ), führt zu<br />

x µ<br />

x µ<br />

( x ( x − ) + x) µ e<br />

2 x ( x −1) µ e<br />

2<br />

2<br />

∞ −<br />

= ∑<br />

x!<br />

2 1<br />

=<br />

x=<br />

0<br />

∞<br />

∑<br />

x=<br />

0<br />

x<br />

−<br />

µ<br />

x −µ<br />

∞ x −µ<br />

( x −1) µ e xµ<br />

e<br />

2<br />

x!<br />

+<br />

∑<br />

x=<br />

0<br />

x!<br />

−<br />

µ<br />

σ<br />

∑<br />

= ∑ ∞ −<br />

x=<br />

0<br />

∞<br />

2<br />

= µ ∑<br />

x=<br />

2<br />

x!<br />

x−2<br />

−<br />

µ e<br />

(x − 2 )!<br />

µ<br />

+<br />

+ µ −<br />

µ −<br />

2<br />

µ<br />

µ<br />

Ersetzen von x-2 durch ν, summieren von ν = 0<br />

ergibt für die Summe den Wert eins und damit wird:<br />

2<br />

2<br />

2<br />

σ µ<br />

= µ + µ − µ =<br />

µ<br />

σ µ<br />

=<br />

µ<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 16


Poisson-Verteilung<br />

σ µ<br />

=<br />

µ<br />

Die Standardabweichung ist somit gleich der<br />

Wurzel aus dem Mittelwert.<br />

Der Fehler des Mittelwertes ist gegeben durch:<br />

σ =<br />

µ<br />

wobei n die Anzahl der Messungen ist, die wir verwendet haben, um den<br />

Mittelwert zu bestimmen.<br />

σ<br />

µ<br />

n<br />

Der relative Fehler der Poisson-Verteilung ist somit:<br />

σ µ<br />

nµ<br />

=<br />

µ<br />

nµ<br />

=<br />

1<br />

n µ<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 17


Poisson-Verteilung<br />

Die Anwendung der Poisson-Verteilung ist breit gefächert:<br />

Anzahl der Telefongespräche, die in einer bestimmten Zeit bei einer Firma<br />

eintreffen.<br />

Anzahl der Kunden an einem Bankschalter pro Zeiteinheit.<br />

Anzahl der Bakterien pro Liter Nährlösung.<br />

Anzahl der Verkehrsunfälle pro Zeiteinheit an einer Kreuzung.<br />

Anzahl der in einer bestimmten Zeit zerfallenden Atomkerne.<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 18


Poisson-Verteilung<br />

Beispiel:<br />

An einer Kreuzung finden pro Woche zwei Verkehrsunfälle statt.<br />

Die Häufigkeit der Verkehrsunfälle wird durch eine Poissonverteilung<br />

mit µ = 2 beschrieben.<br />

Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit dafür,<br />

dass in einer Woche kein Unfall stattfindet ?<br />

P<br />

( x)<br />

=<br />

e<br />

x!<br />

x µ<br />

µ −<br />

0 −2<br />

2 e<br />

P =<br />

0!<br />

−2<br />

( 0) = = e 0.<br />

135335<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 19


Poisson-Verteilung<br />

Beispiel:<br />

An einer Kreuzung finden pro Woche zwei Verkehrsunfälle statt.<br />

Die Häufigkeit der Verkehrsunfälle wird durch eine Poissonverteilung mit<br />

µ = 2 beschrieben.<br />

Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit dafür,<br />

dass weniger als vier Verkehrsunfälle in zwei Wochen stattfinden ?<br />

P(≤ 3) = P(0) + P(1) + P(2) + P(3) = 0.4335<br />

P<br />

P<br />

P<br />

P<br />

( 0)<br />

( 1)<br />

( 2)<br />

=<br />

=<br />

=<br />

0<br />

4 e<br />

0!<br />

1 −<br />

4 e<br />

1!<br />

2<br />

4 e<br />

2!<br />

3<br />

4 e<br />

3!<br />

−4<br />

4<br />

−4<br />

−4<br />

= 0.<br />

018316<br />

= 0.<br />

073264<br />

= 0146528 .<br />

( 3) = = 0.<br />

195367<br />

Ähnliche Fragen sind z. B. wie viele Kinder werden<br />

pro Tag in einem Krankenhaus geboren ?<br />

(Jahreszeitliche Schwankungen) !!.<br />

Liegt tatsächlich eine Poissonverteilung vor ?<br />

Qualitativer graphischer Vergleich<br />

Quantitativ mittels χ 2 -Test<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 20


Poisson-Verteilung<br />

0,25<br />

Poisson-Wahrscheinlichkeit<br />

für erwartete zwei Unfälle pro Woche<br />

Unfallwahrscheinlichkeit<br />

0,20<br />

0,15<br />

0,10<br />

0,05<br />

0,00<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11<br />

Anzahl der Unfälle<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 21


Poisson-Verteilung<br />

Betrachte die Anzahl der Unfälle an der Kreuzung über ein Jahr:<br />

Poissonverteilt?<br />

Anzahl Unfälle Häufigkeit Relative Häufigkeit<br />

0 7 0,13462<br />

1 14 0,26923<br />

2 16 0,30769<br />

3 9 0,17308<br />

4 4 0,07692<br />

5 1 0,01923<br />

6 0 0<br />

7 1 0,01923<br />

8 0 0<br />

Wie groß ist der Mittelwert?<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 22


Poisson-Verteilung<br />

Anzahl Unfälle Häufigkeit Relative Häufigkeit<br />

0 7 0,13462<br />

1 14 0,26923<br />

2 16 0,30769<br />

3 9 0,17308<br />

4 4 0,07692<br />

5 1 0,01923<br />

6 0 0<br />

7 1 0,01923<br />

8 0 0<br />

µ = (0⋅ 7 + 1⋅ 14 + 2⋅ 16 + 3⋅ 9 + 4⋅ 4 + 5⋅ 1+ 6⋅ 0 + 7 ⋅ 1+ 8⋅ 0) / 52 = 1,94<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 23


Poisson-Verteilung<br />

Betrachte die Anzahl der Unfälle an der Kreuzung über ein Jahr:<br />

Poissonverteilt?<br />

Anzahl Unfälle Häufigkeit Relative Häufigkeit Poissonwahr.<br />

0 7 0,13462 0,144<br />

1 14 0,26923 0,279<br />

2 16 0,30769 0,270<br />

3 9 0,17308 0,175<br />

4 4 0,07692 0,085<br />

5 1 0,01923 0,033<br />

6 0 0 0,011<br />

7 1 0,01923 0,003<br />

8 0 0 0,001<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 24


Poisson-Verteilung<br />

Unfallwahrscheinlichkeit<br />

0,30<br />

0,25<br />

0,20<br />

0,15<br />

0,10<br />

0,05<br />

Relative Häufigkeit<br />

Anzahl Unfälle<br />

Poissonwahrscheinlichkeit<br />

für erwartete 1,92 Unfälle<br />

Übereinstimmung gut?<br />

0,00<br />

0 1 2 3 4 5 6 7 8<br />

Anzahl der Unfälle<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 25


Zusammenhang der Poisson- und Normalverteilung<br />

Poisson-<br />

Verteilung<br />

diskret<br />

Parameter µ = σ 2<br />

P(x)<br />

Gauss-Verteilung<br />

Normal-Verteilung<br />

kontinuierlich<br />

Parameter: µ, σ<br />

µ ∞<br />

µ = n p<br />

G (x)<br />

29.09.2003 Vorlesung 5 44<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 26


Zusammenhang der Verteilungen<br />

Bernoulli - Verteilung<br />

diskret<br />

Parameter: n=1, p<br />

Binomial-Verteilung<br />

diskret<br />

Parameter: n, p<br />

Bi (x)<br />

n ∞<br />

p 0<br />

Poisson - Verteilung<br />

diskret<br />

Parameter µ = σ 2<br />

P(x)<br />

n ∞<br />

p const.<br />

Gauß - Verteilung<br />

Normal - Verteilung<br />

kontinuierlich<br />

Parameter: µ, σ<br />

G (x)<br />

µ ∞<br />

µ = n p<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 27


Zusammenhang der Verteilungen<br />

Ist die Population endlich ?<br />

JA<br />

NEIN<br />

Ist n groß ?<br />

Ist n·p > 9 ?<br />

JA<br />

NEIN<br />

JA<br />

NEIN<br />

Hypergeometrisch Gauß Poisson<br />

Binomial<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 28


Gewichtete Mittelwerte<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 29


Spannendes aus der Wahlforschung…<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 30


Spannendes aus der Wahlforschung…<br />

Man nimmt fünf Messergebnisse, jedes mit seinem Fehler.<br />

Man bestimmt daraus den Mittelwert.<br />

Der resultierende Mittelwert hat keinen Fehler mehr ?!?<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 31


Gewichtete Mittelwerte<br />

Problem: Zusammenfassung von Messergebnissen<br />

Zwei Arbeitsgruppen A und B mit unterschiedlichen Versuchsmethoden<br />

X<br />

X<br />

=<br />

=<br />

X<br />

X<br />

A<br />

B<br />

±<br />

±<br />

σ<br />

σ<br />

A<br />

B<br />

Zusammenfassen zu einem Messwert.<br />

Wenn x A - x B größer als die Summe der beiden Standardabweichungen,<br />

dann einer der Messungen misstrauen.<br />

Die Messergebnisse sind inkonsistent.<br />

Annahme die Messwerte seien konsistent.<br />

Welchen Wert besitzt der Bestwert?<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 32


Erster naheliegender Gedanke:<br />

Gewichtete Mittelwerte<br />

(x A + x B )/2<br />

Ungeeignet, wenn die beiden Standardfehler unterschiedlich sind.<br />

Bei obiger Mittelung haben beide Messergebnisse das gleiche Gewicht, obwohl<br />

bei einer der Messungen der Mittelwert genauer ist als bei der anderen<br />

Annahme beide Messungen folgen einer Gauß-Verteilung<br />

G<br />

M<br />

( X )<br />

A<br />

( X A −M<br />

)<br />

−<br />

1 2<br />

2σ<br />

A<br />

A<br />

2<br />

∝ e<br />

GM<br />

( X<br />

B<br />

)<br />

σ<br />

∝<br />

σ<br />

( X B −M<br />

)<br />

−<br />

1 2<br />

2σ<br />

B<br />

B<br />

e<br />

2<br />

Die Wahrscheinlichkeit, dass A den Messwert X A und B den Wert X B findet,<br />

ist das Produkt der Wahrscheinlichkeiten.<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 33


G<br />

M<br />

( X )<br />

A<br />

Annahme beide Messungen folgen einer Gauß-Verteilung<br />

( X A −M<br />

)<br />

−<br />

1 2<br />

2σ<br />

A<br />

A<br />

Gewichtete Mittelwerte<br />

2<br />

∝ e<br />

GM<br />

( X<br />

B<br />

)<br />

σ<br />

σ<br />

( X B −M<br />

)<br />

−<br />

1 2<br />

2σ<br />

B<br />

Die Wahrscheinlichkeit, dass A den Messwert X A und B den Wert X B findet,<br />

ist das Produkt der Wahrscheinlichkeiten.<br />

∝<br />

B<br />

e<br />

2<br />

X A<br />

X B<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 34


Gewichtete Mittelwerte<br />

Aus:<br />

erhalten wir<br />

mit<br />

( − )<br />

( − )<br />

2 2<br />

B<br />

−<br />

2 2<br />

A<br />

σ B<br />

X A M X M<br />

−<br />

1 2σ<br />

1 2<br />

M ( A ) ∝<br />

und<br />

M ( B ) ∝<br />

σ<br />

A<br />

σ<br />

B<br />

G X e G X e<br />

1<br />

GMges = GM ( X<br />

A ) ⋅GM ( X<br />

B ) ∝ e<br />

σ σ<br />

χ<br />

2<br />

2 2<br />

⎛ X − M ⎞ ⎛ X − M ⎞<br />

A<br />

B<br />

= ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟<br />

⎝ σ<br />

A ⎠ ⎝ σ<br />

B ⎠<br />

A<br />

B<br />

2<br />

χ<br />

−<br />

2<br />

Die Abkürzung "CHI-Quadrat" ist die Summe der Quadrate der Abweichungen der beiden<br />

Messwerte von M,<br />

jeweils dividiert durch die entsprechende Unsicherheit.<br />

M ist der zu suchende Bestwert, dessen Wahrscheinlichkeit maximal ist,<br />

oder was identisch ist, dessen χ 2 minimal ist.<br />

Minimierung der "Summe der Quadrate" oder<br />

Methode der kleinsten Quadrate<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 35


Gewichtete Mittelwerte<br />

χ<br />

2<br />

2 2<br />

⎛ X − M ⎞ ⎛ X − M ⎞<br />

A<br />

B<br />

= ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟<br />

⎝ σ<br />

A ⎠ ⎝ σ<br />

B ⎠<br />

Differenzieren nach M und Ableitung gleich Null setzen.<br />

∂ 2 X<br />

A<br />

M X M<br />

2 2 0<br />

M χ −<br />

−<br />

= − − =<br />

∂<br />

σ σ<br />

B<br />

2 2<br />

A<br />

B<br />

Auflösen nach M ergibt den Bestwert:<br />

M<br />

=<br />

x Best<br />

=<br />

X A<br />

X<br />

2<br />

σ +<br />

A<br />

σ<br />

1 1<br />

2 2<br />

σ + σ<br />

A<br />

B<br />

2<br />

B<br />

B<br />

Übersichtlichere Schreibweise mit den Abkürzungen:<br />

X<br />

Best<br />

=<br />

w<br />

A<br />

X<br />

w<br />

A<br />

A<br />

+<br />

+<br />

Allgemeine Formulierung<br />

w<br />

w<br />

B<br />

B<br />

X<br />

B<br />

X<br />

Best<br />

w<br />

A<br />

N<br />

∑<br />

=<br />

i=<br />

1<br />

=<br />

N<br />

∑<br />

i=<br />

1<br />

X<br />

1<br />

σ<br />

i<br />

w<br />

w<br />

i<br />

2<br />

A<br />

i<br />

und<br />

w<br />

B<br />

=<br />

1<br />

σ<br />

2<br />

B<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 36


Gewichtete Mittelwerte - Beispiel<br />

Messung des Ohm´schen Widerstandes durch 3 Studenten<br />

(Ergebnisse in Ohm)<br />

R 1 = 11± 1, R 2 = 12 ± 1, R 3 = 10 ± 3<br />

w 1 =1, w 2 = 1 und w 3 = 1/9<br />

R<br />

Best<br />

=<br />

3<br />

⎛ 1 ⎞<br />

w ( 1⋅11) + ( 1⋅12)<br />

+ ⎜ ⋅10<br />

iRi<br />

⎟<br />

= 1<br />

=<br />

⎝ 9 ⎠<br />

= 11. 42Ω<br />

3<br />

⎛ 1 ⎞<br />

∑w<br />

⎜1<br />

+ 1 +<br />

i<br />

⎟<br />

i=<br />

1<br />

⎝ 9 ⎠<br />

∑<br />

i<br />

Wie groß ist der Fehler von R Best ?<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 37


Gewichtete Mittelwerte - Beispiel<br />

R<br />

∂ R<br />

Best<br />

Best<br />

∂ R<br />

i<br />

=<br />

=<br />

w R<br />

1<br />

+ w<br />

w + w + w<br />

w<br />

w + w + w<br />

1<br />

1<br />

1<br />

i<br />

2<br />

2<br />

R<br />

2<br />

2<br />

3<br />

+ w<br />

3<br />

3<br />

R<br />

3<br />

und<br />

σ<br />

2<br />

R<br />

i<br />

=<br />

1<br />

w<br />

i<br />

σ<br />

2<br />

⎛ ∂ R ⎞<br />

2<br />

⎛<br />

Best<br />

∂ R ⎞<br />

2<br />

⎛<br />

Best<br />

∂ R ⎞<br />

Best<br />

= ⎜<br />

R1<br />

R2<br />

R<br />

⎟ σ +<br />

⎜<br />

+<br />

1<br />

R<br />

⎟ σ<br />

⎜<br />

2<br />

R<br />

⎟ σ<br />

⎝ ∂ ⎠ ⎝ ∂ ⎠ ⎝ ∂<br />

3 ⎠<br />

R Best<br />

+<br />

=<br />

⎛ w1<br />

⎜<br />

⎝ w1<br />

+ w2+<br />

w<br />

3<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

2<br />

1<br />

w<br />

1<br />

⎛ w ⎞<br />

2<br />

+<br />

⎜<br />

w1<br />

w2<br />

w<br />

⎟<br />

⎝ + +<br />

3 ⎠<br />

2<br />

2<br />

1<br />

w<br />

2<br />

2<br />

2<br />

R<br />

⎛ w3<br />

+<br />

⎜<br />

⎝ w1+<br />

w2+<br />

w3<br />

3<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎠<br />

2<br />

1<br />

w<br />

3<br />

=<br />

w + w + w<br />

( w + w w ) 2<br />

1<br />

1<br />

2<br />

2<br />

3<br />

3<br />

Allgemeine Formulierung:<br />

σ<br />

Best<br />

=<br />

1<br />

∑<br />

w<br />

i<br />

In unserem Beispiel: σ Best = (1+1+1/9) -1/2 = 0.69 Ω<br />

R = (11.42 ± 0.69) Ω<br />

T. Kießling: Auswertung von Messungen und <strong>Fehlerrechnung</strong> - Verteilungsfunktionen III: Poissonverteilung, Gewichtete Mittelwerte 09.01.2014 Vorlesung 11- 38

Hurra! Ihre Datei wurde hochgeladen und ist bereit für die Veröffentlichung.

Erfolgreich gespeichert!

Leider ist etwas schief gelaufen!