逐差法
一种常用的数据处理方法
逐差法是一种用于处理等间距测量的有序数据的数值分析方法,其基本原理是对测量数据按顺序进行逐项或固定间隔项的差分运算,以分析数据的变化趋势、检验误差或提取特定特征。
定义
逐差法是一种针对等间距测量数据的处理方法,其核心思想是对相邻或固定间隔的数据点求差,以分析其变化趋势。以线性关系为例,设,假设有一组等距的自变量:
其对应的因变量为:
其中,自变量间距为常数,即
将前组数据作为一组,后组数据为另一组,两组对应的项相差个。两组相对应的项相减,并求平均,得到:
其中,代表平均逐差值。
为了估计函数在该数据区间内的斜率b,可以利用逐差法计算平均斜率:
由于,可进一步简化为:
要采用逐差法处理数据,一般需要满足以下条件:
一般来讲,如果物理量y是x的n次幂函数,并且控制自变量x作等间距变化,则y的n次逐差是一个常量。但当函数包含高次项时,由于误差在逐差过程中累积,会影响低次项系数的精度。因此,高次项形式一般不适合采用逐差法。
意义
由于随机误差具有抵偿性,对于多次测量的结果,常用平均值来估计最佳值,以消除随机误差的影响。但是,当自变量与因变量成线性关系时,对于自变量等间距变化的多次测量,如果用求差平均的方法计算因变量的平均增量,就会使中间测量数据两两抵消,失去利用多次测量求平均的意义。逐差法是将测量得到的数据按自变量的大小顺序排列后平分为前后两组,先求出两组中对应项的差值(即求逐差),然后取其平均值。逐差法是物理实验中常用的一种数据处理方法,特别是当自变量与因变量成线性关系,而且自变量为等间距变化时,更有其独特的特点。
以拉伸法测金属丝杨氏模量实验为例,一般测量6次数据,分别用平均值法、逐差法、最小二乘法处理数据,求出线性系数b的实验标准偏差分别为:
平均值法,逐差法,最小二乘法。
可见,逐差法处理同一组实验数据时,相对一般算术平均法而言能减小线性系数b的标准偏差,相对最小二乘法而言计算过程更简单。
应用
逐差法求加速度
如图所示,设测量点的位置分别为,时间间隔为T。
在匀加速直线运动中,位移与时间平方成正比:
其中,为相应时间间隔内的位移变化,为加速度,为相邻测量点的时间间隔。
选取相隔 3T 的数据点计算加速度:
该公式表示:在相隔 3T 的两组位置点间,计算位移的差值,然后除以以求得加速度。
迈克尔逊干涉仪数据处理
调节迈克尔逊干涉仪,使其在观察屏上能看到明显的等倾干涉圆环。慢慢转动微动手轮,当干涉环中心调至最亮(或最暗),记下此时M1的位置读数d1,沿着同一方向继续缓慢转动微调手轮,当条纹“ 冒”出或“缩”进的变化数为时,记下M1的位置读数d2,继续转动微调手轮,连续读取12个数据,数据记录见下图。
用第次的读数和第次的读数分别相减,得
所以有:
激光的波长:
与氦氖激光的波长理论值作比较,得相对误差为:。
与最小二乘法比较
当满足最小二乘法直线拟合的前提及基本假定时,用逐差法求得的斜率B估计值b′虽然不是B的方差最小最佳估值,但也是一个较好的估值,因其方差已接近最佳估值b的方差。从这一点可以推论,方差σ2未知时,用逐差法拟合求得的残差平方和Q’也接近最小二乘法求得的极小值Q。
尽管由最小二乘法得到的残差平方和最小,但由于逐差法只需用简单的代数运算就可以得到相应的结果,因此物理实验教学中全部以最小二乘法取代逐差法是不妥的。
参考资料
最新修订时间:2025-04-16 10:03
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概述
定义
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