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Determinación de errores y tratamiento de datos

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Determinación de errores y tratamiento de datos
Comportamiento Mecánico de los Materiales
Antonio Miguel Posadas Chinchilla
Ingeniería de Materiales
Departamento de Física Aplicada
Facultad de Ciencias Experimentales – Universidad de Almería
DETERMINACIÓN DE ERRORES Y TRATAMIENTO DE DATOS
I. Introducción.
II. Error en una medida: determinación y expresión de errores.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Clasificación de los errores.
Exactitud, precisión y sensibilidad.
Error absoluto y error relativo.
Expresión del error.
Determinación de errores en medidas directas.
Determinación de errores en medidas indirectas.
III. Tratamiento de datos.
1. El método de los mínimos cuadrados.
2. Construcción de gráficas.
3. Interpolación en tablas.
Determinación de errores y tratamiento de datos
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Comportamiento Mecánico de los Materiales
Antonio Miguel Posadas Chinchilla
Ingeniería de Materiales
Departamento de Física Aplicada
Facultad de Ciencias Experimentales – Universidad de Almería
I. INTRODUCCIÓN
Las medidas experimentales están afectadas de cierta imprecisión en sus valores
debido a las imperfecciones del aparato de medida o a las limitaciones de nuestros
sentidos en el caso de que sean ellos los que deben registrar la información. El
valor de las magnitudes físicas se obtiene experimentalmente efectuando una
medida; ésta puede ser directa sobre la magnitud en cuestión o indirecta, es decir,
obtenida por medio de los valores medidos de otras magnitudes ligadas con la
magnitud problema mediante una fórmula física. Así pues, resulta imposible llegar a
conocer el valor exacto de ninguna magnitud, ya que los medios experimentales de
comparación con el patrón correspondiente en las medidas directas viene siempre
afectado de imprecisiones inevitables. El problema es establecer los límites dentro
de los cuales se encuentra dicho valor.
El principal objetivo de estos apuntes es presentar al estudiante algunos conceptos
básicos de la denominada Teoría de Errores; con ello, se pretende que el alumno se
desenvuelva con agilidad en las diversas prácticas, permitiéndole reconocer los
factores que influyen en el error, así como el cálculo del mismo. Además, se
ofrecen algunas nociones sobre tratamiento de datos que incluye el ajuste de
rectas mediante el método de mínimos cuadrados.
II. ERROR EN UNA MEDIDA Y DETERMINACIÓN
ERRORES.
Y EXPRESIÓN DE
1. Clasificación de los errores
El error se define como la diferencia entre el valor verdadero y el obtenido
experimentalmente. Los errores no siguen una ley determinada y su origen est en
múltiples causas. Atendiendo a las causas que los producen, los errores se pueden
clasificar en dos grandes grupos: errores sistemáticos y errores accidentales.
Los errores sistemáticos son aquellos que permanecen constantes a lo largo de
todo el proceso de medida y, por tanto, afectan a todas las mediciones de un modo
definido y es el mismo para todas ellas; se pueden subclasificar en errores
instrumentales, personales o por la elección del método. Los errores
instrumentales son los debidos al aparato de medida; por ejemplo, un error de
calibrado generaría este tipo de imprecisión. Los errores personales se deben a las
limitaciones propias del experimentador; así, una persona con algún problema visual
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puede cometer errores sistemáticos en la toma de ciertos datos. Finalmente, el
error en la elección del método se presenta cuando se lleva a cabo la determinación
de una medida mediante un m‚todo que no es idóneo para tal fin; por ejemplo, la
medida del tiempo de caída de un objeto por mera inspección visual.
Los errores accidentales son aquellos que se producen en las variaciones que
pueden darse entre observaciones sucesivas realizadas por un mismo operador.
Estas variaciones no son reproducibles de una medición a otra y su valor es
diferente para cada medida. Las causas de estos errores son incontrolables para el
observador. Los errores accidentales son en su mayoría de magnitud muy pequeña y
para un gran número de mediciones se obtienen tantas desviaciones positivas como
negativas. Aunque con los errores accidentales no se pueden hacer correcciones
para obtener valores más concordantes con el real, si se emplean métodos
estadísticos se puede llegar a algunas conclusiones relativas al valor más probable
en un conjunto de mediciones.
2. Exactitud, precisión y sensibilidad.
La exactitud es el grado de concordancia entre el valor verdadero y el
experimental. Un aparato es exacto si las medidas realizadas con él son todas muy
próximas al valor "verdadero" de la magnitud medida.
La precisión es el grado de concordancia entre una medida y otras de la misma
magnitud realizadas en condiciones sensiblemente iguales. Un aparato es preciso
cuando la diferencia entre diferentes medidas de una misma magnitud sean muy
pequeñas.
La sensibilidad de un aparato es el valor mínimo de la magnitud que es capaz de
medir. Así, si la sensibilidad de una balanza es de 5 mg significa que para masas
inferiores a la citada la balanza no presenta ninguna desviación. Normalmente, se
admite que la sensibilidad de un aparato viene indicada por el valor de la división
m s pequeña de la escala de medida.
La exactitud implica normalmente precisión, pero la afirmación inversa no es cierta,
ya que pueden existir aparatos muy precisos que posean poca exactitud debido a
los errores sistemáticos tales como error de cero, etc. En general, se puede decir
que es más fácil conocer la precisión de un aparato que su exactitud.
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3. Error absoluto y error relativo
El error absoluto en una medida x de determinada magnitud es la diferencia entre
dicho valor y el valor verdadero de la medida; se notará por ∆x y, por tanto, su
expresión es:
∆x = x − x 0
donde x0 representa el valor verdadero de la medida. El error absoluto cuantifica
la desviación en términos absolutos respecto al valor verdadero. No obstante, en
ocasiones es más interesante resaltar la importancia relativa de esa desviación. Por
ello, se define el error relativo como el cociente entre el error absoluto y el valor
verdadero; notándolo por ε su expresión es:
ε=
∆x
x0
y suele expresarse porcentualmente sin más que multiplicar por 100.
4. Expresión del error
En Física, presentar una medida experimental significa dar el valor de dicha
cantidad y expresar cual es su error; no tiene sentido establecer un determinado
valor si no se acota debidamente el mismo. Así, la expresión correcta de una
medida debe ser:
x ± ∆x
Dado el significado de cota de imprecisión que tiene el error absoluto, éste
siempre se expresa con una única cifra significativa, es decir, con el primer dígito
comenzando por la izquierda distinto de cero; este número ser redondeado por
exceso en una unidad si la segunda cifra significativa es 5 o mayor de 5. Este
convenio de expresión del error encuentra dos excepciones: que la primera cifra
significativa sea un 1 o que siendo la primera un 2, la segunda no llega 5; en estos
casos, el error vendrá dado por las dos primeras cifras significativas,
procediéndose al redondeo de la segunda en el mismo sentido que ya se ha
explicado.
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Hay que resaltar que el valor de una magnitud debe tener el mismo orden decimal
que el error absoluto. Esto es razonable dado que no tendría sentido encontrar el
valor de una magnitud con un grado de precisión superior al del error de la medida.
Así, no podemos medir décimas de milímetro con una regla cuya sensibilidad es del
milímetro. Finalmente, se acepta como criterio que si el valor de una medida es
leído de una tabla u otro lugar, sin indicación de su error, se tomará como error
una unidad del orden de la última cifra con que se expresa; por ejemplo, si en una
tabla aparece que el valor de una medida es de 0.056 sin ninguna indicación de
error, se conviene en que el mismo es de ±0.001. En la siguiente tabla se dan
distintos ejemplos.
Valores incorrectos
Valores correctos
3.418 ± 0.123
3.42 ± 0.12
6.3 ± 0.09
6.30 ± 0.09
46288 ± 1551
46300 ± 1600
428.351 ± 0.27
428.4 ± 0.3
0.01683 ± 0.0058
0.017 ± 0.006
5. Determinación de errores en medidas directas.
Como ya se ha explicado, cuando se realice la medida de cualquier magnitud hay que
indicar el error asociado a la misma. Dado que no conocemos el valor verdadero de
la magnitud que deseamos medir, se siguen ciertos procedimientos para hacer una
estimación del mismo y de su cota de error.
Con el fin de alcanzar cierta validez estadística en los resultados de las medidas es
muy conveniente repetir varias veces su determinación; por convenio, se ha
establecido en 3 este número mínimo. No obstante, es posible que en alguna ocasión
no tenga sentido llevar a cabo estas repeticiones, en cuyo caso se considera que el
error absoluto coincide con el valor de la sensibilidad del aparato utilizado para
realizar la medida. En el caso habitual, cuando son 3 las medidas tomadas, pueden
presentarse poco o muy dispersas y en función de esta dispersión ser conveniente
aumentar o no el número de determinaciones del valor de la magnitud. Para decidir
el número determinaciones del valor de una magnitud física que se desea medir se
sigue el siguiente procedimiento: se realizan las 3 mediciones xi de la magnitud en
cuestión y se calcula su valor medio:
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3
x3 =
∑x
i
i =1
3
A continuación se determina su dispersión D, esto es, la diferencia entre los
valores extremos de las medidas:
D = x máx imo − x mín imo
Finalmente, se obtiene el tanto por ciento de dispersión, T, que viene dado por:
T = 100 ⋅
D
x3
Con estos parámetros se pasa al siguiente cuadro que establece la casuística que
puede darse; S representa la sensibilidad del aparato de medida, D6 es la
dispersión para seis medidas y N el número de medidas necesarias en cada caso.
Así, por ejemplo, si se ha obtenido que la dispersión es mayor que la sensibilidad y
el tanto por ciento de dispersión está comprendido entre el 2% y el 8%, son
necesarias 6 medidas; el valor verdadero queda establecido en la media aritmética
de las 6 medidas y su error corresponde al máximo de entre la dispersión de las
seis medidas dividido por 4 o la sensibilidad.
D
D<S
D>S
T
T ≤ 2%
2% ≤ T ≤ 8%
8% ≤ T ≤ 15%
15% ≤ T
N
3
3
6
15
> 50
x0
N
xN =
∑x
i =1
i
∆x
S
S
máx {D6/4, S }
N
N
∆x =
∑ (x
i
− xN )2
i =1
N ⋅ ( N − 1)
Si se han realizado 15 o más medidas, en realidad se está buscando que el conjunto
de las mismas sea una distribución gaussiana o normal, en cuyo caso, el error que se
considera corresponde con el error cuadrático medio (ECM) o desviación standard;
el significado de este parámetro puede encontrarse en cualquier volumen de
estadística básica aunque podemos sintetizarlo de forma cuantitativa como sigue.
En el intervalo:
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x − ECM <
x < x + ECM
se encuentra el 68,3% de las medidas realizadas en una gran serie de las mismas.
De igual forma, es posible demostrar que en el intervalo:
x − 2 ⋅ ECM <
x
< x + 2 ⋅ ECM
se encuentra el 95,4% de las medidas realizadas. Por último, en el intervalo:
x − 3 ⋅ ECM <
x < x + 3 ⋅ ECM
se encuentra el 99,7% de las medidas realizadas en una gran serie de las mismas.
6. Determinación de errores en medidas indirectas.
Como ya se ha indicado, la medida indirecta de una magnitud se alcanza por
aplicación de una fórmula a un conjunto de medidas directas, (variables
independientes o datos), que las relacionan con la magnitud problema. Mediante
dicha fórmula se obtiene también el error de la medida. Debe tenerse muy
presente que si en la expresión matemática que relaciona las magnitudes aparecen
números irracionales (tales como π o e) se deben elegir con un número de cifras
significativas que no afecten a la magnitud del error absoluto de la magnitud que
queremos determinar. En cualquier caso, esta elección determinará el valor del
error asignado a dicha constante; en muchas ocasiones, sobre todo cuando se
trabaja con calculadora u ordenador, lo más conveniente es tomar todos los
decimales que aparecen para el número en cuestión: de esta manera, su error es
muy pequeño y puede despreciarse frente a los del resto de las magnitudes que
intervengan.
El procedimiento para determinar el error de la medida hecha de manera indirecta
es el siguiente. Supongamos que la magnitud F es función de otras magnitudes
físicas, estando relacionadas con ellas por la expresión genérica:
F = f ( x1 , x 2 ,..., x N )
Supongamos, además, que se han realizado medidas de las variables, xi, y se han
determinado su valor y su error. Se obtiene la diferencial total de F en función de
las diferenciales de las variables xi:
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dF =
N
∂F
∂F
∂F
∂F
dx1 +
dx 2 + ... +
dx N = ∑
dx i
∂x1
∂x 2
∂x N
i =1 ∂x i
A continuación se asimilan las diferentes diferenciales a los errores absolutos y
además consideramos que en el cálculo del error de F debemos ponernos en el caso
más desfavorable, es decir, el error mayor posible; así, se tomarán los valores
absolutos de las derivadas parciales con el fin de tener una suma de términos
positivos. Por tanto, el error en F viene dado por:
N
∆F = ∑
i =1
∂F
∆x i
∂xi
En el caso en el que la función considerada sea de la forma:
N
F = ∏ x iα i
i =1
con αi constantes positivas o negativas, se presenta una notable simplificación si se
procede a tomar logaritmos neperianos antes de llevar a cabo el análisis anterior.
En efecto, si se lleva a cabo esta operación se tiene que:
 N
ln F = ln ∏ x iα i
 i =1

 =

N
∑α
i
ln x i
i =1
de donde, obteniendo su diferencial:
d (ln F ) =
N
∑α
i
d (ln x i )
i =1
Ahora, teniendo en cuenta la diferencial del logaritmo neperiano, se concluye que:
N
dx
dF
= ∑α i i
F
xi
i =1
Finalmente, asimilando de nuevo los diferenciales totales a los errores absolutos se
obtiene:
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N
∆x
∆F
= ∑ αi i
F
xi
i =1
que en función del error relativo quedaría:
∆F = F
N
∑α
i
⋅εi
i =1
El siguiente ejemplo sirve para ver de forma práctica las actuaciones descritas
hasta aquí. Supongamos que se quiere determinar el volumen de un cilindro; para
ello, puesto que este parámetro viene dado por:
V = πr 2 h
se procederá a calcular el radio r y la altura h del cuerpo. Supongamos que tales
valores son r = 5.00 ± 0.05 y h = 100.0 ± 0.5. Entonces, el volumen vale V =
7853.9816.... . Para expresar correctamente este resultado hay que determinar
cuanto vale su error; así, se calcula el valor de la diferencial de V:
dV = 2πrh dr
+ πr 2 dh
y se sustituyen los diferenciales por errores:
∆V = 2πrh ∆r
+ πr 2 ∆h
de donde obtenemos que ∆V = 196.34954.... Por tanto, el resultado de la medición
del volumen es V = 7900 ± 200.
III. TRATAMIENTO DE LOS DATOS
En muchas ocasiones, los resultados obtenidos de los datos se interpretan mejor
con ayuda de una representación gráfica. Además, este procedimiento muestra una
tendencia que permite estimar los valores en otros puntos diferentes a los
experimentales o demuestra una determinada relación matemática entre las
variables representadas. Por ello, conviene exponer el método de ajuste de datos
más frecuente, el de mínimos cuadrados, y resumir las características que debe
tener una buena gráfica. Para acabar, es muy posible que a menudo encontremos
datos en unas tablas y no se encuentre en ellas el valor exacto en el que estamos
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interesados; para tal fin, se exponen las reglas de interpolación básica en tablas de
simple o doble entrada.
1. El Método de Mínimos Cuadrados.
Con frecuencia, se plantea el problema de encontrar una expresión matemática y =
f(x) de la ley física que rige el comportamiento de un determinado fenómeno a
partir de una serie de N medidas (xi, yi) de las magnitudes x e y que lo
caracterizan. En este apartado se estudiará el caso de que la representación
gráfica del fenómeno estudiado proporcione una distribución de los puntos
experimentales en forma prácticamente lineal; esto debe interpretarse como la
dependencia lineal de las dos variables físicas y, por ello, es necesario determinar
la ecuación de la recta que será la expresión de la ley física que rige el fenómeno
estudiado. El método más frecuente para llevar a cabo este ajuste se denomina de
mínimos cuadrados.
Se pretende, por tanto, encontrar una recta y = ax + b de forma que se ajuste lo
mejor posible a los datos experimentales. Ahora bien, esta bondad de ajuste puede
establecerse de varias maneras. El método de mínimos cuadrados toma como mejor
ajuste aquel que hace mínima la siguiente cantidad:
N
N
i =1
i =1
∑ ( y i − y teórico ) 2 =∑ ( y i − axi − b) 2
Observe que los parámetros que determinan la recta son su pendiente a y su
ordenada en el origen b. Por tanto, estamos frente a un problema de extremos que
depende de las variables a y b. Es condición necesaria entonces que:
N
∂ ∑ ( yi − axi − b) 2
i =1
∂a
=0
N
∂ ∑ ( yi − axi − b) 2
i =1
∂b
=0
Se tienen pues dos ecuaciones con dos incógnitas, a y b; resolviendo se obtiene que:
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N
∑ 2 (y
i
− ax i − b) (− xi ) = 0
i
− ax i − b) (−1) = 0
i =1
N
∑ 2 (y
i =1
de forma que despejando a y b adecuadamente se llega a:
N
a=
b=
N
N
∑ xi ∑ y i − N ∑ x i y i
i =1
i =1
i =1
2
N


 ∑ x i  − N ∑ x i2
i =1
 i =1 
N
N
N
i =1
i =1
N
N
i =1
i =1
∑ xi ∑ xi y i − ∑ y i ∑ xi2
2
N
 N 
 ∑ x i  − N ∑ x i2
i =1
 i =1 
De estas expresiones es posible encontrar el valor del error en cada parámetro:
N
∆a =
∑(y
i
− ax i − b) 2
i =1
N
( N − 2) ∑ ( xi − x )
2
i =1
∆b =
 N
 ∑ ( y i − axi − b) 2
 i =1

( N − 2)


 
 
⋅ 1 +
 N
 
 
x
N
∑ (x
i =1
i
2
− x)
2






Además de los valores de pendiente y ordenada en el origen sería interesante
obtener algún factor que cuantificara la bondad del ajuste; esto permitiría
comparar los resultados de diferentes ajustes; este factor se denomina
coeficiente de correlación lineal "r". La expresión de r es:
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r=
N
N
i =1
i =1
N
N ∑ x i y i −∑ x i ∑ y i
i =1
N



 N ∑ x i2 − (∑ x i ) 2  N ∑ y i2 − (∑ y i ) 2 
i =1
i =1

 i =1
 i =1
N
N
N
Puede probarse que el valor de r está acotado en valor absoluto entre 0 y 1, siendo
tanto mejor el ajuste cuanto más cercano a la unidad sea r.
Como ejemplo de aplicación del método de mínimos cuadrados supongamos un
experimento en el que se mide el alargamiento de un muelle debido a la acción de
una pesa; se trata de comprobar la ley de Hooke. Los datos que se han obtenido
son:
Medida
“x”
“y”
mi
número “i”
li
1
42.0
2
2
48.4
4
3
51.3
6
4
56.3
8
5
58.6
10
Esta tabla puede ser tratada para encontrar las sumatorias oportunas como sigue:
Medida
número
"i"
"x"
li
"y"
Mi
l i2
mi l i
1
42.0
2
1764
84
2
48.4
4
2342.56
194
3
51.3
6
2631.69
308
4
56.3
8
3169.69
450
5
58.6
10
3433.96
586
N=5
∑ l = 256.6
i
∑m
i
= 30
∑m
2
i
= 13341.9
∑m l
i i
= 1622
de donde ahora, fácilmente, obtenemos que:
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a=
N
b =
∑
i =1
N
N
N
∑ m i ∑ l i − N ∑ mi l i
i =1
i =1
i =1
2
N


 ∑ mi  − N ∑ mi2
i =1
 i =1 
N
N
m i ∑ m ili −
i =1
2
N
∑
i =1


 ∑ mi  − N
 i =1

N
= 0.47463
N
l i ∑ m i2
i =1
N
∑
= − 18 . 3579
m i2
i =1
Además se tiene que ∆a = ±0.04 y ∆b = ±2.2. Así pues, concluimos:
a = 0.47 ± 0.04
b = −18.4 ± 2.1
Finalmente, con los valores de a y b puede realizarse una representación gráfica;
en efecto, basta tomar dos puntos cualesquiera que pertenezcan a la recta para
poder dibujarla. El aspecto de la gráfica sería, por tanto, como el de la figura.
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2. Construcción de gráficas
La representación gráfica de los fenómenos físicos que estudiemos deben
ajustarse a 1as siguientes normas de uso general que clarifican y estandarizan los
resultados. Se pueden enumerar como sigue:
a) Las gráficas se harán en papel milimetrado con 1os ejes bien trazados y en cuyos
extremos se indique 1a magnitud representada en ellos y 1a unidad en que ha sido
medida. El título de la gráfica será claro y vendrá indicado en la parte superior.
b) La variable independiente del fenómeno debe ir representada en abscisas y la
dependiente en ordenadas.
c) Las escalas, sobre ambos ejes, han de permitir una lectura r pida y sencilla. Para
ello se elegirán las escalas con intervalos de medida adecuados.
d) Las escalas deben abarcar todo el intervalo de medidas realizadas y sólo el
citado intervalo.
e) Sobre los ejes solo se indican los valores correspondientes a las divisiones
enteras de la escala de forma que queden uniformemente espaciadas. En general,
no se señalan los valores correspondientes a las medidas realizadas.
f) Los valores medidos se representan sobre el papel milimetrado por el punto
correspondiente a sus dos coordenadas y rodeado por el denominado rectángulo de
error. Este tiene por base la longitud comprendida entre xi - ∆x y xi + ∆x y por
altura se extiende desde yi - ∆y hasta yi + ∆y, siendo xi e yi las coordenadas del
punto experimental. En el caso de que x o y sean despreciables en comparación con
la escala utilizada el rectángulo de error queda reducido a un simple segmento
vertical u horizontal, según el caso.
g) Las líneas que aparezcan en las gráficas representan la tendencia de los puntos
experimentales y se obtienen por medio del m‚todo de ajuste correspondiente; por
ello, han de ser líneas finas continuas pero nunca quebradas y determinadas por los
valores experimentales.
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3. Interpolación en tablas
La interpolación en tablas permite encontrar valores de las variables dependientes
para valores concretos de la variable independiente que no están explícitamente en
la tabla.
X
Y
x1
x
x2
y1
y
y2
Así, en una tabla de simple entrada para las magnitudes X e Y, se localizarán los
valores entre los que se quiere interpolar, x1 y x2, a los que corresponden y1 e y2.
Para un valor dado de x comprendido entre x1 y x2, el valor de y correspondiente
viene dado por:
y=
y 2 − y1
⋅ ( x − x1 ) + y1
x 2 − x1
y el error correspondiente es:
∆y =
y 2 − y1
⋅ ∆x
x 2 − x1
En las tablas de doble entrada para cada pareja de valores x, y se proporciona el
valor correspondiente a una tercera variable z relacionada con las dos anteriores.
Si la tabla responde al tipo:
x1
x
x2
y1
z11
y
y2
z12
z
z21
z22
donde z es el valor buscado y comprendido entre x1 y x2 e y1 e y2, entonces:
z=
z 21 − z11
z −z
(x − x1 ) + 12 11 ( y − y1 ) + z11
x 2 − x1
y 2 − y1
y el correspondiente error viene dado por:
∆z =
z 21 − z11
z − z11
∆x + 12
∆y
x 2 − x1
y 2 − y1
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