En estadística , la propagación de la incertidumbre es el efecto de las incertidumbres de las variables sobre la incertidumbre de una función basada en ellas. Cuando las variables son valores de mediciones experimentales, presentan incertidumbres debidas a limitaciones de medición (por ejemplo, precisión del instrumento ), las cuales se propagan debido a la combinación de variables en la función.
La incertidumbre u puede expresarse de diversas maneras. Puede definirse mediante el error absoluto Δx . Las incertidumbres también pueden definirse mediante el error relativo (Δx ) / x , que generalmente se expresa como un porcentaje. Lo más común es cuantificar la incertidumbre de una magnitud en términos de la desviación estándar σ , que es la raíz cuadrada positiva de la varianza . El valor de una magnitud y su error se expresan entonces como un intervalo x ± u . Sin embargo, la forma más general de caracterizar la incertidumbre es especificando su distribución de probabilidad . Si se conoce o se puede asumir la distribución de probabilidad de la variable, en teoría es posible obtener cualquiera de sus estadísticas. En particular, es posible derivar límites de confianza para describir la región dentro de la cual se puede encontrar el verdadero valor de la variable. Por ejemplo, los límites de confianza del 68% para una variable unidimensional perteneciente a una distribución normal son aproximadamente ± una desviación estándar σ del valor central x , lo que significa que la región x ± σ cubrirá el valor verdadero en aproximadamente el 68% de los casos.
Si las incertidumbres están correlacionadas , entonces debe tenerse en cuenta la covarianza . La correlación puede surgir de dos fuentes diferentes. Primero, los errores de medición pueden estar correlacionados. Segundo, cuando los valores subyacentes están correlacionados en una población, las incertidumbres en los promedios del grupo estarán correlacionadas. [ 1 ]
En un contexto general donde una función no lineal modifica los parámetros inciertos (correlacionados o no), las herramientas estándar para propagar la incertidumbre e inferir la distribución de probabilidad/estadísticas de la cantidad resultante son las técnicas de muestreo de la familia del método de Monte Carlo . [ 2 ] Para conjuntos de datos muy grandes o funciones complejas, el cálculo de la propagación del error puede ser muy costoso, por lo que puede ser necesario un modelo sustituto [ 3 ] o una estrategia de computación paralela [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] .
En algunos casos particulares, el cálculo de la propagación de la incertidumbre puede realizarse mediante procedimientos algebraicos sencillos. Algunos de estos escenarios se describen a continuación.
Combinaciones lineales
Dejarsea un conjunto de m funciones, que son combinaciones lineales devariablescon coeficientes de combinación: o en notación matricial,
Además, sea la matriz de varianza-covarianza de x = ( x 1 , ..., x n ) denotada pory sea el valor medio denotado por: es el producto exterior .
Luego, la matriz de varianza-covarianzade f viene dado por
En notación de componentes, la ecuación lecturas
Esta es la expresión más general para la propagación de errores de un conjunto de variables a otro. Cuando los errores en x no están correlacionados, la expresión general se simplifica a dóndees la varianza del k -ésimo elemento del vector x . Nótese que, aunque los errores en x pueden no estar correlacionados, los errores en f están generalmente correlacionados; en otras palabras, incluso sies una matriz diagonal ,En general, es una matriz completa.
Las expresiones generales para una función escalar f son un poco más sencillas (aquí a es un vector fila ):
Cada término de covarianzapuede expresarse en términos del coeficiente de correlaciónpor, de modo que una expresión alternativa para la varianza de f es
En el caso de que las variables en x no estén correlacionadas, esto se simplifica aún más a
En el caso simple de coeficientes y varianzas idénticos, encontramos
Para la media aritmética,, el resultado es el error estándar de la media :
Combinaciones no lineales
Cuando f es un conjunto de combinaciones no lineales de las variables x , se puede realizar una propagación de intervalos para calcular intervalos que contengan todos los valores consistentes de las variables. En un enfoque probabilístico, la función f generalmente debe linealizarse mediante una aproximación a una expansión en serie de Taylor de primer orden , aunque en algunos casos se pueden derivar fórmulas exactas que no dependen de la expansión, como es el caso de la varianza exacta de los productos. [ 7 ] La expansión de Taylor sería: dóndedenota la derivada parcial de f k con respecto a la i -ésima variable, evaluada en el valor medio de todos los componentes del vector x . O en notación matricial , donde J es la matriz jacobiana . Dado que f 0 es una constante, no contribuye al error en f. Por lo tanto, la propagación del error sigue el caso lineal, arriba, pero reemplazando los coeficientes lineales, A ki y A kj por las derivadas parciales,y. En notación matricial, [ 8 ]
Es decir, el jacobiano de la función se utiliza para transformar las filas y columnas de la matriz de varianza-covarianza del argumento. Nótese que esto es equivalente a la expresión matricial para el caso lineal con.
Simplificación
Ignorar las correlaciones o asumir variables independientes produce una fórmula común entre ingenieros y científicos experimentales para calcular la propagación de errores, la fórmula de la varianza: [ 9 ] dónderepresenta la desviación estándar de la función,representa la desviación estándar de,representa la desviación estándar dey así sucesivamente.
Esta fórmula se basa en las características lineales del gradiente dey por lo tanto es una buena estimación para la desviación estándar demientrasson suficientemente pequeños. Específicamente, la aproximación lineal detiene que estar cerca dedentro de un vecindario de radio. [ 10 ]
Ejemplo
Cualquier función diferenciable no lineal ,, de dos variables,y, puede expandirse como Si tomamos la varianza en ambos lados y usamos la fórmula [ 11 ] para la varianza de una combinación lineal de variables entonces obtenemos dóndees la desviación estándar de la función,es la desviación estándar de,es la desviación estándar deyes la covarianza entrey.
En el caso particular que,,. Entonces o dóndees la correlación entrey.
Cuando las variablesyno están correlacionados,. Entonces
Advertencias y precauciones
Las estimaciones de error para funciones no lineales presentan sesgos debido al uso de un desarrollo en serie truncado. La magnitud de este sesgo depende de la naturaleza de la función. Por ejemplo, el sesgo en el error calculado para log(1+ x ) aumenta a medida que x aumenta, ya que el desarrollo en serie hasta x es una buena aproximación solo cuando x está cerca de cero.
Para funciones altamente no lineales, existen cinco categorías de enfoques probabilísticos para la propagación de la incertidumbre; [ 12 ] véase Cuantificación de la incertidumbre para más detalles.
Recíproco y recíproco desplazado
En el caso especial del inverso o recíproco, dóndesigue una distribución normal estándar , la distribución resultante es una distribución normal estándar recíproca y no hay varianza definible. [ 13 ]
Sin embargo, en el caso ligeramente más general de una función recíproca desplazadaparasiguiendo una distribución normal general, entonces las estadísticas de media y varianza existen en un sentido de valor principal , si la diferencia entre el poloy la mediaes de valor real. [ 14 ]
Relaciones
Las proporciones también son problemáticas; existen aproximaciones normales bajo ciertas condiciones.
Fórmulas de ejemplo
Esta tabla muestra las varianzas y desviaciones estándar de funciones simples de las variables reales.con desviaciones estándarcovarianzay correlaciónLos coeficientes de valor realyse supone que se conocen exactamente (deterministas), es decir,
En las columnas de la derecha de la tabla,yson valores esperados yes el valor de la función calculado en esos valores.
Para variables no correlacionadas (,Las expresiones para funciones más complejas se pueden derivar combinando funciones más simples. Por ejemplo, la multiplicación repetida, suponiendo que no hay correlación, da como resultado:
Para el casoTambién tenemos la expresión de Goodman [ 7 ] para la varianza exacta: para el caso no correlacionado es y por lo tanto tenemos El último término representa una pequeña corrección a la fórmula habitual, como se puede observar dividiendo ambos lados por.
Efecto de la correlación en las diferencias
Si A y B no están correlacionados, su diferencia A − B tendrá más varianza que cualquiera de ellos. Una correlación positiva creciente () disminuirá la varianza de la diferencia, convergiendo a varianza cero para variables perfectamente correlacionadas con la misma varianza . Por otro lado, una correlación negativa () aumentará aún más la varianza de la diferencia, en comparación con el caso no correlacionado.
Por ejemplo, la auto-resta f = A − A tiene varianza cero.solo si la variable está perfectamente autocorrelacionada (). Si A no está correlacionado,entonces la varianza de la salida es el doble de la varianza de la entrada,Y si A está perfectamente anticorrelacionado,entonces la varianza de entrada se cuadruplica en la salida,(avisopara f = aA − aA en la tabla anterior).
Cálculos de ejemplo
Función tangente inversa
Podemos calcular la propagación de la incertidumbre para la función tangente inversa como ejemplo del uso de derivadas parciales para propagar el error.
Definir dóndees la incertidumbre absoluta en nuestra medición de x . La derivada de f ( x ) con respecto a x es
Por lo tanto, nuestra incertidumbre propagada es dóndees la incertidumbre propagada absoluta.
Medición de resistencia
Una aplicación práctica es un experimento en el que se mide la corriente , I , y el voltaje , V , en una resistencia para determinar la resistencia , R , utilizando la ley de Ohm , R = V / I.
Dadas las variables medidas con incertidumbres, I ± σ I y V ± σ V , y despreciando su posible correlación, la incertidumbre en la cantidad calculada, σ R , es:
Véase también
- Exactitud y precisión
- Diferenciación automática
- La identidad de Bienaymé
- Método Delta
- Dilución de la precisión (navegación)
- Errores y residuos en estadística
- Análisis de incertidumbre experimental
- Elemento finito de intervalo
- Incertidumbre de medición
- Estabilidad numérica
- Análisis de límites de probabilidad
- Cuantificación de la incertidumbre
- Variable aleatoria difusa
- Varianza § Propagación
Referencias
- ↑ Kirchner, James. "Kit de herramientas para análisis de datos n.° 5: Análisis de incertidumbre y propagación de errores" (PDF) . Laboratorio de Sismología de Berkeley . Universidad de California . Consultado el 22 de abril de 2016 .
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- ↑ Ranftl, Sascha; von der Linden, Wolfgang (2021-11-13). "Análisis sustituto bayesiano y propagación de la incertidumbre" . Physical Sciences Forum . 3 (1): 6. arXiv : 2101.04038 . doi : 10.3390/psf2021003006 . ISSN 2673-9984 .
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- ↑ "Un resumen de la propagación de errores" (PDF) . pág. 2. Archivado del original (PDF) el 13 de diciembre de 2016. Consultado el 4 de abril de 2016 .
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- 1 2 Harris, Daniel C. (2003), Análisis químico cuantitativo (6.ª ed.), Macmillan, pág. 56, ISBN 978-0-7167-4464-1
- ↑ "Tutorial sobre propagación de errores" (PDF) . Foothill College . 9 de octubre de 2009. Consultado el 1 de marzo de 2012 .
Lecturas adicionales
- Bevington, Philip R.; Robinson, D. Keith (2002), Reducción de datos y análisis de errores para las ciencias físicas (3.ª ed.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-119926-1
- Fornasini, Paolo (2008), La incertidumbre en las mediciones físicas: una introducción al análisis de datos en el laboratorio de física , Springer, pág. 161, ISBN 978-0-387-78649-0
- Meyer, Stuart L. (1975), Análisis de datos para científicos e ingenieros , Wiley, ISBN 978-0-471-59995-1
- Peralta, M. (2012), Propagación de errores: cómo predecir matemáticamente los errores de medición , CreateSpace
- Rouaud, M. (2013), Probabilidad, estadística y estimación: propagación de incertidumbres en la medición experimental (PDF) ( edición corta)
- Taylor, JR (1997), Introducción al análisis de errores: El estudio de las incertidumbres en las mediciones físicas (2.ª ed.), University Science Books
- Wang, CM; Iyer, Hari K. (2005-09-07). "Sobre correcciones de orden superior para incertidumbres propagantes". Metrologia . 42 (5): 406– 410. Bibcode : 2005Metro..42..406W . doi : 10.1088/0026-1394/42/5/011 . ISSN 0026-1394 . S2CID 122841691 .
Enlaces externos
- Calculadora de incertidumbre : Cree presupuestos de incertidumbre compatibles con la norma ISO 17025 sin hojas de cálculo ni sistemas complejos.
- Una discusión detallada de las mediciones y la propagación de la incertidumbre que explica los beneficios de usar fórmulas de propagación de errores y simulaciones de Monte Carlo en lugar de la aritmética de significancia simple.
- GUM , Guía para la expresión de la incertidumbre en la medición
- EPFL Introducción a la propagación de errores , derivación, significado y ejemplos de Cy = Fx Cx Fx'
- paquete de incertidumbres , un programa/biblioteca para realizar cálculos con incertidumbres (y correlaciones de errores) de forma transparente.
- soerp package , un programa/biblioteca de Python para realizar de forma transparente cálculos de *segundo orden* con incertidumbres (y correlaciones de error).
- Comité Conjunto para Guías en Metrología (2011). JCGM 102: Evaluación de datos de medición - Suplemento 2 de la "Guía para la expresión de la incertidumbre en la medición" - Extensión a cualquier número de magnitudes de salida (PDF) (Informe técnico). JCGM . Consultado el 13 de febrero de 2013 .
- Álgebra de variables aleatorias
- Análisis numérico
- Aproximaciones estadísticas
- Desviación estadística y dispersión