有效數(shù)字 - 數(shù)字名詞
有效數(shù)字:具體地說,是指在分析工作中實際能夠測量到的數(shù)字。能夠測量到的是包括最后一位估計的,不確定的數(shù)字。我們把通過直讀獲得的準(zhǔn)確數(shù)字叫做可靠數(shù)字;把通過估讀得到的那部分?jǐn)?shù)字叫做存疑數(shù)字。把測量結(jié)果中能夠反映被測量大小的帶有一位存疑數(shù)字的全部數(shù)字叫有效數(shù)字。如上例中測得物體的長度5.15cm。數(shù)據(jù)記錄時,我們記錄的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果真值一致的數(shù)據(jù)位便是有效數(shù)字。
定義
有效數(shù)字:具體地說,是指在分析工作中實際能夠測量到的數(shù)字。所謂能夠測量到的是包括最后一位估計的,不確定的數(shù)字。有效數(shù)字指科學(xué)計算中用以表示一個浮點數(shù)精度的那些數(shù)字。一般地,指一個用小數(shù)形式表示的浮點數(shù)中,從第一個非零的數(shù)字算起的所有數(shù)字。如1.24和0.00124的有效數(shù)字都有3位。
我們把通過直讀獲得的準(zhǔn)確數(shù)字叫做可靠數(shù)字;把通過估讀得到的那部分?jǐn)?shù)字叫做存疑數(shù)字.把測量結(jié)果中能夠反映被測量大小的帶有一位存疑數(shù)字的全部數(shù)字叫有效數(shù)字.如上例中測得物體的長度4.15cm.數(shù)據(jù)記錄時,我們記錄的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果的表述中的數(shù)據(jù)便是有效數(shù)字。
產(chǎn)生
在統(tǒng)計中,18和18.00的意義卻有不同。18指的是在17.5~18.5(不包括18.5本身)之間值,而18.00則是在17.995~18.005(不包括18.005本身)之間的值。這樣就產(chǎn)生了統(tǒng)計中的有效數(shù)字問題。對于18和18.00來說,因18有兩位,其有效數(shù)字為2,而18.00,有四位有效數(shù)字。
概念
測量結(jié)果都是包含誤差的近似數(shù)據(jù),在其記錄、計算時應(yīng)以測量可能達(dá)到的精度為依據(jù)來確定數(shù)據(jù)的位數(shù)和取位。如果參加計算的數(shù)據(jù)的位數(shù)取少了,就會損害外業(yè)成果的精度并影響計算結(jié)果的應(yīng)有精度;如果位數(shù)取多了,易使人誤認(rèn)為測量精度很高,且增加了不必要的計算工作量。
一般而言,對一個數(shù)據(jù)取其可靠位數(shù)的全部數(shù)字加上第一位可疑數(shù)字,就稱為這個數(shù)據(jù)的有效數(shù)字。
一個近似數(shù)據(jù)的有效位數(shù)是該數(shù)中有效數(shù)字的個數(shù),指從該數(shù)左方第一個非零數(shù)字算起到最末一個數(shù)字(包括零)的個數(shù),它不取決于小數(shù)點的位置。
正確表示
1、有效數(shù)字中只應(yīng)保留一位欠準(zhǔn)數(shù)字,因此在記錄測量數(shù)據(jù)時,只有最后一位有效數(shù)字是欠準(zhǔn)數(shù)字。2、在欠準(zhǔn)數(shù)字中,要特別注意0的情況。0在數(shù)字之間與末尾時均為有效數(shù)字。如0.078和0.78與小數(shù)點無關(guān),均為兩位。506與220均為三位。3、л等常數(shù),具有無限位數(shù)的有效數(shù)字,在運算時可根據(jù)需要取適當(dāng)?shù)奈粩?shù)。?
具體說明
- 1實驗中的數(shù)字與數(shù)學(xué)上的數(shù)字是不一樣的.如數(shù)學(xué)的8.35=8.350=8.3500,而實驗的8.35≠8.350≠8.3500.
- 2有效數(shù)字的位數(shù)與被測量的大小和儀器的精密度有關(guān).如前例中測得物體的長度為7.45cm,若用千分尺來測,其有效數(shù)字的位數(shù)有五位.
- 3第一個非零數(shù)字前的零不是有效數(shù)字。
- 4第一個非零數(shù)字開始的所有數(shù)字 - 包括零都是有效數(shù)字。
- 5單位的變換不能改變有效數(shù)字的位數(shù).因此,實驗中要求盡量使用科學(xué)計數(shù)法表示數(shù)據(jù).如100.2m可記為0.1002km.但若用cm和mm作單位時,數(shù)學(xué)上可記為10020cm和100200mm,但卻改變了有效數(shù)字的位數(shù).采用科學(xué)計數(shù)法就不會產(chǎn)生這個問題了。
與不確定度的關(guān)系
有效數(shù)字的末位是估讀數(shù)字,存在不確定性.一般情況下不確定度的有效數(shù)字只取一位,其數(shù)位即是測量結(jié)果的存疑數(shù)字的位置;有時不確定度需要取兩位數(shù)字,其最后一個數(shù)位才與測量結(jié)果的存疑數(shù)字的位置對應(yīng)。
由于有效數(shù)字的最后一位是不確定度所在的位置,因此有效數(shù)字在一定程度上反映了測量值的不確定度 - 或誤差限值.測量值的有效數(shù)字位數(shù)越多,測量的相對不確定度越小;有效數(shù)字位數(shù)越少,相對不確定度就越大。可見,有效數(shù)字可以粗略反映測量結(jié)果的不確定度。
舍入規(guī)則
1、當(dāng)保留n位有效數(shù)字,若后面的數(shù)字小于第n位單位數(shù)字的0.5就舍掉。
2、當(dāng)保留n位有效數(shù)字,若后面的數(shù)字大于第n位單位數(shù)字的0.5,則第位數(shù)字進(jìn)1。
3、當(dāng)保留n位有效數(shù)字,若后面的數(shù)字恰為第n位單位數(shù)字的0.5,則第n位數(shù)字若為偶數(shù)時就舍掉后面的數(shù)字,若第n位數(shù)字為奇數(shù)加1。
如將下組數(shù)據(jù)保留三位
45.77=45.8??????????????????????????????43.03=43.0
38.25=38.2??????????????????????????????47.15=47.2
有效數(shù)字:是指從該數(shù)字左邊第一個非0的數(shù)字到該數(shù)字末尾的數(shù)字個數(shù)。?
運算規(guī)則
一般來講,有效數(shù)字的運算過程中,有很多規(guī)則.為了應(yīng)用方便,我們本著實用的原則,加以選擇后,將其歸納整理為如下兩類.
一般規(guī)則
- 1可靠數(shù)字之間運算的結(jié)果為可靠數(shù)字。
- 2可靠數(shù)字與存疑數(shù)字,存疑數(shù)字與存疑數(shù)字之間運算的結(jié)果為存疑數(shù)字。
- 3測量數(shù)據(jù)一般只保留一位存疑數(shù)字。
- 4運算結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)不由數(shù)學(xué)或物理常數(shù)來確定,數(shù)學(xué)與物理常數(shù)的有效數(shù)字位數(shù)可任意選取,一般選取的位數(shù)應(yīng)比測量數(shù)據(jù)中位數(shù)最少者多取一位.例如:可取=3.14或3.142或3.1416……;在公式中計算結(jié)果不能由于"2"的存在而只取一位存疑數(shù)字,而要根據(jù)m和v來決定。
- 5運算結(jié)果將多余的存疑數(shù)字舍去時應(yīng)按照"四舍六入五湊偶"的法則進(jìn)行處理.即小于等于四則舍;大于六則入;等于五時,根據(jù)其前一位按奇入偶舍處理 - 等幾率原則.例如,3.625化為3.62,4.235則化為4.24。
具體規(guī)則
? - 1有效數(shù)字相加 - 減的結(jié)果的末位數(shù)字所在的位置應(yīng)按各量中存疑數(shù)字所在數(shù)位最前的一個為準(zhǔn)來決定.例如30.426.65+4.325-3.90534.72522.745取30.4+4.325=34.7,26.65-3.905=22.74。
- 2乘 - 除運算后的有效數(shù)字的位數(shù)與參與運算的數(shù)字中有效數(shù)字位數(shù)最少的相同。
由此規(guī)則 - 2可推知:乘方,開方后的有效數(shù)字位數(shù)與被乘方和被開方之?dāng)?shù)的有效數(shù)字的位數(shù)相同。
- 3指數(shù),對數(shù),三角函數(shù)運算結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)由其改變量對應(yīng)的數(shù)位決定.例如:中存疑數(shù)字為0.08,那么=我們將的末位數(shù)改變1后比較,找出發(fā)生改變的位置就能得知。
- 4有效數(shù)字位數(shù)要與不確定度位數(shù)綜合考慮。
一般情況下,表示最后結(jié)果的不確定度的數(shù)值只保留1位,而最后結(jié)果的有效數(shù)字的最后一位與不確定度所在的位置對齊.如果實驗測量中讀取的數(shù)字沒有存疑數(shù)字,不確定度通常需要保留兩位。
但要注意:具體規(guī)則有一定適用范圍,在通常情況下,由于近似的原因,如不嚴(yán)格要求可認(rèn)為是正確的。
判斷法則
①?所有非零數(shù)字都是有效數(shù)字
②?介于非零數(shù)字之間的0是有效數(shù)字
③?有小數(shù)部分的數(shù),其非零數(shù)之后的數(shù)都是有效數(shù)字
④?用小數(shù)表示的數(shù)的左邊出現(xiàn)的0不是有效數(shù)字
⑤?整數(shù)后的0,可能是也可能不是有效數(shù)字
準(zhǔn)確測量
有效數(shù)字為了取得準(zhǔn)確的分析結(jié)果,不僅要準(zhǔn)確測量,而且還要正確記錄與計算。所謂正確記錄是指記錄數(shù)字的位數(shù)。因為數(shù)字的位數(shù)不僅表示數(shù)字的大小,也反映測量的準(zhǔn)確程度。所謂有效數(shù)字,就是實際能測得的數(shù)字?! ∮行?shù)字保留的位數(shù),應(yīng)根據(jù)分析方法與儀器的準(zhǔn)確度來決定,一般使測得的數(shù)值中只有最后一位是可疑的。例如在分析天平上稱取試樣0.5000g,這不僅表明試樣的質(zhì)量0.5000g,還表明稱量的誤差在±0.0002g以內(nèi)。如將其質(zhì)量記錄成0.50g,則表明該試樣是在臺稱上稱量的,其稱量誤差為0.02g,故記錄數(shù)據(jù)的位數(shù)不能任意增加或減少。如在上例中,在分析天平上,測得稱量瓶的重量為10.4320g,這個記錄說明有6位有效數(shù)字,最后一位是可疑的。因為分析天平只能稱準(zhǔn)到0.0002g,即稱量瓶的實際重量應(yīng)為10.4320±0.0002g,無論計量儀器如何精密,其最后一位數(shù)總是估計出來的。因此所謂有效數(shù)字就是保留末一位不準(zhǔn)確數(shù)字,其余數(shù)字均為準(zhǔn)確數(shù)字。同時從上面的例子也可以看出有效數(shù)字是和儀器的準(zhǔn)確程度有關(guān),即有效數(shù)字不僅表明數(shù)量的大小而且也反映測量的準(zhǔn)確度。
數(shù)字修約規(guī)則
處理。
對于滴定管、移液管和吸量管,它們都能準(zhǔn)確測量溶液體積到0.01mL。所以當(dāng)用50mL滴定管測定溶液體積時,如測量體積大于10mL小于50mL時,應(yīng)記錄為4位有效數(shù)字。例如寫成24.22;如測定體積小于10mL,應(yīng)記錄3位有效數(shù)字,例如寫成8.13?mL。當(dāng)用25mL移液管移取溶液時,應(yīng)記錄為25.00mL;當(dāng)用5mL吸取關(guān)系取溶液時,應(yīng)記錄為5.00mL。當(dāng)用250mL容量瓶配制溶液時,所配溶液體積應(yīng)即為250.0mL。當(dāng)用50mL容量瓶配制溶液時,應(yīng)記錄為50.00mL?! 】偠灾瑴y量結(jié)果所記錄的數(shù)字,應(yīng)與所用儀器測量的準(zhǔn)確度相適應(yīng)。數(shù)字修約規(guī)則 我國科學(xué)技術(shù)委員會正式頒布的《數(shù)字修約規(guī)則》,通常稱為“四舍六入五成雙”法則。四舍六入五考慮,即當(dāng)尾數(shù)≤4時舍去,尾數(shù)為6時進(jìn)位。當(dāng)尾數(shù)4舍為5時,則應(yīng)是末位數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù),5前為偶數(shù)應(yīng)將5舍去,5前為奇數(shù)應(yīng)將5進(jìn)位?! ∵@一法則的具體運用如下: a.?將28.175和28.165處理成4位有效數(shù)字,則分別為28.18和28.16。b.?若被舍棄的第一位數(shù)字大于5,則其前一位數(shù)字加1,例如28.2645處理成3為有效數(shù)字時,其被舍去的第一位數(shù)字為6,大于5,則有效數(shù)字應(yīng)為28.3。c.?若被舍其的第一位數(shù)字等于5,而其后數(shù)字全部為零時,則是被保留末位數(shù)字為奇數(shù)或偶數(shù)(零視為偶),而定進(jìn)或舍,末位數(shù)是奇數(shù)時進(jìn)1,末位數(shù)為偶數(shù)時不進(jìn)
1,例如28.350、28.250、28.050處理成3位有效數(shù)字時,分別為28.4、28.2、28.0?! .?若被舍棄的第一位數(shù)字為5,而其后的數(shù)字并非全部為零時,則進(jìn)1,例如28.2501,只取3位有效數(shù)字時,成為28.3?! .?若被舍棄的數(shù)字包括幾位數(shù)字時,不得對該數(shù)字進(jìn)行連續(xù)修約,而應(yīng)根據(jù)以上各條作一次處理。如2.154546?,只取3位有效數(shù)字時,應(yīng)為2.15,二不得按下法連續(xù)修約為2.16: 2.154546→2.15455→2.1546→2.155→2.16
運算規(guī)則
前面曾根據(jù)儀器的準(zhǔn)確度介紹了有效數(shù)字的意義和記錄原則,在分析計算中,有效數(shù)字的保留更為重要,下面僅就加減法和乘除法的運算規(guī)則加以討論?! .?加減法:在加減法運算中,保留有效數(shù)字的以小數(shù)點后位數(shù)最小的為準(zhǔn),即以絕對誤差最大的為準(zhǔn),例如: 0.0121+25.64+1.05782=? 正確計算不正確計算 0.01?0.0121 25.64?25.64+?1.06?+?1.0578226.71?26.70992 上例相加3個數(shù)字中,25.64中的“4”已是可疑數(shù)字,因此最后結(jié)果有效數(shù)字的保留應(yīng)以此數(shù)為準(zhǔn),即保留有效數(shù)字的位數(shù)到小數(shù)點后面第二位?! .?乘除法:乘除運算中,保留有效數(shù)字的位數(shù)以位數(shù)最少的數(shù)為準(zhǔn),即以相對位數(shù)最大的為準(zhǔn)。例如: 0.012×25.64×1.05782=? 以上3個數(shù)的乘積應(yīng)為: 0.0121×25.6×1.01=0.328 在這個計算中3個數(shù)的相對誤差分別為: E%= - ±0.0001/0.0121×100=±8 E%= - ±0.01/25.64×100=±0.04 E%=(±0.00001)/1.05782×100=±0.0009 顯然第一個數(shù)的相對誤差最大(有效數(shù)字為3位),應(yīng)以它為準(zhǔn),將其他數(shù)字根據(jù)有效數(shù)字修約原則,保留3位有效數(shù)字,然后相乘即可?! .?自然數(shù),在分析化學(xué)中,有時會遇到一些倍數(shù)和分?jǐn)?shù)的關(guān)系,如: H3PO4的相對分子量/3=98.00/3=32.67 水的相對分子量=2×1.008+16.00=18.02 在這里分母“3”和“2×1.008”中的“2”都還能看作是一位有效數(shù)字。因為它們是非測量所得到的數(shù),是自然數(shù),其有效數(shù)字位數(shù)可視為無限的?! ≡诔R姷某A糠治鲋?,一般是保留四位有效數(shù)字。但在水質(zhì)分析中,有時只要求保留2位或3位有效數(shù)字,應(yīng)視具體要求而定。
不確定度
有效數(shù)字的末位是估讀數(shù)字,存在不確定性.一般情況下不確定度的有效數(shù)字只取一位,其數(shù)位即是測量結(jié)果的存疑數(shù)字的位置;有時不確定度需要取兩位數(shù)字,其最后一個數(shù)位才與測量結(jié)果的存疑數(shù)字的位置對應(yīng)。
由于有效數(shù)字的最后一位是不確定度所在的位置,因此有效數(shù)字在一定程度上反映了測量值的不確定度(或誤差限值)。測量值的有效數(shù)字位數(shù)越多,測量的相對不確定度越?。挥行?shù)字位數(shù)越少,相對不確定度就越大.可見,有效數(shù)字可以粗略反映測量結(jié)果的不確定度。
例子:d=(10.430±0.3)是不對的,只能寫成d=(10.4±0.3)
識別有效數(shù)字
簡明規(guī)則
所有非零數(shù)字都是有效的1,2,3,4,5,6,7,8,9。
非零數(shù)字之間的零點數(shù)大于102,2005,50009。
前導(dǎo)零從不重要..0.02,1.0887,51.05。
在一個帶小數(shù)點的數(shù)字中,尾隨零(最后一個非零數(shù)字的右側(cè))是重要的.2.02000,5,400,57.5400
在沒有小數(shù)點的數(shù)字中,尾隨零可能或可能不顯著。需要通過附加圖形符號或顯式錯誤信息獲得更多信息,以澄清尾隨零的意義。
重要數(shù)字規(guī)則解釋
具體來說,編寫或解釋數(shù)字時識別有效數(shù)字的規(guī)則如下:
所有非零數(shù)字都被認(rèn)為是重要的。例如,91有兩個有效數(shù)字(9和1),而123.45有五個有效數(shù)字(1,2,3,4和5)。
出現(xiàn)在兩個非零數(shù)字之間的零點的零是很重要的。示例:101.1203有七個有效數(shù)字:1,0,1,1,2,0和3。
前導(dǎo)零并不重要。例如,0.00052有兩個有效數(shù)字:5和2。
包含小數(shù)點的數(shù)字中的尾隨零值很大。例如,12.2300有六個有效數(shù)字:1,2,2,3,0和0.數(shù)字0.000122300仍然只有六個有效數(shù)字(1之前的零不重要)。此外,120.00有五個有效數(shù)字,因為它有三個尾隨零。這個慣例澄清了這些數(shù)字的精度;例如,如果將精確到四位小數(shù)位(0.0001)的測量值給出為12.23,那么可以理解,只有兩位精度小數(shù)位可用。將結(jié)果表示為12.2300,表明精確到四位小數(shù)(在這種情況下,六個有效數(shù)字)。
在不包含小數(shù)點的數(shù)字中,尾隨零的含義可能不明確。例如,如果一個1300號的數(shù)字對于最近的單位是精確的(并且恰巧巧合地是一百的確切倍數(shù)),或者如果由于四舍五入或不確定性僅顯示為最接近的百分點,則可能并不總是清楚的。存在許多解決這個問題的慣例:
有時也稱為超欄,或者不太準(zhǔn)確地說,一個vinculum可以放在最后一個有效數(shù)字上;跟隨此后的任何尾隨零都是微不足道的。例如,1300有三個有效數(shù)字(因此表明數(shù)字精確到最接近十)。
不常使用一個密切相關(guān)的公約,可以強調(diào)一個數(shù)字的最后一個重要數(shù)字;例如,“2000”有兩個重要的數(shù)字。
小數(shù)點后可放置數(shù)字;例如“100.”具體指出三個重要數(shù)字是指[3]
在數(shù)量和單位測量的組合中,可以通過選擇合適的單位前綴來避免歧義。例如,指定為1300克的質(zhì)量的有效數(shù)字是不明確的,而質(zhì)量為13?hg或1.3?kg則不是。
然而,這些約定并不是普遍使用的,并且通常需要從上下文中確定這樣的尾隨零是否意在是重要的。如果全部失敗,可以明確指定舍入級別??s寫s.f.有時使用,例如“20?000?to?2?s.f.”或“20?000(2?sf)”?;蛘?,不確定性可以單獨和明確地用正負(fù)號來表示,如20?000±1%,因此不重要的數(shù)字規(guī)則不適用。這也允許指定十次冪之間的精度(或編號系統(tǒng)的基本功率的任何值)。
科學(xué)計數(shù)法
在大多數(shù)情況下,同樣的規(guī)則適用于以科學(xué)計數(shù)表示的數(shù)字。但是,按照該符號的標(biāo)準(zhǔn)化形式,不會出現(xiàn)占位符的前導(dǎo)和后置數(shù)字,因此所有數(shù)字都是重要的。例如,0.00012(兩個有效數(shù)字)變?yōu)?.2×10-4,0.00122300(六個有效數(shù)字)變?yōu)?.22300×10-3。特別地,消除了尾隨零的意義的潛在模糊性。例如,1300?4個有效數(shù)字為1.300×103,而1300?2個有效數(shù)字為1.3×103。
包含有效數(shù)字(與基數(shù)或指數(shù)相反)的表示部分稱為有效數(shù)或尾數(shù)。
