RMS 和 STD 的区别

曾经的我以为,这两个概念是相同的,甚至在一个总结当中都说成它俩一样了,但是今天听了个讲座,才发现以前的自己错了,赶忙查找相关资料,纠正自己。


一、概念理解

首先看一下两个的概念:

  • RMS: root mean square 均方(根误)差,测绘学科中常称作中误差。它是指一组观测值与真值差的平方和与观测次数比值的平方根,它反映的是观测值的精确度(准确度+精密度)
  • STD:Standard Deviation 标准差,它是指一组数据与其平均值之差的平方和,再与数据个数的比值的平方根,它反应的是这组数据的离散程度,也就是精密度。

上面的描述可能听起来比较拗口,下面看一下公式,
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还是不太懂,那再举个例子。

假设我手上有一根铅笔,它的长度是20cm(假设,20cm就是它长度的真值),现在我的一个好朋友来了(叫啥名呢,就叫小王吧),小王想测量一下这根铅笔的长度,于是他认认真真地测量了20次,测量结果如下(开始胡编数据):20.1cm,19.9cm,20.2cm,20.0cm……

好,现在我们就有了一组观测数据(这要感谢小王),那么我们就开始算这组数据地RMS和STD了。

  • RMS:每个数据都与真值(20cm)做差,得到20个差值,然后将这20个差值取平方和再除以20,得到的结果就是RMS。
  • STD:先求这20个数据的平均值(比如说是20.1cm,为了与真值20cm做区分,故意不设成是20cm,当然要以实际计算结果为准),然后每个数据都与平均值(20.1cm)做差,得到20个差值,然后将这20个差值取平方和再除以20,得到的结果就是STD。
  • 可以看到,两者的计算方法有点类似,只有做差那步,做差的对象不同。

可是,在实际生活中,一个待测量的真值我们往往是无法得知的(我们又不是上帝,况且上帝有可能也不知道),所以,我们并不能如此顺利地计算出来RMS。实际上,计算RMS和STD的公式如下:
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二、公式推导

注意到,上述两个公式只有分母不同,STD完全是照概念掰扯的,那为啥RMS是这个样子呢?这就要考虑概率论中的无偏性了。
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这是从中山大学《概率论及数理统计》一书中copy的,由此可见,方差的无偏估计量分母要为n-1,这就是RMS公式中n-1的由来。

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