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第二章誤差及分析數(shù)據(jù)處理
概述定量分析誤差有效數(shù)字及運(yùn)算法則有限量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理可疑值的取舍§1概述定量分析的任務(wù)是要準(zhǔn)確地解決“量”的問(wèn)題,其目的是要準(zhǔn)確測(cè)定試樣中組分中的含量。分析結(jié)果必須具有一定的準(zhǔn)確度。具備怎樣的準(zhǔn)確度才能達(dá)到分析結(jié)果的要求呢?這就涉及到定量分析誤差問(wèn)題。定量分析的誤差是指實(shí)驗(yàn)所得的測(cè)量值與試樣所含的真實(shí)值之間的差值。誤差的大小表示其準(zhǔn)確度的高低。分析結(jié)果與真實(shí)含量越接近,說(shuō)明準(zhǔn)確度就越高。定量分析由于受方法、儀器、試劑、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、分析者的主觀因素等方面的限制,使測(cè)得的分析結(jié)果與真實(shí)含量不可能完全一致。這就造成誤差。誤差是客觀上難以避免的。在一定條件下,測(cè)量結(jié)果只能接近于真實(shí)值,而不能達(dá)到真實(shí)值。為了提高分析結(jié)果測(cè)量的準(zhǔn)確度,將誤差減小到最低限度,必須了解誤差產(chǎn)生的原因,采取減小誤差的有效措施,提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。下面具體介紹誤差的種類、來(lái)源及產(chǎn)生的原因。一系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差(systematicerror)又稱可測(cè)誤差,由某種確定原因造成的。系統(tǒng)誤差根據(jù)產(chǎn)生的原因分為:
方法誤差系統(tǒng)誤差儀器或試劑誤差
操作誤差方法誤差:是由于不適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或所選的分析方法不恰當(dāng)造成的。如重量分析中,沉淀的溶解,會(huì)使分析結(jié)果偏低,而沉淀吸附雜質(zhì),又使結(jié)果偏高。(2)儀器或試劑誤差:是由于儀器未經(jīng)校準(zhǔn)或試劑不合格的原因造成的。如稱重時(shí),天平砝碼不夠準(zhǔn)確;配標(biāo)液時(shí),容量瓶刻度不準(zhǔn)確;對(duì)試劑而言,雜質(zhì)與水的純度,也會(huì)造成誤差。(3)操作誤差:是由于分析操作不規(guī)范造成。如標(biāo)準(zhǔn)物干燥不完全進(jìn)行稱量;3.特點(diǎn):重現(xiàn)性:同一樣品進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)定可重復(fù)出現(xiàn)。(2)單向性;產(chǎn)生誤差,要么是正,要么是負(fù)。(3)恒定性;影響的大小總是相同。4.消除系統(tǒng)誤差的方法:加校正值的方法(利用對(duì)照實(shí)驗(yàn)、空白實(shí)驗(yàn)、校準(zhǔn)儀器的方法進(jìn)行)除系統(tǒng)誤差外,還有一種不按規(guī)程操作而引起的分析結(jié)果的差異,這種差異我們稱為“過(guò)失”。它不屬于誤差范圍,而屬于工作中的錯(cuò)誤。例如:加錯(cuò)試劑、讀錯(cuò)讀數(shù)、試液濺失、和計(jì)算錯(cuò)誤等。因此在實(shí)際工作中,當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),應(yīng)認(rèn)真尋找原因,如果確定是過(guò)失引起的,其測(cè)定結(jié)果必須舍去,并重新測(cè)定。只要我們加強(qiáng)責(zé)任心,嚴(yán)格按照規(guī)程操作,過(guò)失是完全可以避免的。三、準(zhǔn)確度與精密度(一)、準(zhǔn)確度與誤差1.準(zhǔn)確度(accuracy)測(cè)量值與真實(shí)值的接近程度,用絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示。2.表示方法(1)絕對(duì)誤差:(E)E=X-Xt(2)相對(duì)誤差(Er)Er=E/Xt=X-Xt/Xt×100%例1,實(shí)驗(yàn)測(cè)得過(guò)氧化氫溶液的含量W(H2O2)為0.2898,若試樣中過(guò)氧化氫的真實(shí)值W(H2O2)為0.2902,求絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。解:E=0.2898-0.2902=-0.0004Er=-0.0004/0.2902×100%=-0.14%二、精密度與偏差()精密度(precision)是平行測(cè)量的各測(cè)量值(實(shí)驗(yàn)值)之間互相接近的程度。用偏差表示,偏差為測(cè)定值與平均值之差,偏差可分為:絕對(duì)偏差(d)與相對(duì)偏差(dr)平均偏差、相對(duì)平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差等:
(1)絕對(duì)偏差(d):(2)相對(duì)偏差(dr)為絕對(duì)偏差與平均值之比,常用百分率表示:(3)平均偏差與相對(duì)平均偏差1、平均偏差:為各次測(cè)定值的偏差的絕對(duì)值的平均值,
式中n為測(cè)量次數(shù)。由于各測(cè)量值的絕對(duì)偏差有正有負(fù),取平均值時(shí)會(huì)相互抵消。只有取偏差的絕對(duì)值的平均值才能正確反映一組重復(fù)測(cè)定值間的符合程度。2、相對(duì)平均偏差:為平均偏差與平均值之比,常用百分率表示:(4)標(biāo)準(zhǔn)偏差(standarddeviation)
使用標(biāo)準(zhǔn)偏差是為了突出較大偏差的影響。標(biāo)準(zhǔn)偏差分為總體標(biāo)準(zhǔn)偏差和樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差。A、總體標(biāo)準(zhǔn)偏差,用符號(hào)σ表示,此偏差也稱為均方根偏差:它是指測(cè)量值對(duì)總體平均值μ的偏差,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:B、樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)在總體平均值不知道的情況下,可用樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)衡量一組數(shù)據(jù)的離散程度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:上式主要是校正以代替所引起的誤差。式中的n為測(cè)定次數(shù),n-1稱為自由度,是指獨(dú)立偏差的個(gè)數(shù),通常以f表示。如果測(cè)量次數(shù)越多,n-1就越接近n,此時(shí)的所以上式可變?yōu)椋海?)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(Sr)或稱變異系數(shù)(CV)
實(shí)際工作中都用RSD表示分析結(jié)果的精密度,更能說(shuō)明一組數(shù)據(jù)的離散程度。例如,一組重復(fù)測(cè)定值為15.67,15.69,16.03,15.89。求15.67這次測(cè)量值的絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差,這組測(cè)量值的平均偏差、相對(duì)平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。解:=(15.67+15.69+16.03+15.89)/4=15.82=15.82-15.67=0.15
=0.15/15.82×100%=0.95%=(0.15+0.13+0.21+0.07)/4=0.14
5)重復(fù)性與再現(xiàn)性重復(fù)性:一個(gè)分析工作者,在一個(gè)指定的實(shí)驗(yàn)室中,用同一套給定的儀器,在短時(shí)間內(nèi),對(duì)同一樣品的某物理量進(jìn)行反復(fù)測(cè)量,所得測(cè)量值接近的程度。再現(xiàn)性:由不同實(shí)驗(yàn)室的不同分析工作者和儀器,共同對(duì)同一樣品的某物理量進(jìn)行反復(fù)測(cè)量,所得結(jié)果接近的程度。例如:甲、乙、丙、丁四個(gè)人同時(shí)用碘量法測(cè)定某銅礦中CuO含量(真實(shí)含量為37.40)測(cè)定4次,其結(jié)果如下圖所示:分析此結(jié)果精密度與準(zhǔn)確度的關(guān)系。由圖可知:甲所得結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度都好,結(jié)果可靠;乙的結(jié)果精密度高,但準(zhǔn)確度較低;丙的精密度和準(zhǔn)確度都很差;丁的分析結(jié)果相差甚遠(yuǎn),精密度太差,其平均值雖然也接近真值,但這是由于正負(fù)誤差相互抵消所致。如果只取2次或3次來(lái)平均,結(jié)果會(huì)與真實(shí)值相差很大。因此這個(gè)結(jié)果是湊巧的,不可靠。綜上所述,可得到以下結(jié)論(1)精密度是保證準(zhǔn)確度的先決條件,精密度差,所得結(jié)果不可靠,就失去衡量準(zhǔn)確度的前提。(2)精密度高不一定能保證有高的準(zhǔn)確度。(3)準(zhǔn)確度高一定伴隨著高的精密度。
1)對(duì)照實(shí)驗(yàn)
已知含量的試樣與未知試樣對(duì)照
2)回收試驗(yàn)
未知試樣+已知量的被測(cè)組分,與另一相同的未知試樣平行進(jìn)行分析,測(cè)其回收率
3)
空白試驗(yàn)
不加試樣,按試樣相同的程序分析
§3有效數(shù)字及計(jì)算規(guī)則一、有效數(shù)字(significantfigure)概念:分析工作中實(shí)際上能測(cè)量到的數(shù)字,除最后一位為可疑數(shù)字,其余的數(shù)字都是有效數(shù)字。如:分析天平稱量:1.2123(g)(萬(wàn)分之一)滴定管讀數(shù):23.26(ml)二.位數(shù)確定(1)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),只允許保留一位可疑數(shù)字。(2)有效數(shù)字的位數(shù)反映了測(cè)量的相對(duì)誤差,不能隨意舍去或保留最后一位數(shù)字(3)若第一位數(shù)字大于或等于8,其有效數(shù)字位數(shù)應(yīng)多算一位,如9.13,可算作4位有效數(shù)字,因其相對(duì)誤差約為0.1%,與10.15,10.25等這些具有4位的有效數(shù)字的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差相近。(4)數(shù)據(jù)中的“0”作具體分析,如1.2007g,0.0012007kg均為五位有效數(shù)值,(5)常數(shù)π等非測(cè)量所得數(shù)據(jù),視為無(wú)限多位有效數(shù)字;(6)pH、pM等對(duì)數(shù)值,有效數(shù)字位數(shù)僅取決于小數(shù)部分?jǐn)?shù)字的位數(shù)。如pH=10.20,應(yīng)為兩位有效數(shù)值看看下面各數(shù)的有效數(shù)字的位數(shù):1.000843181五位有效數(shù)字0.100010.98%四位有效數(shù)字0.03821.98×10-10三位有效數(shù)字540.0040二位有效數(shù)字0.052×105一位有效數(shù)字3600100位數(shù)模糊PH=11.20對(duì)應(yīng)于[H+]=6.3×10-12二位有效數(shù)字三、有效數(shù)字的計(jì)算規(guī)則
1.數(shù)值相加減時(shí),結(jié)果有效數(shù)字保留應(yīng)與小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)最少者相同(絕對(duì)誤差最大)0.0121+12.56+7.8432=0.01+12.56+7.84=20.41總絕對(duì)誤差取決于絕對(duì)誤差大的2.數(shù)值相乘除時(shí),結(jié)果保留位數(shù)應(yīng)與有效數(shù)字位數(shù)最少者相同。(相對(duì)誤差最大),
(0.0142×24.43×305.84)/28.7=(0.0142×24.4×306)/28.7=3.69總相對(duì)誤差取決于相對(duì)誤差大的。3.乘方或開(kāi)方時(shí),結(jié)果有效數(shù)字位數(shù)不變。如4.對(duì)數(shù)運(yùn)算時(shí),對(duì)數(shù)尾數(shù)的位數(shù)應(yīng)與真數(shù)有效數(shù)字位數(shù)相同;如尾數(shù)0.20與真數(shù)都為二位有效數(shù)字,而不是四位有效數(shù)字。四、數(shù)字修約規(guī)則1.四舍六入五成雙。如測(cè)量值為4.135、4.125、4.105、4.1251;修約為4.14、4.12、4.10和4.13。2.只允許對(duì)原測(cè)量值一次修約至所需位數(shù),不能分次修約。如4.1349修約為三位數(shù)。不能先修約成4.135,再修約為4.14,只能修約成4.13。3.大量數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí),可先多保留一位有效數(shù)字,運(yùn)算后,再修約。4.修約標(biāo)準(zhǔn)偏差。修約的結(jié)果應(yīng)使準(zhǔn)確度變得更差些。如S=0.213,取兩位有效數(shù)字,修約為0.22,取一位為0.3。§4有限量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理
隨機(jī)誤差是由一些偶然的或不確定的因素引起的誤差。在消除了系統(tǒng)誤差后,多次重復(fù)測(cè)定仍然會(huì)有所不同,具有分散的特性。測(cè)定值的分布符合正態(tài)分布。一、正態(tài)分布若以概率密度(或誤差頻率)Y為縱坐標(biāo),測(cè)定值X與總體平均值μ的差值(或誤差)為橫坐標(biāo)作圖,可得到隨機(jī)誤差的正態(tài)分布曲線,也稱為高斯分布曲線,如書(shū)P25圖3-2所示
由圖可以看出隨機(jī)誤差的分布規(guī)律性:1、單峰性:當(dāng)時(shí),Y值最大,呈現(xiàn)一個(gè)峰值。故稱單峰性2、對(duì)稱性(相消性)這一點(diǎn)的垂直線為對(duì)稱軸,說(shuō)明正負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相等,故稱為對(duì)稱性。3、有界性:隨機(jī)誤差的分布具有有限的范圍。二、精密度與分布曲線的關(guān)系由圖可以看出,σ反映了測(cè)定值的分散程度,
σ愈大,曲線愈平坦,測(cè)定值愈分散;精密度越差。σ愈小,曲線愈尖銳,測(cè)定值愈集中。精密度越好。三、置信區(qū)間從前面討論可知,正態(tài)分布曲線的“高、矮、胖、瘦”取決于分布曲線標(biāo)準(zhǔn)差σ的大小,σ小,分布曲線是“瘦高”的,精密度高;σ大,分布曲線是“矮胖”的,精密度低;(圖3-2所示)如果在正態(tài)分布圖中,把曲線上各點(diǎn)代表某個(gè)誤差出現(xiàn)的概率密度,曲線與橫軸之間的面積代表各種大小誤差出現(xiàn)概率的總和,如圖所示:由圖可知:在符合正態(tài)分布的情況下,當(dāng)為原點(diǎn)(即消除系統(tǒng)誤差),總體標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ,由統(tǒng)計(jì)學(xué)可知,測(cè)得的結(jié)果落在范圍內(nèi)的概率為68.3%,落在范圍內(nèi)的概率為95.5%,落在范圍內(nèi)的概率為99.7%,測(cè)定結(jié)果超出的概率只有0.3%。換句話說(shuō):在1000次測(cè)定中,測(cè)定結(jié)果落在范圍內(nèi)683次,落在范圍內(nèi)955次,落在范圍內(nèi)997次,落在范圍之外的結(jié)果只有3次。所以,通常認(rèn)為大于3σ的誤差已不屬于隨機(jī)誤差了,這樣的分析結(jié)果應(yīng)該舍去。上述誤差出現(xiàn)的概率68.3%,95.5%,99.7%,稱為置信概率或置信度。在一定置信度下,以測(cè)定結(jié)果為中心的包含總體平均值μ在內(nèi)的可信范圍,稱為置信區(qū)間,可用下式表示:式中:t為校正系數(shù),也稱為置信因子,它隨置信度和自由度的大小而變化。對(duì)于測(cè)定次數(shù)n<20,可用S代替σ,則計(jì)算平均值的置信區(qū)間式可改寫(xiě)為:
通常都選用置信度為95%的t值來(lái)計(jì)算平均值的置信區(qū)間。T值的查找可通過(guò)書(shū)P27表3-1所示;應(yīng)用:例如:某試樣5次測(cè)定結(jié)果為39.10、39.12、39.19、39.17和39.16%,求置信度為95%時(shí)平均值的置信區(qū)間。解:查表:置信度為95%時(shí),t=2.78置信區(qū)間:也就是說(shuō),在置信度為95%時(shí),試樣中待測(cè)組分的含量在39.10-39.20%之間?;蛘哒f(shuō),在無(wú)系統(tǒng)誤差的前提下,通過(guò)5次測(cè)定,有95%的把握認(rèn)為,試樣中的待測(cè)組分的真實(shí)含量在39.10-39.20%之間。從t值表可以看出,測(cè)定次數(shù)越多,即n值越大,t值越小,X平均值越接近總體平均值μ,當(dāng)n>20時(shí),t已與n=∞時(shí)的t值相差不大了,若再增加測(cè)定次數(shù),不但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,而且對(duì)提高分析的準(zhǔn)確度已沒(méi)有多大意義了。例5用8-羥基喹啉法測(cè)定Al含量,9次測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.042%,平均值為10.79%。估計(jì)真實(shí)值在95%和99%置信水平時(shí)應(yīng)是多大?解:1.P=0.95;α(稱為顯著性水準(zhǔn))=1-P=0.05;f=n-1=9-1=8t0.05,8=2.3062.P=0.99;α=0.01;t0.01,8=3.355結(jié)論:總體平均值在10.76~10.82%間的概率為95%;在10.74~10.84%間的概率為99%。例如,測(cè)定試樣中氯的含量W(Cl),四次重復(fù)測(cè)定值為0.4764,0.4769,0.4752,0.4755。求置信度為95%時(shí),氯平均含量的置信區(qū)間。解:可算出=0.4760,S=0.008查表2-2t0.05,3=3.18μ=0.4760±3.18×=0.4760±0.0013四、顯著性檢驗(yàn)顯著性檢驗(yàn)就是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,來(lái)檢驗(yàn)分析結(jié)果之間是否存在顯著性誤差。其最常用、最重要的方法是t檢驗(yàn)法和F檢驗(yàn)法:(一)、t檢驗(yàn)法1.
平均值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較—準(zhǔn)確度顯著性檢驗(yàn)首先由下式計(jì)算t值若t計(jì)≥t表,則平均值與標(biāo)準(zhǔn)值存在顯著性差異,為系統(tǒng)誤差引起,應(yīng)查找原因,消除。
例1:用分光光度法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的鋁的含量。五次測(cè)定結(jié)果的平均值(Al)為0.1080,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0005。已知鋁含量的標(biāo)準(zhǔn)值(Al)為0.1075。問(wèn)置信度為95%時(shí),測(cè)定是否可靠?解:
=查表3-1雙邊t值檢驗(yàn)表,t0.05,4=2.776。因t<t0.05,4,故平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間無(wú)顯著性差異,測(cè)定不存在系統(tǒng)誤差。例2:為了檢驗(yàn)一種新的測(cè)定微量二價(jià)銅的原子吸收方法,取一銅樣,已知其含量是11.7ppm。測(cè)量5次,得標(biāo)準(zhǔn)品含量平均值為10.8ppm;其標(biāo)準(zhǔn)偏差S為0.7ppm。試問(wèn)該新方法在95%的置信水平上,是否可靠?解:查表3-1雙測(cè)檢驗(yàn),得t0.05,4=2.78。因t>t0.05,4,故平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間有顯著性差異,測(cè)定存在系統(tǒng)誤差。例3:測(cè)定某一制劑中某組分的含量,熟練分析工作人員測(cè)得含量均值為6.75%。一個(gè)剛從事分析工作的人員,用相同的分析方法,對(duì)該試樣平行測(cè)定6次,含量均值為6.94%,S為0.28%。問(wèn)后者的分析結(jié)果是否顯著高于前者。解:題意為單測(cè)檢驗(yàn)。查單測(cè)檢驗(yàn)表α=0.05,f=6-1=5;1.7<t0.05,5,說(shuō)明新手的準(zhǔn)確度合乎要求,但精密度不佳。2.兩組平均值的比較
當(dāng)t檢驗(yàn)用于兩組測(cè)定值的比較時(shí),用下式計(jì)算統(tǒng)計(jì)量tSR為合并的標(biāo)準(zhǔn)偏差(pooledstandarddeviation)若t計(jì)≥t表,則兩組平均值間存在顯著性差異,反之無(wú)顯著性差異。例4:用同一方法分析樣品中的鎂含量。樣品1的分析結(jié)果:1.23%、1.25%及1.26%;樣品2:1.31%、1.34%、1.35%。試問(wèn)這兩個(gè)樣品的鎂含量是否有顯著性差別?解:可算得=1.25,=1.33S1=0.015,S2=0.021f=3+3-2=4,查表2-2,t0.05,4=2.776。t計(jì)>t0.05,4.故兩個(gè)樣品的鎂含量有顯著差別。(二)、F檢驗(yàn)法
F檢驗(yàn)法是比較兩組數(shù)據(jù)的方差,以確定精密度之間有無(wú)顯著性差異,用統(tǒng)計(jì)量F表示
F計(jì)≥F表,則兩組數(shù)據(jù)的精密度存在顯著性差異F計(jì)≤F表,則兩組數(shù)據(jù)的精密度不存在顯著性差異例5:用兩種方法測(cè)定同一樣品中某組分。第1法,共測(cè)6次,S1=0.055;第2法,共測(cè)4次,S2=0.022。試問(wèn)這兩種方法的精密度有無(wú)顯著性差別。解:f1=6-1=5;f2=4-1=3。由表2-4查得F=9.01。F<F0.05,5,3因此,S1與S2無(wú)顯著性差別,即兩種方法的精密度相當(dāng)。(三)、使用顯著性檢驗(yàn)的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)1.兩組數(shù)據(jù)的顯著性檢驗(yàn)順序是先進(jìn)行F檢驗(yàn)而后進(jìn)行t檢驗(yàn)。2.單側(cè)與雙側(cè)檢驗(yàn)3.置信水平P或顯著性水平α的選擇§5、可疑值的取舍
在一組測(cè)定值中,常出現(xiàn)個(gè)別與其它數(shù)據(jù)相差很大的可疑值。如果確定知道此數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)差錯(cuò)引起,可以舍去,否則,應(yīng)根據(jù)一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法決定其取舍。統(tǒng)計(jì)學(xué)處理取舍的方法有多種,下面僅介紹三種常用的方法。
1.Q檢驗(yàn)法步驟如下(1)
將測(cè)定值按大小順序排列,(2)
由可疑值與其相鄰值之差的絕對(duì)值除以極差,求得Q值:
Q值愈大,表明可疑值離群愈遠(yuǎn),當(dāng)Q值超過(guò)一定界限時(shí)應(yīng)舍去。(3)查表得Q值,比較Q表與Q計(jì)判斷,當(dāng)Q計(jì)≥Q表,該可疑值應(yīng)舍去,否則應(yīng)保留.例如,平行測(cè)定鹽酸濃度(mol/l),結(jié)果為0.1014,0.1021,0.1016,0.1013。試問(wèn)0.1021在置信度為90%時(shí)是否應(yīng)舍去。解:(1)排序:0.1013,0.1014,0.1016,0.1021(2)Q=(0.1021-0.1016)/(0.1021-0.1013)=0.63(3)查表3-3,當(dāng)n=4,Q0.90=0.76因Q<Q0.90,故0.1021不應(yīng)舍去。2、四倍的平均偏差法(4d法)(1)求可疑值XD之外的其它數(shù)據(jù)平均值和平均偏差。(2)計(jì)算偏差和4d的值法(3)按下
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