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1、誤差理論與數(shù)據(jù)處理練習(xí)題參考答案第一章 緒論1-7 用二等標(biāo)準(zhǔn)活塞壓力計測量某壓力得100.2Pa,該壓力用更準(zhǔn)確的辦法測得為100.5Pa,問二等標(biāo)準(zhǔn)活塞壓力計測量值的誤差為多少? 【解】在實際檢定中,常把高一等級精度的儀器所測得的量值當(dāng)作實際值。故二等標(biāo)準(zhǔn)活塞壓力計測量值的絕對誤差測得值實際值100.2100.50.3( Pa)。 相對誤差=1-9 使用凱特擺時,g由公式g=42(h1+h2)/T2給定。今測出長度(h1+h2)為(1.04230±0.00005)m,振動時間T為(2.0480±0.0005)s。試求g及其最大相對誤差。如果(h1+h2)測出為(1.04
2、220±0.0005)m,為了使g的誤差能小于0.001m/s2,T的測量必須精確到多少? 【解】測得(h1+h2)的平均值為1.04230(m),T的平均值為2.0480(s)。由,得:當(dāng)有微小變化、T有變化時,令g的變化量為:的最大相對誤差為:如果測出為(1.04220±0.0005)m,為使g的誤差能小于0.001m/s2,即:也即 求得:1-10. 檢定2.5級(即引用誤差為2.5%)的全量程為100V的電壓表,發(fā)現(xiàn)50V刻度點(diǎn)的示值誤差2V為最大誤差,問該電壓表是否合格? 【解】 引用誤差示值誤差測量范圍上限。所以該電壓表的引用誤差為: 由于: 2%<2.5
3、% 所以該電壓表合格。113 多級彈導(dǎo)火箭的射程為10000km時,其射擊偏離預(yù)定點(diǎn)不超過0.lkm,優(yōu)秀射手能在距離50m遠(yuǎn)處準(zhǔn)確地射中直徑為2cm的靶心,試評述哪一個射擊精度高?解:多級火箭的相對誤差為:射手的相對誤差為:多級火箭的射擊精度高。附加11 測得某三角塊的三個角度之和為180o0002”,試求測量的絕對誤差和相對誤差解:絕對誤差等于:相對誤差等于:第二章 誤差的基本性質(zhì)與處理2-2. 試述單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差,兩者物理意義和實際用途有何不同?【解】單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差表征同一被測量n次測量的測量值分散性的參數(shù),可作為測量列中單次測量不可靠性的評定標(biāo)準(zhǔn)。算術(shù)平均值的標(biāo)
4、準(zhǔn)差是表征同一被測量各個獨(dú)立列算術(shù)平均值分散性的參數(shù),可作為算術(shù)平均值不可靠性的評定標(biāo)準(zhǔn)在n次測量的等精度測量列中,算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差為單次測量標(biāo)準(zhǔn)差的,當(dāng)測量次數(shù)n愈大時,算術(shù)平均值愈接近被測量的真值,測量精度也愈高。2-3. 試分別求出服從正態(tài)分布、反正弦分布、均勻分布誤差落在中的概率。 【解】(1)誤差服從正態(tài)分布時 引入新變量t:,經(jīng)變換上式成為: (2)誤差服從反正弦分布時 因反正弦分布的標(biāo)準(zhǔn)差為:,所以區(qū)間,故: (3) 誤差服從均勻分布時 因其標(biāo)準(zhǔn)差為:,所以區(qū)間,故 2-4. 測量某物體重量共8次,測得數(shù)據(jù)(單位為g)為236.45,236.37,236.51,236.34,2
5、36.39,236.48,236.47,236.40,求其算術(shù)平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差。 【解】選參考值,計算差值、和殘差等列于表中。 或依算術(shù)平均值計算公式,n=8,直接求得: 計算標(biāo)準(zhǔn)差:用貝塞爾公式計算:26 測量某電路電流共5次,測得數(shù)據(jù)(單位為mA)為168.41,168.54,168.59,168.40,168.50。試求算術(shù)平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差、或然誤差和平均誤差。解: 27 在立式測長儀上測量某校對量具,重復(fù)測量5次,測得數(shù)據(jù)(單位為mm)為200015,20.0016,20.0018,20.0015,20.0011。若測量值服從正態(tài)分布,試以99的置信概率確定測量結(jié)果。解:求算術(shù)平均值求
6、測量列單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差用貝塞爾公式計算:用別捷爾斯公式計算:求算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差求單次測量的極限誤差和算術(shù)平均值的極限誤差做法1 :因n5 較小,算術(shù)平均值的極限誤差應(yīng)按t分布處理。 現(xiàn)自由度為:n14; 10.990.01, 查 t 分布表有:4.60單次測量的極限誤差:算術(shù)平均值的極限誤差:寫出最后測量結(jié)果做法2 :因假設(shè)測量值服從正態(tài)分布,并且置信概率P=2(t)=99%,則(t)=0.495,查正態(tài)分布積分表,得置信系數(shù) 單次測量的極限誤差:算術(shù)平均值的極限誤差:寫出最后測量結(jié)果210 用某儀器測量工件尺寸,已知該儀器的標(biāo)準(zhǔn)差0.001mm,若要求測量的允許極限誤差為±0.0
7、015mm,而置信概率P為0.95時,應(yīng)測量多少次?解:根據(jù)極限誤差的意義,有根據(jù)題目給定得已知條件,有查教材附錄表3有若n5,v4,0.05,有t2.78,若n4,v3,0.05,有t3.18,即要達(dá)題意要求,必須至少測量5次。2-11 已知某儀器測量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.5m。若在該儀器上,對某一軸徑測量一次,測得值為26.2025mm,試寫出測量結(jié)果。若重復(fù)測量10次,測得值(單位為mm)為26.2025,26.2028,26.2028,20.2025,26.2026,26.2022,20.2023,26.2025,26.2026,26.2022,試寫出測量結(jié)果。若手頭無該儀器測量的標(biāo)準(zhǔn)差值的資
8、料,試由中10次重復(fù)測量的測量值,寫出上述、的測量結(jié)果。解: 單次測量的極限誤差以3計算:所以測量結(jié)果可表示為:26.2025±0.0015 (mm) 重復(fù)測量10次,計算其算術(shù)平均值為:取與相同的置信度,算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差: mm則測量結(jié)果為: (mm) 若無該儀器測量的標(biāo)準(zhǔn)差資料,則依10次重復(fù)測量數(shù)據(jù)計算標(biāo)準(zhǔn)差和表示測量結(jié)果。選參考值,計算差值、和殘差等列于表中。用貝塞爾公式計算:算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差:取與相同的置信度,則測量結(jié)果為: 此時的測量結(jié)果為(mm);的測量結(jié)果為 (mm).2-13 測量某角度共兩次,測得值為1=24°1336”,2=24°1324
9、”,其標(biāo)準(zhǔn)差分別為1=3.1”,2=13.8”,試求加權(quán)算術(shù)平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差。【解】已知各組測量的標(biāo)準(zhǔn)差,可確定各組的權(quán)。 取: 選取,可由公式直接計算加權(quán)算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差: 加權(quán)算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差的計算,先求兩測量結(jié)果的殘余誤差: 算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差為: 2-15. 試證明n個相等精度測得值的平均值的權(quán)為n乘以任一個測量值的權(quán)。【證明】因為等精度測量,可設(shè)n個測得值的標(biāo)準(zhǔn)差均為,且其算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差為:又設(shè)各測量值的權(quán)相等,即:。n個相等精度測得值的平均值的權(quán)為,則:n個相等精度測得值的平均值的權(quán)與各測得值的權(quán)的比為2-17 對某量進(jìn)行10次測量,測得數(shù)據(jù)為14.7,15.0,15.2,
10、14.8,15.5,14.6,14.9,14.8,15.1,15.0,試判斷該測量列中是否存在系統(tǒng)誤差。解:先計算算術(shù)平均值:。各測量數(shù)據(jù)的殘余誤差分別為: 根據(jù)殘余誤差觀察法:計算出的殘余誤差符號正負(fù)個數(shù)相同,且無顯著變化規(guī)律,因此可判斷該測量列無變化的系統(tǒng)誤差存在。 采用不同公式計算標(biāo)準(zhǔn)差比較法。 按貝塞爾公式:用別捷爾斯法計算:令:因為:,故無根據(jù)懷疑測量列存在系統(tǒng)誤差。 (馬利科夫準(zhǔn)則)按殘余誤差校核法:前5個殘余誤差和與后5個殘余誤差的差值為兩部分之差顯著不為0,則有理由認(rèn)為測量列中含有系統(tǒng)誤差。阿卑-赫梅特準(zhǔn)則所以測量列中含有周期性系統(tǒng)誤差(為什么會得出互為矛盾的結(jié)論?問題出在本題
11、給出的數(shù)據(jù)存在粗大誤差-這就提醒我們在判斷是否有系統(tǒng)誤差前,應(yīng)先剔除粗大誤差,然后再進(jìn)行系統(tǒng)誤差判斷。)2-18、對某一線圈電感測量10次,前4次是和一個標(biāo)準(zhǔn)線圈比較得到的,后4次是和另一個標(biāo)準(zhǔn)線圈比較得到的,測得結(jié)果如下(單位為mH):50.82,50.83,50.87,50.89;50.78,50.78,50.75,50.85,50.82,50.81試判斷前4次和后6次測量中是否存在系統(tǒng)誤差?!窘狻繉山M數(shù)據(jù)混合排列,用秩和檢驗法有:所以有根據(jù)懷疑存在系統(tǒng)誤差2-19 等精度測得某一電壓10次,測得結(jié)果(單位為V)為25.94,25.97,25.98,26.01,26.04,26.02,2
12、6.04,25.98,25.96,26.07。測量完畢后,發(fā)現(xiàn)測量裝置有接觸松動現(xiàn)象,為判明是否因接觸不良而引入系統(tǒng)誤差,將接觸改善后,又重新做了10次等精度測量,測得結(jié)果(單位為V)為25.93,25.94,25.98,26.02,26.01,25.90,25.93,26.04,25.94,26.02。試用t檢驗法(取=0.05)判斷兩組測量值之間是否有系統(tǒng)誤差?!窘狻坑嬎銉山M測量結(jié)果的算術(shù)平均值:由=10+10-2=18及取=0.05,查t分布表,得因,故無根據(jù)懷疑兩組數(shù)據(jù)間存在線性系統(tǒng)誤差。2-20. 對某量進(jìn)行了12次測量,測得數(shù)據(jù)為20.06,20.07,20.06,20.08,20
13、.10,20.12,20.11,20.14,20.18,20.18,20.21,20.19,試用兩種方法判斷該測量列中是否存在系統(tǒng)誤差。 【解】先計算算術(shù)平均值:。各測量數(shù)據(jù)的殘余誤差分別為: 根據(jù)殘余誤差觀察法:計算出的殘余誤差有規(guī)律地遞增,在測量開始與結(jié)束時誤差符號相反,故可判斷該測量列存在線性系統(tǒng)誤差。 (馬利科夫準(zhǔn)則)按殘余誤差校核法:前6個殘余誤差和與后6個殘余誤差的差值為 兩部分之差顯著不為0,則有理由認(rèn)為測量列中含有線性系統(tǒng)誤差。 采用不同公式計算標(biāo)準(zhǔn)差比較法。 按貝塞爾公式: 用別捷爾斯法計算: ,故無根據(jù)懷疑測量列存在系統(tǒng)誤差。 阿卑-赫梅特準(zhǔn)則 因為:,所以測量列中含有周期
14、性系統(tǒng)誤差(又出現(xiàn)互為矛盾的結(jié)論,如何解釋呢?) 221 對某量進(jìn)行兩組測量,測得數(shù)據(jù)如下:xi0.620.861.131.131.161.181.201.211.221.261.301.341.391.411.57yi0.991.121.211.251.311.311.381.411.481.501.591.601.601.841.95試用秩和檢驗法判斷兩組測量值之間是否有系統(tǒng)誤差。解:按照秩和檢驗法要求,將兩組數(shù)據(jù)混合排列成下表:T123456789101112131415xi0.620.861.131.131.161.181.201.211.221.261.30yi0.991.121.2
15、11.25T161718192021222324252627282930xi1.341.391.411.57yi1.311.311.381.411.481.501.591.601.601.841.95T=1+2+5+6+7+8+9+10.5+12+14+15+18+20+21.5+25=174因,秩和T近似服從正態(tài)分布,由 ;求出:選取概率2,即,查教材附表1有。由于,因此,可以認(rèn)為兩組數(shù)據(jù)間有系統(tǒng)誤差。選取置信概率99%(顯著度0.01),即取,由附錄表1查得:。由于,故無根據(jù)懷疑兩組數(shù)據(jù)間有系統(tǒng)誤差。 2-22 對某量進(jìn)行15次測量,測得數(shù)據(jù)為28.53,28.52,28.50,29.52
16、,28.53,28.53,28.50,28.49,28.49,28.51,28.53,28.52,28.49,28.40,28.50,若這些測得值已消除系統(tǒng)誤差,試用萊以特準(zhǔn)則、格羅布斯準(zhǔn)則和狄克松準(zhǔn)則分別判別該測量列中是否含有粗大誤差的測量值?!窘狻繉⒂嘘P(guān)計算數(shù)據(jù):平均值、殘差等列于表中:直接求得15個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差: 用萊以特準(zhǔn)則判別粗大誤差 因 ,故第4個測量數(shù)據(jù)含測量誤差,應(yīng)當(dāng)剔除。再對剩余的14個測得值重新計算,得: 由表知第14個測得值的殘余誤差:,故也含粗大誤差,應(yīng)剔除。再重復(fù)驗算,剩下的13個測得值已不包含粗大誤差。 用格羅布斯準(zhǔn)則判別 已經(jīng)計算出15個測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)
17、計特征量:。將測得的數(shù)據(jù)按從小到大的順序排列,有: 2-26 對某被測量x進(jìn)行間接測量得:,其權(quán)分別為5:1:1,試求x的測量結(jié)果及其標(biāo)準(zhǔn)差?【解】選取可由公式直接計算加權(quán)算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差: 加權(quán)算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差的計算,先求殘余誤差: 算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差為: 2-28 測量圓盤的直徑,按公式計算圓盤面積,由于選取的有效數(shù)字位數(shù)不同,將對面積S計算帶來系統(tǒng)誤差,為保證S的計算精度與直徑測量精度相同,試確定的有效數(shù)字位數(shù)?【解】測得D的平均值為72.003mm由,得:當(dāng)D有微小變化、有變化時,S的變化量為:取4位有效數(shù)字第三章 誤差的合成與分配3-2 為求長方體體積V,直接測量其各邊長為:,已
18、知測量的系統(tǒng)誤差為,測量的極限誤差為,試求立方體的體積及其體積的極限誤差?!窘狻苛⒎襟w體積:,若不考慮測得值的系統(tǒng)誤差,則計算體積為: 體積V的系統(tǒng)誤差為: 考慮測量系統(tǒng)誤差后的立方體體積:又直接測量值存在極限誤差,則間接測量體積存在的極限誤差為:故測量結(jié)果為:33 長方體的邊長分別為1,2, 3測量時:標(biāo)準(zhǔn)差均為;標(biāo)準(zhǔn)差各為1、2、 3 。試求體積的標(biāo)準(zhǔn)差。解:長方體的體積計算公式為:體積的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)為:現(xiàn)可求出:;若:則有:若: 則有:3-4 測量某電路的電流,電壓,測量的標(biāo)準(zhǔn)差分別為,求所耗功率及其標(biāo)準(zhǔn)差?!窘狻咳舨豢紤]測得值的誤差,則計算所耗功率為:且U、I完全線性相關(guān),故P=1,所以若
19、電壓、電流的測量結(jié)果相互獨(dú)立,則所耗功率標(biāo)準(zhǔn)差為3-6 已知x與y的相關(guān)系數(shù),試求的方差?!窘狻繉儆诤瘮?shù)隨機(jī)誤差合成問題。3-12 按公式V=r2h求圓柱體體積,若已知r約為2cm,h約為20cm,要使體積的相對誤差等于1,試問r和h測量時誤差應(yīng)為多少?解: 若不考慮測量誤差,圓柱體積為根據(jù)題意,體積測量的相對誤差為1,即測定體積的相對誤差為:即現(xiàn)按等作用原則分配誤差,可以求出測定r的誤差應(yīng)為:測定h的誤差應(yīng)為:第四章 測量不確定度評定與表示測量不確定度的步驟可歸納為1) 分析測量不確定度的來源,列出對測量結(jié)果影響顯著的不確定度分量。2) 評定標(biāo)注不確定度分量,并給出其數(shù)值ui 和自由度vi
20、。3) 分析所有不確定度分量的相關(guān)性,確定各相關(guān)系數(shù)ij 。4) 求測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度,則將合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc 及自由度v .5) 若需要給出展伸不確定度,則將合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc 乘以包含因子k,得展伸不確定度U=kuc 。6)給出不確定度的最后報告,以規(guī)定的方式報告被測量的估計值y及合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc或展伸不確定度U,并說明獲得它們的細(xì)節(jié)。根據(jù)以上測量不確定度計算步驟。41 某圓球的半徑為r,若重復(fù)10次測量得r±r =(3.132±0.005)cm,試求該圓球最大截面的圓周和面積及圓球體積的測量不確定度,置信概率P=99?!窘狻壳髨A球的最大截面的圓周的測量
21、不確定度已知圓球的最大截面的圓周為:其標(biāo)準(zhǔn)不確定度應(yīng)為: 0.0314cm確定包含因子。查t分布表t0.99(9)3.25,及K3.25故圓球的最大截面的圓周的測量不確定度為:UKu3.25×0.03140.102求圓球的體積的測量不確定度圓球體積為:其標(biāo)準(zhǔn)不確定度應(yīng)為:確定包含因子。查t分布表t0.01(9)3.25,及K3.25最后確定的圓球的體積的測量不確定度為UKu3.25×0.6162.0024-3 測量某電路電阻R兩端的電壓U,由公式算出電路電流I。若測得、,相關(guān)系數(shù),試求電流I的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。【解】 4-6 某數(shù)字電壓表的說明書指出,該表在校準(zhǔn)后的兩年內(nèi),其2
22、V量程的測量誤差不超過±(14×10-6 讀數(shù)+1×10-6×量程)V,相對標(biāo)準(zhǔn)差為20,若按均勻分布,求1V測量時電壓表的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;設(shè)在該表校準(zhǔn)一年后,對標(biāo)稱值為1V的電壓進(jìn)行16次重復(fù)測量,得觀測值的平均值為0.92857V,并由此算得單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.000036V,若以平均值作為測量的估計值,試分析影響測量結(jié)果不確定度的主要來源,分別求出不確定度分量,說明評定方法的類別,求測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及其自由度?!窘狻浚?)測量誤差 根據(jù)相對標(biāo)準(zhǔn)差為20%由B類評定,根據(jù),V服從均勻分布,且2V量程測量誤差,所以在區(qū)間(x-a,x+a)中
23、一年后,對標(biāo)稱值為1V的電壓進(jìn)行16次重復(fù)測量(2)不確定度評定影響測量結(jié)果不確定度的主要來源:A 16次重復(fù)測量誤差B 電壓表的示值誤差C 電壓表的穩(wěn)定度A測量重復(fù)誤差引起的不確定度電壓重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度屬于A類評定B 標(biāo)準(zhǔn)電壓表的示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度示值誤差按均勻分布計算,屬于B類評定C 穩(wěn)定度引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度電壓表穩(wěn)定度按均勻分布,屬B類評定合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度自由度:4-9 用漏電測量儀直接測量正常使用中微波爐的泄漏電流,5次測量的平均值為0.320mA,平均值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.001mA;已知漏電測量儀的示值誤差范圍為,按均勻分布,取相對標(biāo)準(zhǔn)差為;測量時環(huán)境溫度和濕度的影響范圍
24、為,按三角分布,其相對標(biāo)準(zhǔn)差為;試給出泄漏電流測量的不確定度報告(置信概率為)?!窘狻浚?)不確定度評定對泄漏電流測量不確定度影響顯著的因素有:A 泄漏電流測量重復(fù)性引起的不確定度B 示值誤差引起的不確定度C 環(huán)境溫度與濕度引起的不確定度求A測量重復(fù)誤差引起的不確定度示值誤差(均勻分布):環(huán)境溫度(三角分布):(2)不確定度合成因不確定度各個分量相互獨(dú)立,即,合成的不確定度為:自由度:根據(jù)“三分之一準(zhǔn)則”,對標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行修約得(3)展伸不確定度取置信概率,查t分布表,得, 泄漏電流測量的展伸不確定度為根據(jù)“三分之一準(zhǔn)則”,對展伸不確定度進(jìn)行修約得(4)不確定度報告1)用合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
25、泄漏電流,則測量結(jié)果為:2)用展伸不確定度評定泄漏電流,則測量結(jié)果為:第五章 最小二乘法原理參數(shù)最小二乘法估計矩陣形式的簡單推導(dǎo)及回顧:由誤差方程 且要求VTV最小,則:所以:理論基礎(chǔ):5-1 由測量方程 試求x、y的最小二乘法處理及其相應(yīng)精度?!窘狻糠椒ㄒ唬ǔR?guī))1、列出誤差方程組分別對x,y求偏導(dǎo),并令它們的結(jié)果為0即:由上式可解得結(jié)果:x=0.9626 y=0.01522. 直接列表計算給出正規(guī)方程常數(shù)項和系數(shù) 1319132.98.72.921-214-20.90.9-1.832-349-61.93.8-5.7-1414-5-13.4-4.6可得正規(guī)方程將x,y的結(jié)果代入分別求得:得,
26、由題已知,得由不定乘數(shù)的方程組 解得 方法二(按矩陣形式計算):由誤差方程上式可以表示為 即可得:式中:所以:即解得,將最佳估計值代入誤差方程可得,將計算得到的數(shù)據(jù)代入式中為求出估計量x,y的標(biāo)準(zhǔn)差,首先求出不定常數(shù)。由已知,不定常數(shù)的系數(shù)與正規(guī)方程的系數(shù)相同,因而是矩陣中各元素,即則可得估計量的標(biāo)準(zhǔn)差為5-5 測力計示值與測量時的溫度t的對應(yīng)值獨(dú)立測得如下表所示。15182124273043.6143.6343.6843.7143.7443.78設(shè)t無誤差,F(xiàn)值隨t的變化呈線性關(guān)系,試給出線性方程中系數(shù)和k的最小二乘估計及其相應(yīng)精度。解法一:利用矩陣求解,誤差方程可寫成即可得式中所以將最佳估計值代入誤差方程,得為求出估計量的標(biāo)準(zhǔn)差,需要求出不定乘數(shù)的系數(shù),而不定乘數(shù)的系數(shù)與正規(guī)方程的系數(shù)相同,因而是矩陣中各元素,即則可得估計量的標(biāo)準(zhǔn)差為解法二:,由 得正規(guī)方程組:正規(guī)方程為:解得: 解得: 57 不等精度測量的方程組如下:,;試求x,y的最小二乘法處
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