ความแปรปรวนของตัวต้านทานแบบขนาน


10

สมมติว่าคุณมีชุดตัวต้านทาน R ซึ่งทั้งหมดจะถูกกระจายด้วยค่าเฉลี่ยμและความแปรปรวนσ

พิจารณาส่วนของวงจรที่มีเลย์เอาต์ต่อไปนี้: (r) || (r + r) || (R + R + R) ความต้านทานเท่ากันของแต่ละส่วนคือ r, 2r และ 3r ความแปรปรวนของแต่ละส่วนก็จะσ2 , 2σ2 , 3σ2 2

ความแตกต่างในความต้านทานของวงจรทั้งหมดคืออะไร?

หลังจากการสุ่มตัวอย่างหลายล้านจุดที่เราพบว่าความแปรปรวนอยู่ที่ประมาณ.10286σ2 2

เราจะมาถึงข้อสรุปนี้ได้อย่างไร

แก้ไข: ค่าความต้านทานจะถือว่าได้รับการกระจายตามปกติกับบางต้านทาน R ค่าเฉลี่ยและความแปรปรวนσ2 2


1
ฉันไม่เชื่อว่านี่เป็นรูปแบบที่เหมาะสมในการเริ่มต้น คุณคุ้นเคยกับทฤษฎีเสียงรบกวนวงจรความร้อนของNyquist-Johnsonหรือไม่? หากคุณตั้งใจทำสิ่งที่แตกต่างมันจะน่าสนใจที่จะเห็นแรงจูงใจ มิฉะนั้นอาจถือว่าคุ้มค่าที่จะพิจารณาแบบจำลองมาตรฐานเพิ่มเติม :)
สำคัญ

ใช่ในขณะที่ฉันกำลังเขียนความพยายามของฉันที่จะตอบฉันก็ตระหนักว่ารูปแบบที่เห็นได้ชัดว่าไม่เวไนยเหมือนมันถูกวาง อย่างไรก็ตามฉันคิดว่านี่เป็นปัญหาเชิงวิชาการมากกว่าปัญหาจริง (พวกเขากำลังจำลองสถานการณ์)
Néstor

ฉันขอโทษที่มีซิกมาเป็นความแปรปรวนฉันเคยใช้ VAR และมีคนแก้ไขซิกม่า
lrAndroid

ขอบคุณสำหรับการอัพเดท. ฉันยังคงสนใจแรงจูงใจเบื้องหลังคำถามนี้หากคุณยินดีที่จะเพิ่มคำถามนั้นลงไปเล็กน้อย :)
สำคัญ

คำตอบ:


9

ความต้านทานที่เทียบเท่าของวงจรทั้งหมดจะแก้ปัญหา หนึ่งสันนิษฐานว่าสำหรับตัวแปรสุ่มบางอิสระศูนย์กลางและมีความแปรปรวน1R

1R=i=131Ri.
Ri=iμ+σiZiZi1

หากไม่มีข้อบ่งชี้เพิ่มเติมเราไม่สามารถคำนวณความแปรปรวนของได้ดังนั้นเราจะพิจารณาระบอบการปกครองโดยที่ จากนั้น ดังนั้น ที่ ใครเห็นว่า นอกจากนี้ ดังนั้นในขีด จำกัดR

σμ.
1Ri=1iμσμ2Ziii+higher order terms,
1R=aμσμ2Z+higher order terms,
a=i=131i=116,Z=i=13Ziii.
E(Z)=0,E(Z2)=b,b=i=131i3=251216.
R=μaσa2Z+higher order terms,
σ0, และ asymptotics เหล่านี้ของและสามารถสรุปความต้านทานจำนวนใด ๆ ในแบบคู่ขนานแต่ละแบบเป็นผลมาจากความต้านทานระดับในแบบความต้านทานระดับประถมเป็นอิสระและแต่ละค่าเฉลี่ยมีความแตกต่างและความแปรปรวน 2 จากนั้นเมื่อ , ที่ไหน
E(R)μa=611μ,
Var(R)σ2ba4=σ2(611)4251216=σ20.10286
E(R)Var(R)niμσ2σ0
E(R)μa,σ2Var(R)ba4,
a=i1ni,b=i1ni3.

8

ฉันไม่คิดว่าคำตอบที่แน่นอนขึ้นอยู่กับและเท่านั้น เมื่อคุณสุ่มตัวอย่างฉันสมมติว่าคุณต้องใช้การกระจายแบบคอนกรีต - อาจเป็นการกระจายตัวแบบปกติ ไม่ว่าในกรณีใดเราสามารถคำนวณค่าเฉลี่ยและความแปรปรวนของความต้านทานของวงจรในการประมาณเชิงเส้นจากนั้นรูปแบบการกระจายที่แน่นอนนั้นไม่เกี่ยวข้องμσ2

ความต้านทานของวงจร1} ในการประมาณเชิงเส้นค่าเฉลี่ยและความแปรปรวนของส่วนกลับของตัวแปรสุ่มที่มีค่าเฉลี่ยและผลต่างคือและตามลำดับ ดังนั้นเราจึงมีผลรวมของข้อตกลงกับหมายถึง ,และและความแปรปรวน ,และตามลำดับซึ่งเพิ่มขึ้นเป็นค่าเฉลี่ยของและความแตกต่างของ(R11+R21+R31)1μσ21/μσ2/μ41/μ1/(2μ)1/(3μ)σ2/μ4σ2/(8μ4)σ2/(27μ4)116/μ251216σ2/μ4. จากนั้นรับผลตอบแทนที่เป็นค่าเฉลี่ยของและความแปรปรวนของในข้อตกลงกับผลลัพธ์ของคุณ611μ(251216σ2/μ4)/(116/μ)4=150614641σ20.10286σ2


แน่นอนว่าสมมติว่าตัวต้านทานเป็นตัวแปรสุ่มอิสระ

@ Robert: ใช่ (ความต้านทานค่อนข้าง) นั่นถูกสันนิษฐานไว้แล้วในการคำนวณค่าความแปรปรวน ,และในคำถามและมันทำให้เกิดความรู้สึกทางกายภาพ (แม้ว่าเราจะใช้ตัวต้านทานทั้งหมดจากชุดการผลิตเดียวกันความต้านทานของพวกมันจะค่อนข้างสัมพันธ์กัน ) σ2σ3σ
joriki

ในการออกแบบจริงแน่นอนความต้านทานอยู่ไกลจาก rvs อิสระ อันที่จริงมีการทำงานหลายอย่างในเค้าโครงเพื่อให้องค์ประกอบบางกลุ่มติดตามซึ่งกันและกัน (เรียกว่า '' การจับคู่ 'ไม่น่าแปลกใจ)

1
คุณใช้หรือไม่ ฉันกำลังมากขึ้นเคยเห็นนี้เขียนเป็น 2 σ=E(XEX)2σ2

@ copper.hat: คุณค่อนข้างถูกต้องเกี่ยวกับแน่นอน - ฉันใช้สัญลักษณ์ที่ใช้ในคำถามโดยไม่ต้องคิด σ2
joriki

5

ขึ้นอยู่กับรูปร่างของการกระจายตัวของความต้านทาน โดยไม่รู้การกระจายตัวฉันไม่สามารถพูดความต้านทานโดยเฉลี่ยได้แม้ว่าฉันคิดว่ามีข้อ จำกัด

ดังนั้นขอเลือกการจัดจำหน่ายซึ่งเป็น tractible: Let 'เป็นส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของความต้านทานของหนึ่งตัวต้านทาน ให้ความต้านทานเป็นกับแต่ละสัญญาณที่เกิดขึ้นกับความน่าจะเป็นกับ1/2สิ่งนี้ให้เราพิจารณาเรื่องหรือถ้าเรารวมบางกรณี แน่นอนว่าเราจะถือว่าการต่อต้านเป็นอิสระsμ±s1/226=642×3×4=24

ถ้าเราเลือกและแล้วเฉลี่ย (ลดลงเล็กน้อยจาก ) และความแปรปรวนเป็น0.102864ถ้าเราเลือกและแล้วความแปรปรวนเป็น0.103693μ=100s=154.543291100×6110.102864μ=5s=10.103693

นี่คือการขยายอนุกรมกำลังสำหรับอัตราส่วนระหว่างความแปรปรวนเมื่อค่าเฉลี่ยคือและความแปรปรวนคือ :3) เมื่อมีขนาดเล็กในระยะที่โดดเด่นคือ0.1028621x150614641+360001771561x+21801619487171x2+O(x3)x150614641=0.102862

ในขณะที่คำถามที่คุณถามทางเทคนิคนั้นขึ้นอยู่กับการกระจายคุณอาจสนใจในสถานการณ์ที่ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเล็กเมื่อเทียบกับค่าเฉลี่ยและฉันคิดว่ามีขีด จำกัด ที่กำหนดไว้อย่างดีซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับการกระจาย จัดเรียงเชิงเส้นของการพึ่งพาความต้านทานของวงจรเป็นฟังก์ชันของความต้านทานของแต่ละชิ้น:

C=11/R1+1/(R2+R3)+1/(R4+R5+R6)

611μ+i=16(Riμ)CRi(μ,μ,μ,μ,μ,μ)

Var(C)i=16Var(Ri)(CRi(μ,μ,μ,μ,μ,μ))2

ด้วยวงจรที่เฉพาะเจาะจงนี้อนุพันธ์ย่อยบางส่วนที่มีขนาดและ36121,9121,9121,4121,4121,4121

(36121)2+2(9121)2+3(4121)2=150614641=0.102862

1
สิ่งนี้ทำให้ฉันนึกถึงทฤษฎีบทเดลต้าหลายตัวแปรเช่น มีค่าเฉลี่ยและความแปรปรวนตามลำดับแล้วควรมีความแปรปรวนแบบ asymptotic เป็นโดยที่และ\] คำตอบสุดท้ายเป็นเช่นเดียวกับ @Douglas จนผ่านและ OP ที่เป็น 0.1028 2 R1,R2,R3μ,2μ,3μσ2,2σ2,3σ2g(R1,R2,R3)=((1/R1)+(1/R2)+(1/R3))1g(μ)Σg(μ)g(μ)=(36121,9121,4121)Σ=\[(.σ20002σ20003σ2)\]σ2
VitalStatistix

1

ฉันเตือนว่าอย่างที่ฉันให้เหตุผลนี่เป็นคำตอบที่ยาวแต่อาจมีบางคนสามารถคิดสิ่งที่ดีกว่าจากความพยายามของฉัน (ซึ่งอาจไม่เหมาะสม) นอกจากนี้ฉันอ่านคำถาม OPs ผิดและคิดว่ามันบอกว่าความต้านทานที่กระจายตามปกติ ฉันจะทิ้งคำตอบไว้แล้ว แต่นั่นเป็นข้อสันนิษฐาน

1. การใช้เหตุผลทางกายภาพของปัญหา

เหตุผลของฉันมีดังนี้: จำไว้ว่าสำหรับตัวต้านทานที่อยู่ใน paralel ความต้านทานที่เทียบเท่าจะได้รับจาก:Req

Req1=iN1Ri,

ที่คือความต้านทานของแต่ละส่วนของวงจร ในกรณีของคุณสิ่งนี้ทำให้เราRi

Req=(1R1+1R2+1R3)1,   ()
โดยที่เป็นส่วนหนึ่งของวงจรที่มีความต้านทาน 1 ตัวดังนั้นจึงมีการแจกแจงแบบปกติที่มีค่าเฉลี่ยและความแปรปรวนและด้วยเหตุผลเดียวกันคือ ความต้านทานที่เท่ากันของส่วนของวงจรที่มีความต้านทานสองค่าและในที่สุดคือความต้านทานเทียบเท่าของส่วนหนึ่งของวงจรที่มีความต้านทานสามตัว คุณควรจะพบการกระจายของและจากนั้นได้รับความแปรปรวนของมันR1μσ2R2N(2μ,2σ2)R3N(3μ,3σ2)Req

2. การได้รับการแจกจ่ายReq

วิธีหนึ่งในการค้นหาการแจกแจงคือการสังเกตว่า: จากที่นี่เรายังทราบว่าเราสามารถเขียน (ซึ่งได้มาจากทฤษฎีบทเบย์) ความเป็นอิสระระหว่าง ,และ (ซึ่งเป็นไปได้จริง) สามารถเขียนเป็น การแทนที่สิ่งนี้ในและสังเกตว่าผลที่ตามมาของความเป็นอิสระระหว่างการต่อต้านทั้งสามคือ

p(Req)=p(Req,R1,R2,R3)dR1dR2dR3=p(R1|Req,R2,R3)p(Req,R2,R3)dR1dR2dR3.   (1)
p(Req,R2,R3)=p(R2|Req,R3)p(Req,R3)=p(R2|Req,R3)p(Req|R3)p(R3)
R1R2R3
p(Req,R2,R3)=p(R2|Req)p(Req|R3)p(R3).
(1)p(R1|Req,R2,R3)=p(R1|Req)เราได้รับ: ปัญหาสุดท้ายของเราคือการหาคือการกระจายของ rv . ปัญหานี้คล้ายคลึงกับที่เราพบที่นี่ยกเว้นตอนนี้คุณแทนที่ eq โดยคงพูดr_3ตามอาร์กิวเมนต์เดียวกันกับด้านบนคุณจะพบว่า ส่วนที่เหลือคือ แทนที่การแจกแจงที่รู้จักยกเว้นปัญหาเล็กน้อย: การแจกแจงของสามารถหาได้จากโดยสังเกตว่า
p(Req)=p(R1|Req)p(R2|Req)p(Req|R3)p(R3)dR1dR2dR3=p(Req|R3)p(R3)dR3.   (2)
p(Req|R3)Req|R3R3()r3
p(Req|R3)=p(Req|R2,R3)p(R2)dR2.   (3)
Req|R2,R3()X1คือ gaussian ดังนั้นคุณจำเป็นต้องค้นหาการกระจายของตัวแปรสุ่ม ที่และเป็นค่าคงที่ และคือเกาส์ที่มีค่าเฉลี่ยและความแปรปรวน 2 หากการคำนวณของฉันถูกต้องการกระจายนี้คือ: ที่ ดังนั้นการจะเป็น
W=(1X+a+b)1,
abXμσ2
p(W)=1[1W(a+b)]212πσ2exp(X(W)μ2σ2),
X(W)=1W1ab,
Req|R2,R3
p(Req|R2,R3)=1[1Req(a+b)]212πσ2exp(X(Req)μ2σ2),
ที่และขเป็นสิ่งที่ผมไม่ทราบว่านี้เป็นเวไนยวิเคราะห์เพื่อแก้หนึ่งในสมการซึ่งจะนำเราไปสู่การแก้ poblem โดยการแทนที่มันผลในสมการ(2)อย่างน้อยสำหรับฉันในเวลากลางคืนนี้มันไม่ได้เป็นa=1/R2b=1/R3(3)(2)

คุณถือว่าการกระจายตัวแบบปกติแม้ว่าแนวต้านไม่สามารถเป็นค่าลบได้ ฉันเดาว่านี่จะทำให้ความแตกต่างของวงจรแยก
Douglas Zare

1
ฉันรู้ว่า bottered ฉันเกินไป แต่ในทางปฏิบัติจริงๆมันขึ้นอยู่กับค่าของและ 2 ถ้าและคุณสามารถ "บันทึก" โมเดลได้ ในสภาวะปกติการกระจายตัวของความต้านทานจะไม่สูงมากดังนั้นการคาดคะเนครั้งสุดท้ายจึงเป็นไปอย่างชัดเจน นี่คือสิ่งที่รบกวนฉันในตอนแรกเมื่อผู้คนทำแบบจำลองความสูงเป็นตัวแปรสุ่มแบบธรรมดา แต่ด้วยเหตุผลเดียวกับที่ฉันให้ที่นี่บางคนที่ Stack-exchange ทำให้ฉันรู้สึกโอเคกับมัน :-) μσ2μ>>0μ>>σ
Néstor

อืมฉันคิดว่าการสร้างแบบจำลองความสูงตามปกตินั้นแย่มากจนฉันใช้มันเป็นตัวอย่างของการกระจายซึ่งเห็นได้ชัดว่าไม่ปกติ ฉันคิดว่ามันอาจจะไม่น่ากลัวถ้าคุณมีประชากรของผู้ใหญ่ที่มีสุขภาพดีจากภูมิหลังทางพันธุกรรมเดียวกัน อย่างไรก็ตามฉันต้องการได้ยินจากนักชีววิทยาว่ามันโอเค เหตุผลที่ฉันได้ยินบ่อยเกินไปว่าขนาดของกระดูกแต่ละก้อนนั้นไม่ขึ้นอยู่กับความไร้สาระทั้งหมด
Douglas Zare

ฉันเพิ่งรู้ว่าความต้านทานไม่ได้กระจายตามปกติ (ฉันสามารถสาบานได้ว่าฉันอ่านพวกเขาในที่เดิมคำตอบ OPs แต่ฉันคิดว่ามันเป็นเพียงจินตนาการของฉัน)
Néstor
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.