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第二章誤差和分析數(shù)據(jù)處理第一節(jié)誤差分析工作中產(chǎn)生誤差原因很多,定量分析中誤差就其起源和性質(zhì)不一樣,可分為系統(tǒng)誤差、偶爾誤差和過(guò)失誤差。一、系統(tǒng)誤差定義:由于某種確定原因引發(fā)誤差,也稱可測(cè)誤差特點(diǎn):①重現(xiàn)性,②單向性,③可測(cè)性(大小成百分比或基本恒定)1第1頁(yè)分類:辦法誤差:由于不合適試驗(yàn)設(shè)計(jì)或所選辦法不恰當(dāng)所引發(fā)。2.儀器誤差:由于儀器未經(jīng)校準(zhǔn)或有缺陷所引發(fā)。3.試劑誤差:試劑變質(zhì)失效或雜質(zhì)超標(biāo)等不合格所引發(fā)4.操作誤差:分析者習(xí)慣性操作與正確操作有一定差異所引發(fā)。操作誤差與操作過(guò)失引發(fā)誤差是不一樣。二、偶爾誤差定義:由某些不確定偶爾原因所引發(fā)誤差,也叫隨機(jī)誤差.偶爾誤差出現(xiàn)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律,呈正態(tài)分布。2第2頁(yè)特點(diǎn):①隨機(jī)性(單次)②大小相等正負(fù)誤差出現(xiàn)機(jī)會(huì)相等。③小誤差出現(xiàn)機(jī)會(huì)多,大誤差出現(xiàn)機(jī)會(huì)少。三、過(guò)失誤差1、過(guò)失誤差過(guò)失誤差是由于操作人員粗心大意、過(guò)度疲勞、精神不集中等引發(fā)。其體現(xiàn)是出現(xiàn)離群值或異常值。2、過(guò)失誤差判斷——離群值舍棄在反復(fù)數(shù)次測(cè)試時(shí),常會(huì)發(fā)覺(jué)某一數(shù)據(jù)與平均值偏差大于其他所有數(shù)據(jù),這在統(tǒng)計(jì)學(xué)上稱為離群值或異常值。3第3頁(yè)離群值取舍問(wèn)題,實(shí)質(zhì)上就是在不知情情況下,區(qū)分兩種性質(zhì)不一樣偶爾誤差和過(guò)失誤差。(1)Q檢查法1)將所有測(cè)定值由小到大排序,其可疑值為X1或Xn2)求出極差R=xn-x13)求出可疑值與其最鄰近值之差x2-x1或xn-xn-1
4)求出統(tǒng)計(jì)量Q
或離群值檢查辦法:4第4頁(yè)5)查臨界值QP,n
6)若Q>QP.n,則舍去可疑值,不然應(yīng)保存。該辦法計(jì)算簡(jiǎn)單,但有時(shí)欠精確。例題:標(biāo)定一種標(biāo)準(zhǔn)溶液,測(cè)得4個(gè)數(shù)據(jù):0.1014、0.1012、0.1030和0.1016mol/L。試用Q檢查法確定數(shù)據(jù)0.1030是否應(yīng)舍棄?解:P=90%,n=4,查表Q90%,4=0.76<Q,因此數(shù)據(jù)0.1030應(yīng)舍棄。該離群值系過(guò)失誤差引發(fā)。5第5頁(yè)(2)G檢查法1)將所有測(cè)定值由小到大排序,其可疑值為X1或Xn2)計(jì)算平均值3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差S4)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量G5)查臨界值Gα,n6)若G>Gα,n,則舍去可疑值,不然應(yīng)保存?;蛟撧k法計(jì)算較復(fù)雜,但比較精確。6第6頁(yè)例:測(cè)定某藥品中鈷含量,得成果如下:1.25,1.27,1.31,1.40μg/g,試問(wèn)1.40這個(gè)數(shù)據(jù)是否應(yīng)當(dāng)保存(P=95%)?解:α=0.05,n=4,G0.05,4=1.48>G因此數(shù)據(jù)1.40應(yīng)當(dāng)保存。該離群值系偶爾誤差引發(fā)。第二節(jié)測(cè)量值精確度和精密度7第7頁(yè)一、精確度與誤差1.精確度指測(cè)量成果與真值接近程度,反應(yīng)了測(cè)量正確性,越接近精確度越高。系統(tǒng)誤差影響分析成果精確度。2.誤差精確度高低可用誤差來(lái)表達(dá)。誤差有絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差之分。(1)絕對(duì)誤差:測(cè)量值與真實(shí)值之差
(2)相對(duì)誤差:絕對(duì)誤差占真實(shí)值百分比
8第8頁(yè)例題:用分析天平稱兩個(gè)重量,一是0.0021g(真值為0.0022g),另一是0.5432g(真值為0.5431g)。兩個(gè)重量絕對(duì)誤差分別是-0.0001g和+0.0001g,相對(duì)誤差分別是(-0.0001/0.0022)×100%=-4.8%(+0.0001/0.5431)×100%=+0.018%3.真值與標(biāo)準(zhǔn)參照物質(zhì)任何測(cè)量都存在誤差,絕對(duì)真值是不也許得到,我們常用真值是①商定真值:由國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)國(guó)際計(jì)量大會(huì)定義單位、數(shù)值,如時(shí)間、長(zhǎng)度、原子量、物質(zhì)量等,是全球通用9第9頁(yè)②相對(duì)真值:由某一行業(yè)或領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)辦法取得測(cè)量值,如衛(wèi)生部藥品檢定所派發(fā)標(biāo)準(zhǔn)參照物質(zhì),應(yīng)用范圍有一定不足。③標(biāo)準(zhǔn)參照物質(zhì):具有相對(duì)真值物質(zhì),也稱為標(biāo)準(zhǔn)品,標(biāo)樣,對(duì)照品。應(yīng)有較好均勻性和穩(wěn)定性,其含量測(cè)量精確度最少要高于實(shí)際測(cè)量3倍。二、精密度與偏差1.精密度平行測(cè)量值之間互相接近程度,反應(yīng)了測(cè)量重現(xiàn)性,越接近精密度越高。偶爾誤差影響分析成果精密度,
10第10頁(yè)精密度高低可用偏差來(lái)表達(dá)。偏差表達(dá)辦法有(1)絕對(duì)偏差:?jiǎn)未螠y(cè)量值與平均值之差(2)平均偏差:絕對(duì)偏差絕對(duì)值平均值
2.偏差(3)相對(duì)平均偏差:平均偏差占平均值百分比(4)標(biāo)準(zhǔn)偏差11第11頁(yè)(5)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relativestandarddeviation-RSD,又稱變異系數(shù)coefficientofvariation-CV)例:用鄰二氮菲顯色法測(cè)定水中鐵含量,成果為10.48,10.37,10.47,10.43,10.40mg/L;計(jì)算單次分析成果平均偏差,相對(duì)平均偏差,標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。解:12第12頁(yè)三、精確度與精密度關(guān)系13第13頁(yè)1.精確度反應(yīng)了測(cè)量成果正確性,精密度反應(yīng)了測(cè)量成果重現(xiàn)性2.精密度好壞是衡量精確度高低前提。精密度好,準(zhǔn)確度不一定高,精密度差,所得成果不可靠。14第14頁(yè)四、誤差傳遞誤差傳遞分為系統(tǒng)誤差傳遞和偶爾誤差傳遞。1.系統(tǒng)誤差傳遞①和、差絕對(duì)誤差等于各測(cè)量值絕對(duì)誤差和、差。R=x+y-zδR=δx+δy-δz②積、商相對(duì)誤差等于各測(cè)量值相對(duì)誤差和、差R=xy/z15第15頁(yè)用減重法稱得基準(zhǔn)物AgNO34.3024g,溶于250ml棕色瓶中,稀釋至刻度,配成0.1003mol/LAgNO3標(biāo)液。經(jīng)檢查發(fā)覺(jué):倒出前稱量誤差是-0.2mg,倒出后稱量誤差是+0.3mg,容量瓶容積誤差為-0.07ml。問(wèn)配得AgNO3絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和實(shí)際濃度各是多少?16第16頁(yè)2.偶爾誤差傳遞①和、差成果標(biāo)準(zhǔn)偏差平方,等于各測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差平方和。
R=x+y-z②積、商成果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差平方,等于各測(cè)量值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差平方和。R=xy/z17第17頁(yè)
分析天平稱量時(shí),單次標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.10mg,求減量法稱量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差。3.測(cè)量值極值誤差在分析化學(xué)中,若需要估計(jì)一下整個(gè)過(guò)程也許出現(xiàn)最大誤差時(shí),可用極值誤差來(lái)表達(dá)。它假設(shè)在最不利情況下多種誤差都是最大,并且是互相累積,計(jì)算出成果誤差當(dāng)然也是最大,故稱極值誤差。18第18頁(yè)①和、差極值誤差等于各測(cè)量值絕對(duì)誤差絕對(duì)值之和。R=x+y-z②積、商極值相對(duì)誤差等于各測(cè)量值相對(duì)誤差絕對(duì)值之和。R=xy/z標(biāo)定NaOH溶液,稱取KHP0.2023g,溶解,用NaOH溶液滴定,消耗20.00ml。計(jì)算成果極值相對(duì)誤差。19第19頁(yè)20第20頁(yè)五、提升分析成果精確度辦法(一)選擇恰當(dāng)分析辦法不一樣辦法,其敏捷度、精確度、精密度和選擇性是不相同,應(yīng)根據(jù)待測(cè)組分含量、性質(zhì)、試樣組成及對(duì)精確度要求來(lái)選擇,還要考慮現(xiàn)有條件和分析成本。(二)減小測(cè)量誤差提升儀器測(cè)量精度,減小絕對(duì)誤差1/萬(wàn)分析天平,誤差為±0.0001g1/10萬(wàn)分析天平,誤差為±0.00001g增大稱量質(zhì)量或滴定劑體積,減小相對(duì)誤差例:天平一次稱量誤差為0.0001g,兩次稱量誤差為0.0002g,RE%0.1%,計(jì)算最少稱樣量?21第21頁(yè)例:滴定管一次讀數(shù)誤差為0.01mL,兩次讀數(shù)誤差為0.02mL,RE%0.1%,計(jì)算最少移液體積?(三)減小偶爾誤差影響增加平行測(cè)定次數(shù),用平均值報(bào)告成果,一般測(cè)3~5次。22第22頁(yè)(四)消除測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)誤差
1.與典型辦法進(jìn)行比較用標(biāo)準(zhǔn)辦法和所選辦法同步測(cè)定某一試樣,測(cè)定成果做統(tǒng)計(jì)檢查,判斷有沒(méi)有系統(tǒng)誤差。
2.校準(zhǔn)儀器對(duì)砝碼、移液管、酸度計(jì)等進(jìn)行校準(zhǔn),消除儀器引發(fā)系統(tǒng)誤差3.對(duì)照試驗(yàn)選用組成與試樣相近標(biāo)準(zhǔn)試樣,在相同條件下進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定成果與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)照,判斷有沒(méi)有系統(tǒng)誤差。4.回收試驗(yàn)23第23頁(yè)稱取等量試樣兩份,在其中一份試樣中加入已知量待測(cè)組分,平行進(jìn)行兩份試樣測(cè)定,由加入被測(cè)組分量是否認(rèn)量回收,判斷有沒(méi)有系統(tǒng)誤差。
回收率一般應(yīng)在95%~105%,太高或太低都說(shuō)明有較大系統(tǒng)誤差存在。5.空白試驗(yàn)在不加試樣情況下,按試樣分析步驟和條件進(jìn)行分析試驗(yàn),所得成果為空白值,從試樣測(cè)定成果中扣除即能夠消除試劑、蒸餾水和容器引入雜質(zhì)。24第24頁(yè)第三節(jié)有效數(shù)字及其運(yùn)算法則一、有效數(shù)字定義
有效數(shù)字就是實(shí)際能測(cè)到數(shù)字。有效數(shù)字位數(shù)和分析過(guò)程所用測(cè)量?jī)x器精確度有關(guān)。有效數(shù)字=精確數(shù)字+最后一位欠準(zhǔn)數(shù)(±1)如滴定管讀數(shù)23.57ml,4位有效數(shù)字。稱量質(zhì)量為6.1498g,5位有效數(shù)字2.“0”作用作為有效數(shù)字使用或作為定位標(biāo)志。
例:滴定管讀數(shù)為20.30毫升,有效數(shù)字位數(shù)是四位。表達(dá)為0.02030升,前兩個(gè)0是起定位作用,不是有效數(shù)字,此數(shù)據(jù)仍是四位有效數(shù)字。
25第25頁(yè)3.要求
(1)變化單位并不變化有效數(shù)字位數(shù)。20.30ml0.02030L(2)在整數(shù)末尾加0作定位時(shí),要用科學(xué)計(jì)數(shù)法表達(dá)。例:3600→3.6×103兩位→3.60×103三位(3)在分析化學(xué)計(jì)算中遇到倍數(shù)、分?jǐn)?shù)關(guān)系時(shí),視為無(wú)限多位有效數(shù)字。
(4)對(duì)數(shù)數(shù)值有效數(shù)字位數(shù)由該數(shù)值尾數(shù)部分定。[H+]=6.3×10-12[mol/L]→pH=11.20兩位
(5)首位為8或9數(shù)字,有效數(shù)字可多計(jì)一位。92.5能夠以為是4位有效數(shù);26第26頁(yè)二、有效數(shù)字修約規(guī)則1.基本規(guī)則:四舍六入五成雙當(dāng)尾數(shù)≤4時(shí)則舍,尾數(shù)≥6時(shí)則入;尾數(shù)等于5而背面數(shù)都為0時(shí),5前面為偶數(shù)則舍,5前面為奇數(shù)則入;尾數(shù)等于5而背面尚有不為0任何數(shù)字,無(wú)論5前面是奇或是偶都入。
例:將下列數(shù)字修約為4位有效數(shù)字。
0.526647--------0.5266
10.23500--------10.24
250.65000-------250.6
18.085002--------18.09
3517.46--------351727第27頁(yè)
2.一次修約到位,不能分次修約錯(cuò)誤修約:4.1349→4.135→4.14
正確修約:4.1349→4.13在修約相對(duì)誤差、相對(duì)平均偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差等表達(dá)精確度和精密度數(shù)字時(shí),一般取1~2位有效數(shù)字,只要尾數(shù)不為零,都要進(jìn)一位,使成果變差,從而提升可信度28第28頁(yè)三、有效數(shù)字運(yùn)算法則(一)加減法:以小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)最少數(shù)為準(zhǔn)(即以絕對(duì)誤差最大數(shù)為準(zhǔn))例:50.1+1.45+0.5812=52.1δ±0.1±0.01±0.0001(二)乘除法:以有效數(shù)字位數(shù)最少數(shù)為準(zhǔn)(即以相對(duì)誤差最大數(shù)為準(zhǔn))
δ±0.0001±0.01±0.00001例:0.0121×25.64×1.05782=0.328RE±0.8%±0.4%±0.009%(三)乘方、開(kāi)方成果有效數(shù)字位數(shù)不變29第29頁(yè)(四)對(duì)數(shù)換算成果有效數(shù)字位數(shù)不變[H+]=6.3×10-12[mol/L]→pH=11.20兩位
四、在分析化學(xué)中應(yīng)用1.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如在萬(wàn)分之一分析天平上稱得某物體重0.2500g,只能統(tǒng)計(jì)為0.2500g,不能記成0.250g或0.25g。又如從滴定管上讀取溶液體積為24mL時(shí),應(yīng)當(dāng)記為24.00mL,不能記為24mL或24.0mL。2.儀器選用若要稱取約3.0g樣品時(shí),就不需要用萬(wàn)分之一分析天平,用十分之一天平即可。30第30頁(yè)3.成果表達(dá)如分析煤中含硫量時(shí),稱樣量為3.5g。兩次測(cè)定成果:甲為0.042%和0.041%;乙為0.04201%和0.04199%。顯然甲正確,而乙不正確。第四節(jié)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理一、偶爾誤差正態(tài)分布偶爾誤差符合正態(tài)分布,正態(tài)分布概率密度函數(shù)式:31第31頁(yè)正態(tài)分布兩個(gè)主要參數(shù):(1)μ為無(wú)限次測(cè)量總體均值,表達(dá)無(wú)限個(gè)數(shù)據(jù)集中趨勢(shì)(無(wú)系統(tǒng)誤差時(shí)即為真值)(2)σ是總體標(biāo)準(zhǔn)偏差,表達(dá)數(shù)據(jù)離散程度32第32頁(yè)x=μ時(shí),y最大2.曲線以x=μ直線為對(duì)稱3.當(dāng)x→﹣∞或﹢∞時(shí),曲線以x軸為漸近線4.σ↑,y↓,數(shù)據(jù)分散,曲線平坦;σ↓,y↑,數(shù)據(jù)集中,曲線尖銳5.測(cè)量值都落在-∞~+∞,總概率為1特點(diǎn):33第33頁(yè)為了計(jì)算和使用方便,作變量代換34第34頁(yè)以u(píng)為變量概率密度函數(shù)表達(dá)正態(tài)分布曲線稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線,此曲線形狀與σ大小無(wú)關(guān)注:u是以σ為單位來(lái)表達(dá)隨機(jī)誤差x–μ。u=0時(shí),x=μ35第35頁(yè)二、t分布曲線在t分布曲線中,縱坐標(biāo)仍為概率密度,橫坐標(biāo)是統(tǒng)計(jì)量t而不是u。t定義為或t分布曲線隨自由度f(wàn)=n-1變化,當(dāng)n→∞時(shí),t分布曲線即是正態(tài)分布。36第36頁(yè)注:t是以S為單位來(lái)表達(dá)隨機(jī)誤差x–μ。t=0時(shí),x=μ一般用置信水平(置信度)P表達(dá)測(cè)定值落在一定范圍內(nèi)(μ±tS)概率,用顯著性水平α表達(dá)落在此范圍之外概率。顯然,α=1-P-t0+t37第37頁(yè)由于t值與α、f有關(guān),應(yīng)加注腳標(biāo),用tα,f表達(dá)。例如,t0.05,4表達(dá)置信度為95%(顯著性水平為0.05)、自由度f(wàn)=4時(shí)t值。雙側(cè)檢查,t0.05,4=2.776-2.7760+2.776-2.1320+2.132單側(cè)檢查,t0.05,4=2.132三、平均值精密度和置信區(qū)間(一)平均值精密度38第38頁(yè)從一種總體中抽出一種容量為m樣本,得單次測(cè)量值X1、x2、…Xm,該樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差S表達(dá)單次測(cè)量值精密度。假如從同一總體中抽出n個(gè)容量都為m樣本,則得到n組數(shù)據(jù),它們平均值分別是,其標(biāo)準(zhǔn)偏差表達(dá)平均值精密度。平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差與樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差(即單次測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差)S有下列關(guān)系:39第39頁(yè)(二)平均值置信區(qū)間我們以x為中心,在一定置信度下,估計(jì)μ值所在范圍(x±tS),稱為單次測(cè)量值置信區(qū)間:
μ=X±ts我們以為中心,在一定置信度下,估計(jì)μ值所在范圍,稱為平均值置信區(qū)間:40第40頁(yè)置信區(qū)間上限為,用XU表達(dá);下限為,用XL表達(dá)。置信區(qū)間分為雙側(cè)置信區(qū)間和單側(cè)置信區(qū)間兩種。雙側(cè)置信區(qū)間是在一定置信度下,XL<μ<XU;單側(cè)置信區(qū)間是在一定置信度下,μ<XU或μ>XL。用8-羥基喹啉法測(cè)定Al含量,9次測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.042%,平均值10.79%。計(jì)算置信度為95%和99%時(shí)置信區(qū)間。1.P=0.95;α=1-P=0.05;f=9-1=8;t0.05,8=2.30641第41頁(yè)2.P=0.99;α=1-P=0.01;f=9-1=8;t0.01,8=3.355注意:置信度越大且置信區(qū)間越小時(shí),數(shù)據(jù)就越可靠2.置信度一定期,減小偏差、增加測(cè)量次數(shù),能夠減小置信區(qū)間3.在標(biāo)準(zhǔn)偏差和測(cè)量次數(shù)一定期,置信度越大,置信區(qū)間就越大42第42頁(yè)四、顯著性檢查在分析工作中常遇到兩種情況:一是用兩種不一樣辦法對(duì)樣品進(jìn)行分析,分析成果是否存在顯著性差異;二是不一樣人或不一樣單位,用相同辦法對(duì)試樣進(jìn)行分析,分析成果是否存在顯著性差異。這要用統(tǒng)計(jì)辦法加以檢查。(一)F檢查比較兩組數(shù)據(jù)方差(S2),確定它們精密度是否存在顯著性差異,用于判斷兩組數(shù)據(jù)間存在偶爾誤差是否顯著不一樣。43第43頁(yè)檢查步驟:計(jì)算兩組數(shù)據(jù)方差比值F,查單側(cè)臨界臨界值比較判斷:兩組數(shù)據(jù)精密度不存在顯著性差異,S1與S2相稱。兩組數(shù)據(jù)精密度存在著顯著性差異,S2顯著優(yōu)于S1。44第44頁(yè)例題:用兩種辦法測(cè)定同同樣品中某組分。放法一,共測(cè)6次,S1=0.055;辦法二,共測(cè)4次,S2=0.022。在P=95%時(shí),試問(wèn)這兩種辦法精密度有沒(méi)有顯著性差異。解:f1=6-1=5;f2=4-1=3,α=0.05由表查得F0.05,5,3=9.01>6.25
因此,S1與S2無(wú)顯著性差異,即兩種辦法精密度相稱。45第45頁(yè)(二)t檢查將平均值與標(biāo)準(zhǔn)值或兩個(gè)平均值之間進(jìn)行比較,以確定它們精確度是否存在顯著性差異,用來(lái)判斷分析辦法或操作過(guò)程中是否存在較大系統(tǒng)誤差。平均值與標(biāo)準(zhǔn)值(真值)比較檢查步驟:計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t查雙側(cè)臨界臨界值tα,f比較判斷:46第46頁(yè)當(dāng)t>tα,f時(shí),說(shuō)明平均值與標(biāo)準(zhǔn)值存在顯著性差異,分析辦法或操作中有較大系統(tǒng)誤差存在,精確度不高;當(dāng)t<tα,f時(shí),說(shuō)明平均值與標(biāo)準(zhǔn)值不存在顯著性差異,分析辦法或操作中無(wú)顯著系統(tǒng)誤差存在,精確度高。用某種新辦法測(cè)定基準(zhǔn)明礬中鋁百分含量,得到下列9個(gè)分析成果:10.74,10.77,10.77,10.77,10.81,10.82,10.73,10.86,10.81。已知明礬中鋁標(biāo)準(zhǔn)值為10.77。試問(wèn)采取新辦法后是否引發(fā)系統(tǒng)誤差(置信度為95%)?47第47頁(yè)f=9-1=8,α=0.05,tα,f=2.31>t
說(shuō)明平均值與標(biāo)準(zhǔn)值不存在顯著性差異,新辦法無(wú)顯著系統(tǒng)誤差存在。2.平均值與平均值比較兩個(gè)平均值是指試樣由不一樣分析人員測(cè)定,或同一分析人員用不一樣辦法、不一樣儀器測(cè)定。48第48頁(yè)檢查步驟:計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t式中SR稱為合并標(biāo)準(zhǔn)偏差:查雙側(cè)
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