Aufgabe 3.2: Erwartungswertberechnungen

From LNTwww

2D–Wahrscheinlichkeitsfunktion

Wir betrachten folgende Wahrscheinlichkeitsfunktionen:

$$P_X(X) = \big[1/2,\ 1/8,\ 0,\ 3/8 \big],$$
$$P_Y(Y) = \big[1/2,\ 1/4,\ 1/4,\ 0 \big],$$
$$P_U(U) = \big[1/2,\ 1/2 \big],$$
$$P_V(V) = \big[3/4,\ 1/4\big].$$

Für die dazugehörigen Zufallsgrößen gelte:

$X= \{0,\ 1,\ 2,\ 3\}$,     $Y= \{0,\ 1,\ 2,\ 3\}$,    $U = \{0,\ 1\}$,     $V = \{0, 1\}$.

Oft muss man für solche diskreten Zufallsgrößen verschiedene Erwartungswerte der Form

$${\rm E} \big [ F(X)\big ] =\hspace{-0.3cm} \sum_{x \hspace{0.05cm}\in \hspace{0.05cm}\hspace{-0.03cm} {\rm supp} (P_X)} \hspace{-0.1cm} P_{X}(x) \cdot F(x) $$

berechnen. Hierbei bedeuten:

  • $P_X(X)$  bezeichnet die Wahrscheinlichkeitsfunktion der diskreten Zufallsgröße  $X$.
  • Der  Support  von  $P_X$  umfasst alle diejenigen Realisierungen  $x$  der Zufallsgröße  $X$  mit nicht verschwindender Wahrscheinlichkeit.
  • Formal kann hierfür geschrieben werden:
$${\rm supp} (P_X) = \{ x: \hspace{0.25cm}x \in X \hspace{0.15cm}\underline{\rm und} \hspace{0.15cm} P_X(x) \ne 0 \} \hspace{0.05cm}.$$
  • $F(X)$  ist eine (beliebige) reellwertige Funktion, die im gesamten Definitionsgebiet der Zufallsgröße  $X$  angebbar ist.


In der Aufgabe sollen die Erwartungswerte für verschiedene Funktionen  $F(X)$  berechnet werden, unter anderem für

$F(X)= 1/P_X(X)$,
$F(X)= P_X(X)$,
$F(X)= - \log_2 \ P_X(X)$.





Hinweise:

  • Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Einige Vorbemerkungen zu den 2D-Zufallsgrößen.
  • Die beiden 1D–Wahrscheinlichkeitsfunktionen  $P_X(X)$  und  $P_Y(Y)$  ergeben sich aus der dargestellten 2D–PMF  $P_{XY}(X,\ Y)$, wie in  Aufgabe 3.2Z  gezeigt werden soll.
  • Zu den binären Wahrscheinlichkeitsfunktionen  $P_U(U)$  und  $P_V(V)$  kommt man entsprechend den Modulo–Operationen  $U = X \hspace{0.1cm}\text{mod} \hspace{0.1cm}2$  sowie  $V = Y \hspace{0.1cm}\text{mod} \hspace{0.1cm} 2$.


Fragebogen

1

Welche Ergebnisse liefern die folgenden Erwartungswerte?

${\rm E}\big[1/P_X(X)\big] \ = \ $

${\rm E}\big[1/P_{\hspace{0.04cm}Y}(\hspace{0.02cm}Y\hspace{0.02cm})\big] \ = \ $

2

Geben Sie die folgenden Erwartungswerte an:

${\rm E}\big[P_X(X)\big] \ = \ $

${\rm E}\big[P_Y(Y)\big] \ = \ $

3

Berechnen Sie nun die folgenden Erwartungswerte:

${\rm E}\big[P_Y(X)\big] \ = \ $

${\rm E}\big[P_X(Y)\big] \ = \ $

4

Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?

${\rm E}\big[- \log_2 \ P_U(U)\big]$  ergibt die Entropie der Zufallsgröße  $U$.
${\rm E}\big[- \log_2 \ P_V(V)\big]$  ergibt die Entropie der Zufallsgröße  $V$.
${\rm E}\big[- \log_2 \ P_V(U)\big]$  ergibt die Entropie der Zufallsgröße  $V$.


Musterlösung

(1)  Allgemein gilt für den Erwartungswert der Funktion  $F(X)$  hinsichtlich der Zufallsvariablen  $X$:

$${\rm E} \left [ F(X)\right ] = \hspace{-0.4cm} \sum_{x \hspace{0.05cm}\in \hspace{0.05cm} {\rm supp} (P_X)} \hspace{-0.2cm} P_{X}(x) \cdot F(x) \hspace{0.05cm}.$$

Im vorliegenden Beispiel gilt dabei  $X = \{0,\ 1,\ 2,\ 3\}$  und  $P_X(X) = \big [1/2, \ 1/8, \ 0, \ 3/8\big ]$.

  • Wegen  $P_X(X = 2) = 0$  ergibt sich somit für die zu berücksichtigende Menge  (dem "Support")  in obiger Summation:
$${\rm supp} (P_X) = \{ 0\hspace{0.05cm}, 1\hspace{0.05cm}, 3 \} \hspace{0.05cm}.$$
  • Mit  $F(X) = 1/P_X(X)$  erhält man weiter:
$${\rm E} \big [ 1/P_X(X)\big ] = \hspace{-0.4cm} \sum_{x \hspace{0.05cm}\in \hspace{0.05cm} \{ 0\hspace{0.05cm}, 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 3 \}} \hspace{-0.4cm} P_{X}(x) \cdot {1}/{P_X(x)} = \hspace{-0.4cm} \sum_{x \hspace{0.05cm}\in \hspace{0.05cm} \{ 0\hspace{0.05cm}, 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 3 \}} \hspace{-0.3cm} 1 \hspace{0.15cm}\underline{ = 3} \hspace{0.05cm}.$$
  • Der zweite Erwartungswert liefert mit  ${\rm supp} (P_Y) = \{ 0\hspace{0.05cm}, 1\hspace{0.05cm}, 2 \} $  das gleiche Ergebnis:
$${\rm E} \left [ 1/P_Y(Y)\right ] \hspace{0.15cm}\underline{ = 3}.$$


(2)  In beiden Fällen ist der Index der Wahrscheinlichkeitsfunktion mit der Zufallsvariablen  $(X$  bzw.  $Y)$  identisch und man erhält

$${\rm E} \big [ P_X(X)\big ] = \hspace{-0.3cm} \sum_{x \hspace{0.05cm}\in \hspace{0.05cm} \{ 0\hspace{0.05cm}, 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 3 \}} \hspace{-0.3cm} P_{X}(x) \cdot {P_X(x)} = (1/2)^2 + (1/8)^2 + (3/8)^2 = 13/32 \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.406} \hspace{0.05cm},$$
$${\rm E} \big [ P_Y(Y)\big ] = \hspace{-0.3cm} \sum_{y \hspace{0.05cm}\in \hspace{0.05cm} \{ 0\hspace{0.05cm}, 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 2 \}} \hspace{-0.3cm} P_Y(y) \cdot P_Y(y) = (1/2)^2 + (1/4)^2 + (1/4)^2 \hspace{0.15cm}\underline{ = 0.375} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Hier gelten folgende Gleichungen:

$${\rm E} \big [ P_Y(X)\big ] = \hspace{-0.3cm} \sum_{x \hspace{0.05cm}\in \hspace{0.05cm} \{ 0\hspace{0.05cm}, 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 3 \}} \hspace{-0.3cm} P_{X}(x) \cdot {P_Y(x)} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} + \frac{1}{8} \cdot \frac{1}{4} + \frac{3}{8} \cdot 0 = 9/32 \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.281} \hspace{0.05cm},$$
  • Die Erwartungswertbildung bezieht sich hier auf  $P_X(·)$, also auf die Zufallsgröße  $X$.
  • $P_Y(·)$  ist dabei die formale Funktion ohne (direkten) Bezug zur Zufallsgröße  $Y$.
  • Für den zweiten Erwartungswert erhält man im vorliegenden den gleichen Zahlenwert  (das muss nicht so sein):
$${\rm E} \big [ P_X(Y)\big ] = \hspace{-0.3cm} \sum_{y \hspace{0.05cm}\in \hspace{0.05cm} \{ 0\hspace{0.05cm}, 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 2 \}} \hspace{-0.3cm} P_{Y}(y) \cdot {P_X(y)} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} + \frac{1}{4} \cdot \frac{1}{8} + \frac{1}{4} \cdot 0 = 9/32 \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.281} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  Wir berechnen zunächst die drei Erwartungswerte:

$${\rm E} \big [-{\rm log}_2 \hspace{0.1cm} P_U(U)\big ] = \frac{1}{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{2}{1} + \frac{1}{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{2}{1} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1\ {\rm bit}} \hspace{0.05cm},$$
$${\rm E} \big [-{\rm log}_2 \hspace{0.1cm} P_V(V)\big ] = \frac{3}{4} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{4}{3} + \frac{1}{4} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{4}{1} \hspace{0.15cm}\underline{ = 0.811\ {\rm bit}} \hspace{0.05cm},$$
$${\rm E} \big [-{\rm log}_2 \hspace{0.1cm} P_V(U)\big ] = \frac{1}{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{4}{3} + \frac{1}{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} \frac{4}{1} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.208\ {\rm bit}} \hspace{0.05cm}.$$

Richtig sind demnach die beiden ersten Aussagen:

  • Die Entropie  $H(U) = 1$  bit  kann entsprechend der ersten Gleichung berechnet werden.  Sie gilt für die binäre Zufallsgröße  $U$  mit gleichen Wahrscheinlichkeiten.
  • Die Entropie  $H(V) = 0.811$  bit  berechnet sich entsprechend der zweiten Gleichung.  Aufgrund der Wahrscheinlichkeiten  $3/4$  und  $1/4$  ist die Entropie (Unsicherheit) hier kleiner als für die Zufallsgröße  $U$.
  • Der dritte Erwartungswert kann schon allein vom Ergebnis her  $(1.208$  bit$)$  nicht die Entropie einer binären Zufallsgröße angeben, die stets auf  $1$  (bit)  begrenzt ist.