Aufgabe 4.4Z: Höhenlinien der 2D-WDF

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Gaußsche 2D-WDF:   Höhenlinien

Gegeben ist eine zweidimensionale Gaußsche Zufallsgröße  $(x, y)$  mit Mittelwert  $(0, 0)$  und der 2D–WDF

$$f_{xy}(x, y) = C\cdot{\rm e}^{-(x^{\rm 2} + y^{\rm 2} +\sqrt{\rm 2}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} x \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} y)}.$$

Bekannt ist weiter, dass die beiden Streuungen  $\sigma_x$  und  $\sigma_y$  jeweils gleich  $1$  sind.

In der Skizze eingetragen sind:

  • Eine Höhenlinie dieser WDF für  $f_{xy}(x,y) =0.2$,
  • die (dunkelblaue) Ellipsenhauptachse  $\rm (EA)$, und
  • die (rote) Korrelationsgerade  $y=K(x)$.




Hinweise:

Teil 1:   Gaußsche Zufallsgrößen ohne statistische Bindungen,
Teil 2:   Gaußsche Zufallsgrößen mit statistischen Bindungen.



Fragebogen

1

Wie groß ist der Korrelationskoeffizient  $\rho_{xy}$?

$\rho_{xy} \ = \ $

2

Wie groß ist der Maximalwert  $C = f_{xy}(0, 0)$  der WDF?

$C \ = \ $

3

Wie groß ist der Winkel  $\alpha$  zwischen Ellipsenhauptachse  $\rm (EA)$  und  $x$–Achse?

$\alpha\ = \ $

$ \ \rm Grad$

4

Bei welchen Werten  $x_0$  bzw.  $y_0$  schneidet die Höhenlinie  $f_{xy}(x,y) = 0.2$  die Ellipsenhauptachse?  Welcher Zusammenhang besteht zwischen  $x_0$  und  $y_0$?

$x_0/y_0 \ = \ $

5

Welche Aussagen treffen hinsichtlich der Korrelationsgeraden  $K(x)$  zu?

Die Korrelationsgerade ist steiler als die Ellipsenhauptachse.
Der Winkel von  $K(x)$  gegenüber der  $x$–Achse ist etwa  $-35^\circ$.
Die Korrelationsgerade schneidet alle Höhenlinien dort, wo an die Ellipse eine vertikale Tangente angelegt werden kann.


Musterlösung

(1)  Auch ohne die Angabe  $\sigma_x = \sigma_y = 1$  könnte man erkennen, dass die Streuungen  $\sigma_x$  und  $\sigma_y$  gleich sind,

  • da im Exponenten von $f_{xy}(x, y)$  die Koeffizienten bei  $x^2$  und  $y^2$  gleich sind.
  • Durch Koeffizientenvergleich erhält man somit:
$$\frac{- 2 \rho_{xy}}{\sigma_x\cdot\sigma_y} = \sqrt{2}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} \rho_{xy}=\frac{-1}{\sqrt{2}} \hspace{0.15cm}\underline{\approx -0.707}.$$


(2)  Mit den unter Punkt  (1)  berechneten Zahlenwerten erhalten wir zudem:

$$C=\frac{\rm 1}{\rm 2\it\pi\cdot\sigma_x\cdot\sigma_y\cdot\sqrt{\rm 1 - \rho_{xy}^{\rm 2}}} =\frac{\rm 1}{\rm 2\pi\cdot\rm 1\cdot 1\cdot\sqrt{0.5}}=\frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2}\cdot \pi}\hspace{0.15cm}\underline{\approx \rm 0.225}.$$


(3)  Die allgemeine Gleichung lautet:

$$\alpha = {\rm 1}/{\rm 2}\cdot \rm arctan \ (\rm 2 \cdot\it \rho_{xy}\cdot \frac{\sigma_x\cdot\sigma_y}{\sigma_x^{\rm 2} - \sigma_y^{\rm 2}}{\rm )}.$$
  • Gilt  $\sigma_x = \sigma_y$  und  $\rho_{xy} \ne 0$,  so ist der Winkel immer  $\alpha = \pm 45^\circ$, wobei das Vorzeichen gleich dem Vorzeichen von  $\rho_{xy}$  ist.
  • Im vorliegenden Fall gilt  $\alpha\hspace{0.15cm}\underline{ = -45^\circ}$.


(4)  Für die eingezeichnete Höhenlinie gilt:

$$f_{xy}(x, y)=\frac{1}{\sqrt{2}\cdot \pi}\cdot {\rm e}^{(x^{2} + y^{2} + \sqrt{2}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} x \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}y)}=0.2\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm e}^{-(x^{2} + y^{2} + \sqrt{2}\hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} x \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}y)} = 0.8885 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} x^{\rm 2} + y^{\rm 2} + \sqrt{\rm 2}\cdot\hspace{0.05cm} x \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}y = -{\rm ln(0.8885)} \approx\rm 0.118.$$
  • Der Winkel der Ellipsenhauptachse ist  $\alpha = -45^\circ$.  Deshalb muss  $y_0 = - x_0$  gelten. Daraus folgt weiter:
$$x_{\rm 0}^{\rm 2} + (-x_{\rm 0})^{\rm 2} + \sqrt{\rm 2}\cdot x_{\rm 0}(-x_{\rm 0}) = 0.118$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}(\rm 2 - \sqrt{\rm 2})\cdot \it x_{\rm 0}^{\rm 2} = {\rm 0.118} \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} x_{\rm 0}^{\rm 2} \approx \frac{\rm0.118}{\rm0.585}\approx\rm 0.202; \hspace{0.5cm} {\it x}_{\rm 0}\approx\pm\rm 0.450.$$
  • Die beiden Schnittpunkte der eingezeichneten Höhenlinien mit der Ellipsenhauptachse liegen somit bei  $(+0.45, -0.45)$  und  $(-0.45, +0.45)$.
  • Der Quotient ist in beiden Fällen  $x_0/y_0 \hspace{0.15cm}\underline{ = -1}$.



(5)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 2 und 3:

  • Mit  $\sigma_x = \sigma_y$  und dem Ergebnis der Teilaufgabe  (1)  gilt für den Winkel der Korrelationsgeraden:
$$\theta_{y\hspace{0.05cm}\rightarrow \hspace{0.05cm}x} = \arctan (\rho_{\it xy})=\arctan(-{\rm 1}/{\sqrt{\rm 2}})\approx -\rm 35.3^{\circ}.$$
  • Das bedeutet:   Die erste Aussage ist falsch und die zweite richtig.


Nachfolgend der Beweis für die Richtigkeit der letzten Aussage:

  • Löst man die Ellipsengleichung  $($mit  $z = 0.118)$,  also  $x^{\rm 2}+ y^{\rm 2} +\sqrt{\rm 2}\cdot \it x\cdot \it y - \it z = \rm 0$,  nach  $y$  auf, so erhält man nach Lösung einer quadratischen Gleichung:
$$y_{\rm 1, \ 2}={\sqrt{\rm 2}}/ {\rm 2} \cdot x\pm\sqrt{{x^{\rm 2}}/{\rm 2}-x^{\rm 2}+{\it z}} \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} y_{\rm 1, \ 2}={\it x}/{\sqrt{\rm 2}}\pm \sqrt{z-{x^{\rm 2}}/{\rm 2}}.$$
  • Die vertikale Tangente ergibt sich für den Fall, dass die beiden Lösungen  $y_{\rm 1, \ 2}$  identisch sind.  Das heißt:   Der Wurzelausdruck muss Null ergeben.
  • Die Lösung für positives  $x$  lautet dann:   $x_{\rm T}=\sqrt{\rm 2\cdot \it z}=\rm \rm 0.485.$
  • Eingesetzt in die Ellipsengleichung erhält man für den  $y$–Wert des Tangentialpunktes:
$$x_{\rm T}^{\rm 2} + y_{\rm T}^{\rm 2} + \sqrt{2} \cdot x_{\rm T} \cdot y_{\rm T} - z = 0 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} 2 z + y_{\rm T}^{\rm 2} + 2\sqrt{ z}\cdot y_{\rm T} - z = 0$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}y_{\rm T}^{\rm 2} + 2\sqrt{ z}\cdot y_{\rm T} + z = 0 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} (y_{\rm T} + \sqrt{ z}) = 0\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} y_{\rm T} = -\sqrt{ z} = -0.343.$$
  • Daraus ergibt sich  $y_{\rm T}=-{x_{\rm T}}/{\sqrt{\rm 2}}.$  Das bedeutet aber auch:   Der Tangentialpunkt  $(x_{\rm T}, y_{\rm T})$  liegt exakt auf der Korrelationsgeraden  $y=K(x)=-{ x}/{\sqrt{\rm 2}}.$