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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.3: Algebraic and Modulo Sum"

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m (Textersetzung - „\*\s*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0\.” ein.“ durch „ “)
 
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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Zweidimensionale Zufallsgrößen
+
{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Two-Dimensional_Random_Variables
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID253__Sto_A_4_3.png|right|Algebraische und Modulo-2-Summe]]
+
[[File:EN_Sto_A_4_3_neu2.png|right|frame|Algebraic & modulo–2 sum]]
Ein „getakteter” Zufallsgenerator liefert eine Folge xν von binären Zufallszahlen. Es wird nun vorausgesetzt, dass die Binärzahlen 0 und 1 mit gleichen Wahrscheinlichkeiten auftreten und dass die einzelnen Zufallszahlen nicht statistisch voneinander abhängen. Die Zufallszahlen xν{0,1} werden in die erste Speicherstelle eines Schieberegisters eingetragen und mit jeden Takt um eine Stelle nach unten verschoben.
 
  
Aus den Inhalten des dreistelligen Schieberegisters werden zwei neue Zufallsfolgen $\langle a_\nu \rangle$ und $\langle m_\nu \rangle$ gebildet. Hierbei bezeichnet:
+
[[File:P_ID254__Sto_A_4_3Tab.png|right|frame|Table for moment calculation]]
 +
A  "clocked"  random number generator returns a sequence  $\langle x_\nu \rangle$  of binary random numbers.
 +
*It is assumed that the binary numbers  0  and  1  occur with equal probabilities and that the individual random numbers do not depend on each other.
 +
*The random numbers  $ x_\nu \in \{0, 1\}$  are entered into the first memory location of a shift register and shifted down one digit with each clock pulse.
  
* aν die <i>algebraische Summe</i>:
+
 
 +
Two new random sequences&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are formed from the contents of the three-digit shift register. Here denotes:
 +
 
 +
* the&nbsp; "algebraic sum"&nbsp; aν:
 
:aν=xν+xν1+xν2,
 
:aν=xν+xν1+xν2,
  
*mν die <i>Modulo-2-Summe</i>:
+
*the&nbsp; "modulo&ndash;2 sum"&nbsp; mν:
 
:mν=xνxν1xν2.
 
:mν=xνxν1xν2.
 
Dieser Sachverhalt ist in der nachfolgenden Tabelle nochmals dargestellt:
 
[[File:P_ID254__Sto_A_4_3Tab.png|mitte|Tabelle zur Momentenberechnung]]
 
 
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Zweidimensionale_Zufallsgrößen|Zweidimensionale Zufallsgrößen]].
 
 
 
  
  
===Fragebogen===
+
<br><br><br><br><br><br>
 +
Hints: &nbsp;
 +
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Two-Dimensional_Random_Variables|Two-Dimensional Random Variables]].
 +
*Use the following table for moment calculation.
 +
<br clear=all>
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeiten der Zufallsgr&ouml;&szlig;e mν. Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Modulo-2-Summe gleich 0 ist?
+
{Calculate the probabilities of the random variable&nbsp; mν.&nbsp; What is the probability that the modulo-2 sum is equal to&nbsp; 0&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Pr(mν=0) = { 0.5 3% }
+
${\rm Pr}(m_\nu = 0) \ = \ $ { 0.5 3% }
  
  
{Bestehen statistiche Abh&auml;ngigkeiten innerhalb der Folge mν?
+
{Are there statistical dependencies within the sequence&nbsp; mν?
|type="[]"}
+
|type="()"}
+ Die Folgenelemente mν sind statistisch unabh&auml;ngig.
+
+ The sequence elements&nbsp; mν&nbsp; are statistically independent.
- Es bestehen statistische Bindungen innerhalb der Folge mν.
+
- There are statistical bindings within the sequence&nbsp; mν.
  
  
{Ermitteln Sie die Verbund-WDF fxm(xν,mν). Bewerten Sie aufgrund des Resultats die folgenden Aussagen (zutreffend oder nicht).
+
{Determine the 2D&ndash;PDF&nbsp; fxm(xν,mν).&nbsp; Based on the result,&nbsp; evaluate the following statements.
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en xν und mν sind statistisch abh&auml;ngig.
+
- The random variables&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically dependent.
+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en xν und mν sind statistisch unabh&auml;ngig.
+
+ The random variables&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically independent.
- Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en xν und mν sind korreliert.
+
- The random variables&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are correlated.
+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en xν und mν sind unkorreliert.
+
+ The random variables&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are uncorrelated.
  
  
{Bestehen innerhalb der Folge aν statistische Abh&auml;ngigkeiten?
+
{Do statistical dependencies exist within the sequence&nbsp; aν&nbsp;?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Die Folgenelemente aν sind statistisch unabh&auml;ngig.
+
- The sequence elements&nbsp; aν&nbsp; are statistically independent.
+ Es bestehen statistische Bindungen innerhalb der Folge aν.
+
+ There are statistical bindings within the sequence&nbsp; aν.
  
  
{Ermitteln Sie die 2D-WDF fam(aν,mν) und den Korrelationskoeffizienten ρam. Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
+
{Determine the 2D&ndash;PDF&nbsp; fam(aν,mν)&nbsp; and the correlation coefficient&nbsp; ρam.&nbsp; Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en aν und mν sind statistisch abh&auml;ngig.
+
+ The random variables&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically dependent.
- Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en aν und mν sind statistisch unabh&auml;ngig.
+
- The random variables&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically independent.
- Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en aν und mν sind korreliert.
+
- The random variables&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are correlated.
+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en aν und mν sind unkorreliert.
+
+ The random variables&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are uncorrelated.
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Aus der Tabelle auf der Angabenseite ist ersichtlich, dass bei der Modulo-2-Summe die beiden Werte 0 und 1 mit gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten: &nbsp; Pr(mν=0)=Pr(mν=1)=0.5_
+
'''(1)'''&nbsp; It can be seen from the table in the information section that for the modulo&ndash;2 sum,&nbsp; the two values&nbsp; 0&nbsp; and&nbsp; 1&nbsp; have equal probability:
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:$${\rm Pr}(m_\nu = 0) = {\rm Pr}(m_\nu = 1)\hspace{0.15cm}\underline{=0.5}.$$
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'''(2)'''&nbsp; The table shows that for each preassignment &nbsp; &rArr; &nbsp; (xν1,xν2)=(0,0),(0,1),(1,0),(1,1),&nbsp; the values&nbsp; mν=0&nbsp; and&nbsp; mν=1&nbsp; resp. are equally likely.
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*Expressed differently: &nbsp; Pr(mν|mν1)=Pr(mν).
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*This exactly matches the definition of&nbsp; "statistical independence" &nbsp; &rArr; &nbsp; <u>Answer 1</u>.
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[[File:P_ID224__Sto_A_4_3_c.png|right|frame|2D&ndash;PDF of&nbsp; x&nbsp; and&nbsp; $m$]]
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'''(3)'''&nbsp; Correct are&nbsp; <u>the second and the last suggested solutions</u>.
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*The 2D&ndash;PDF consists of four Dirac delta functions,&nbsp; each with weight&nbsp; 1/4.
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*One obtains this result,&nbsp; for example,&nbsp; by evaluating the table in the data section.
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*Since&nbsp; fxm(xν,mν)=fx(xν)fm(mν),&nbsp; the quantities&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically independent.
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*Statistically independent random variables,&nbsp; however,&nbsp; are also linearly statistically independent,&nbsp; so they are certainly uncorrelated.
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'''(2)'''&nbsp; Die Tabelle zeigt, dass bei jeder Vorbelegung &nbsp; &rArr; &nbsp;  (xν1,xν2)=(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)  &nbsp; die Werte mν=0 bzw. mν=1  mit gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten. Anders ausgedr&uuml;ckt: &nbsp;
 
Pr(mν|mν1)=Pr(mν).
 
Dies entspricht genau der Definition der <u>statistischen Unabh&auml;ngigkeit</u>.
 
  
[[File:P_ID224__Sto_A_4_3_c.png|right|2D-WDF zwischen <i>x</i> und <i>m</i>]]
+
'''(4)'''&nbsp; Within the sequence&nbsp; aν&nbsp; of algebraic sum there are statistical bindings &nbsp; &#8658; &nbsp; <u>Answer 2</u>.  
'''(3)'''&nbsp; Richtig sind <u>der zweite und der letzte Lösungsvorschlag</u>.
+
*You can see this because the unconditional probability is&nbsp; $ {\rm Pr}( a_{\nu} = 0) =1/8$,&nbsp;  
*Die 2D&ndash;WDF besteht aus vier Diracfunktionen, jeweils mit dem Gewicht $1/4$. Man erh&auml;lt dieses Ergebnis beispielsweise durch Auswertung der Tabelle auf der Angabenseite.
+
*while,&nbsp; for example,&nbsp; ${\rm Pr}(a_{\nu} = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}a_{\nu-1} = 3) =0$&nbsp; holds.
*Da $f_{xm}(x_\nu, m_\nu)gleichdemProduktf_{x}(x_\nu) \cdot f_{m}(m_\nu)$ ist, sind die Gr&ouml;&szlig;en xν  und mν statistisch unabh&auml;ngig.
 
*Statistisch unabh&auml;ngige Zufallsgr&ouml;&szlig;en sind aber natürlich auch linear statistisch unabh&auml;ngig, also mit Sicherheit unkorreliert.  
 
  
  
'''(4)'''&nbsp; Innerhalb der Folge aν der algebraischen Summe gibt es statistische Bindungen &nbsp; &#8658; &nbsp; <u>Vorschlag 2</u>. Man erkennt dies daran, dass die unbedingte Wahrscheinlichkeit Pr(aν=0)=1/8 ist , w&auml;hrend zum Beispiel Pr(aν=0|aν1=3)=0  ist.
 
  
[[File:P_ID225__Sto_A_4_3_e.png|right|2D-WDF zwischen <i>a</i> und <i>m</i>]]
+
[[File:P_ID225__Sto_A_4_3_e.png|right|frame|2D&ndash;PDF of&nbsp; $a&nbsp; and&nbsp;m$]]
'''(5)'''&nbsp; Richtig sind <u>der erste und der letzte Lösungsvorschlag</u>:
+
'''(5)'''&nbsp; Correct are&nbsp; <u>the first and the last suggested solutions</u>:
*Wie bei der Teilaufgabe (3) erh&auml;lt man wieder vier Diracfunktionen, diesmal aber nicht mit jeweils gleichem Impulsgewicht 1/4.
+
*As in the subtask&nbsp; '''(3)'''&nbsp; there are again four Dirac delta functions,&nbsp; but this time not with equal Dirac weights&nbsp; 1/4.
*Die zweidimensionale WDF l&auml;sst sich somit nicht als Produkt der zwei Randwahrscheinlichkeitsdichten schreiben. Das bedeutet aber, dass statistische Bindungen zwischen aν und mν bestehen m&uuml;ssen.
+
*The two-dimensional PDF thus cannot be written as a product of the two marginal probability densities.
*F&uuml;r den gemeinsamen Erwartungswert erh&auml;lt man:
+
*But this means that statistical bindings must exist between&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν.
:E[am]=1800+3820+3811+1831=34.
+
*For the joint expected value,&nbsp; one obtains:
*Mit den linearen Mittelwerten E[a]=1.5 und E[m]=0.5 folgt damit f&uuml;r die Kovarianz:
+
:$${\rm E}\big[a\cdot m \big] = \rm \frac{1}{8}\cdot 0 \cdot 0 +\frac{3}{8}\cdot 2 \cdot 0 +\frac{3}{8}\cdot 1 \cdot 1 + \frac{1}{8}\cdot 3 \cdot 1 = \frac{3}{4}.$$
:μam=E[am]E[a]E[m]=0.751.50.5=0.
+
*With the linear means&nbsp; ${\rm E}\big[a \big] = 1.5$ &nbsp;and&nbsp; E[m]=0.5&nbsp; it follows for the covariance:
*Damit ist auch der Korrelationskoeffizient ρam=0. Das heißt: Die vorhandenen Abh&auml;ngigkeiten sind nichtlinear.  
+
:$$\mu_{am}= {\rm E}\big[ a\cdot m \big] - {\rm E}\big[ a \big]\cdot {\rm E} \big[ m \big] = \rm 0.75-1.5\cdot 0.5 = \rm 0.$$
*Die Größen aν und mν sind zwar statistisch abhängig, trotzdem aber unkorreliert.  
+
*Thus,&nbsp; the correlation coefficient&nbsp; ρam=0.&nbsp; That is: &nbsp; The dependencies present are nonlinear.  
 +
*The quantities&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically dependent,&nbsp; but still uncorrelated.  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^4.1 Zweidimensionale Zufallsgrößen^]]
+
[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^4.1 Two-Dimensional Random Variables^]]

Latest revision as of 14:49, 17 November 2022

Algebraic & modulo–2 sum
Table for moment calculation

A  "clocked"  random number generator returns a sequence  xν  of binary random numbers.

  • It is assumed that the binary numbers  0  and  1  occur with equal probabilities and that the individual random numbers do not depend on each other.
  • The random numbers  xν{0,1}  are entered into the first memory location of a shift register and shifted down one digit with each clock pulse.


Two new random sequences  aν  and  mν  are formed from the contents of the three-digit shift register. Here denotes:

  • the  "algebraic sum"  aν:
aν=xν+xν1+xν2,
  • the  "modulo–2 sum"  mν:
mν=xνxν1xν2.








Hints:  


Questions

1

Calculate the probabilities of the random variable  mν.  What is the probability that the modulo-2 sum is equal to  0 ?

Pr(mν=0) = 

2

Are there statistical dependencies within the sequence  mν?

The sequence elements  mν  are statistically independent.
There are statistical bindings within the sequence  mν.

3

Determine the 2D–PDF  fxm(xν,mν).  Based on the result,  evaluate the following statements.

The random variables  xν  and  mν  are statistically dependent.
The random variables  xν  and  mν  are statistically independent.
The random variables  xν  and  mν  are correlated.
The random variables  xν  and  mν  are uncorrelated.

4

Do statistical dependencies exist within the sequence  aν ?

The sequence elements  aν  are statistically independent.
There are statistical bindings within the sequence  aν.

5

Determine the 2D–PDF  fam(aν,mν)  and the correlation coefficient  ρam.  Which of the following statements are true?

The random variables  aν  and  mν  are statistically dependent.
The random variables  aν  and  mν  are statistically independent.
The random variables  aν  and  mν  are correlated.
The random variables  aν  and  mν  are uncorrelated.


Solution

(1)  It can be seen from the table in the information section that for the modulo–2 sum,  the two values  0  and  1  have equal probability:

Pr(mν=0)=Pr(mν=1)=0.5_.


(2)  The table shows that for each preassignment   ⇒   (xν1,xν2)=(0,0),(0,1),(1,0),(1,1),  the values  mν=0  and  mν=1  resp. are equally likely.

  • Expressed differently:   Pr(mν|mν1)=Pr(mν).
  • This exactly matches the definition of  "statistical independence"   ⇒   Answer 1.


2D–PDF of  x  and  m

(3)  Correct are  the second and the last suggested solutions.

  • The 2D–PDF consists of four Dirac delta functions,  each with weight  1/4.
  • One obtains this result,  for example,  by evaluating the table in the data section.
  • Since  fxm(xν,mν)=fx(xν)fm(mν),  the quantities  xν  and  mν  are statistically independent.
  • Statistically independent random variables,  however,  are also linearly statistically independent,  so they are certainly uncorrelated.



(4)  Within the sequence  aν  of algebraic sum there are statistical bindings   ⇒   Answer 2.

  • You can see this because the unconditional probability is  Pr(aν=0)=1/8
  • while,  for example,  Pr(aν=0|aν1=3)=0  holds.


2D–PDF of  a  and  m

(5)  Correct are  the first and the last suggested solutions:

  • As in the subtask  (3)  there are again four Dirac delta functions,  but this time not with equal Dirac weights  1/4.
  • The two-dimensional PDF thus cannot be written as a product of the two marginal probability densities.
  • But this means that statistical bindings must exist between  aν  and  mν.
  • For the joint expected value,  one obtains:
E[am]=1800+3820+3811+1831=34.
  • With the linear means  E[a]=1.5  and  E[m]=0.5  it follows for the covariance:
μam=E[am]E[a]E[m]=0.751.50.5=0.
  • Thus,  the correlation coefficient  ρam=0.  That is:   The dependencies present are nonlinear.
  • The quantities  aν  and  mν  are statistically dependent,  but still uncorrelated.