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

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Zweidimensionale Zufallsgrößen
+
{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Two-Dimensional_Random_Variables
 
}}
 
}}
  
[[File:EN_Sto_A_4_3.png|right|frame|Algebraische Summe 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 vorausgesetzt, dass die Binärzahlen  0  und  1  mit gleichen Wahrscheinlichkeiten auftreten und dass die einzelnen Zufallszahlen nicht 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.
 
  
 +
[[File:P_ID254__Sto_A_4_3Tab.png|right|frame|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.
  
Aus den Inhalten des dreistelligen Schieberegisters werden zwei neue Zufallsfolgen  aν  und  mν  gebildet. Hierbei bezeichnet:
 
  
aν&nbsp; die <i>algebraische Summe</i>:
+
Two new random sequences&nbsp; $\langle a_\nu \rangle&nbsp; and&nbsp;\langle m_\nu \rangle$&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&nbsp; 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|left|frame|Tabelle zur Momentenberechnung]]
 
  
 
<br><br><br><br><br><br>
 
<br><br><br><br><br><br>
''Hinweis:'' &nbsp; Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Zweidimensionale_Zufallsgrößen|Zweidimensionale Zufallsgrößen]].
+
Hints: &nbsp;  
<br clear=all>  
+
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Two-Dimensional_Random_Variables|Two-Dimensional Random Variables]].
===Fragebogen===
+
*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&nbsp; mν.&nbsp; Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Modulo-2-Summe gleich&nbsp; 0&nbsp; 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% }
+
Pr(mν=0) =  { 0.5 3% }
  
  
{Bestehen statistische Abh&auml;ngigkeiten innerhalb der Folge&nbsp; mν?
+
{Are there statistical dependencies within the sequence&nbsp; mν?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ Die Folgenelemente&nbsp; mν&nbsp; sind statistisch unabh&auml;ngig.
+
+ The sequence elements&nbsp; mν&nbsp; are statistically independent.
- Es bestehen statistische Bindungen innerhalb der Folge&nbsp; mν.
+
- There are statistical bindings within the sequence&nbsp; mν.
  
  
{Ermitteln Sie die Verbund-WDF&nbsp; fxm(xν,mν).&nbsp; 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&nbsp; xν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; sind statistisch abh&auml;ngig.
+
- The random variables&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically dependent.
+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en&nbsp; xν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; sind statistisch unabh&auml;ngig.
+
+ The random variables&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically independent.
- Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en&nbsp; xν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; sind korreliert.
+
- The random variables&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are correlated.
+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en&nbsp; xν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; sind unkorreliert.
+
+ The random variables&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are uncorrelated.
  
  
{Bestehen innerhalb der Folge&nbsp; aν&nbsp; statistische Abh&auml;ngigkeiten?
+
{Do statistical dependencies exist within the sequence&nbsp; aν&nbsp;?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Die Folgenelemente&nbsp; aν&nbsp; sind statistisch unabh&auml;ngig.
+
- The sequence elements&nbsp; aν&nbsp; are statistically independent.
+ Es bestehen statistische Bindungen innerhalb der Folge&nbsp; aν.
+
+ There are statistical bindings within the sequence&nbsp; aν.
  
  
{Ermitteln Sie die 2D-WDF fam(aν,mν)&nbsp; und den Korrelationskoeffizienten&nbsp; ρam.&nbsp; 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&nbsp; aν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; sind statistisch abh&auml;ngig.
+
+ The random variables&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically dependent.
- Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en&nbsp; aν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; sind statistisch unabh&auml;ngig.
+
- The random variables&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically independent.
- Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en&nbsp; aν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; sind korreliert.
+
- The random variables&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are correlated.
+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;en&nbsp; aν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; sind unkorreliert.
+
+ The random variables&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are uncorrelated.
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Aus der Tabelle auf der Angabenseite ist ersichtlich, dass bei der Modulo-2-Summe die beiden Werte&nbsp; 0&nbsp; und&nbsp; 1&nbsp; mit gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten:  
+
'''(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:  
 
:Pr(mν=0)=Pr(mν=1)=0.5_.
 
:Pr(mν=0)=Pr(mν=1)=0.5_.
  
  
  
'''(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&nbsp; mν=0&nbsp; bzw.&nbsp; mν=1&nbsp; gleichwahrscheinlich sind.  
+
'''(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.  
*Anders ausgedr&uuml;ckt: &nbsp; Pr(mν|mν1)=Pr(mν).
+
*Expressed differently: &nbsp; Pr(mν|mν1)=Pr(mν).
*Dies entspricht genau der Definition der "statistischen Unabh&auml;ngigkeit" &nbsp; &rArr; &nbsp; <u>Antwort 1</u>.
+
*This exactly matches the definition of&nbsp; "statistical independence" &nbsp; &rArr; &nbsp; <u>Answer 1</u>.
  
  
  
[[File:P_ID224__Sto_A_4_3_c.png|right|frame|2D-WDF von&nbsp; x&nbsp; und&nbsp; m]]
+
[[File:P_ID224__Sto_A_4_3_c.png|right|frame|2D&ndash;PDF of&nbsp; x&nbsp; and&nbsp; m]]
'''(3)'''&nbsp; Richtig sind <u>der zweite und der letzte Lösungsvorschlag</u>.
+
'''(3)'''&nbsp; Correct are&nbsp; <u>the second and the last suggested solutions</u>.
*Die 2D&ndash;WDF besteht aus vier Diracfunktionen, jeweils mit dem Gewicht&nbsp; 1/4.  
+
*The 2D&ndash;PDF consists of four Dirac delta functions,&nbsp; each with weight&nbsp; 1/4.  
*Man erh&auml;lt dieses Ergebnis beispielsweise durch Auswertung der Tabelle auf der Angabenseite.
+
*One obtains this result,&nbsp; for example,&nbsp; by evaluating the table in the data section.
*Da $f_{xm}(x_\nu, m_\nu)&nbsp; gleich dem Produktf_{x}(x_\nu) \cdot f_{m}(m_\nu)$&nbsp; ist, sind die Gr&ouml;&szlig;en&nbsp; xν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; statistisch unabh&auml;ngig.  
+
*Since&nbsp; $f_{xm}(x_\nu, m_\nu)=f_{x}(x_\nu) \cdot f_{m}(m_\nu)$,&nbsp; the quantities&nbsp; xν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically independent.  
*Statistisch unabh&auml;ngige Zufallsgr&ouml;&szlig;en sind aber  auch linear statistisch unabh&auml;ngig, also mit Sicherheit unkorreliert.
+
*Statistically independent random variables,&nbsp; however,&nbsp; are also linearly statistically independent,&nbsp; so they are certainly uncorrelated.
 
   
 
   
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Innerhalb der Folge&nbsp; aν&nbsp; der algebraischen Summe gibt es statistische Bindungen &nbsp; &#8658; &nbsp; <u>Antwort 2</u>.  
+
'''(4)'''&nbsp; Within the sequence&nbsp; aν&nbsp; of algebraic sum there are statistical bindings &nbsp; &#8658; &nbsp; <u>Answer 2</u>.  
*Man erkennt dies daran, dass die unbedingte Wahrscheinlichkeit&nbsp; Pr(aν=0)=1/8&nbsp; ist,
+
*You can see this because the unconditional probability is&nbsp; Pr(aν=0)=1/8,&nbsp;  
*w&auml;hrend zum Beispiel&nbsp; ${\rm Pr}(a_{\nu} = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}a_{\nu-1} = 3) =0$&nbsp; gilt.
+
*while,&nbsp; for example,&nbsp; Pr(aν=0|aν1=3)=0&nbsp; holds.
  
  
  
[[File:P_ID225__Sto_A_4_3_e.png|right|frame|2D-WDF von&nbsp; a&nbsp; und&nbsp; m]]
+
[[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&nbsp; '''(3)'''&nbsp; gibt es wieder vier Diracfunktionen, diesmal aber nicht mit gleichen Impulsgewichten&nbsp; 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.  
+
*The two-dimensional PDF thus cannot be written as a product of the two marginal probability densities.  
*Das bedeutet aber, dass statistische Bindungen zwischen&nbsp; aν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; bestehen m&uuml;ssen.
+
*But this means that statistical bindings must exist between&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν.
*F&uuml;r den gemeinsamen Erwartungswert erh&auml;lt man:
+
*For the joint expected value,&nbsp; one obtains:
 
:E[am]=1800+3820+3811+1831=34.
 
:E[am]=1800+3820+3811+1831=34.
*Mit den linearen Mittelwerten&nbsp; E[a]=1.5 &nbsp;und&nbsp; E[m]=0.5&nbsp; folgt damit f&uuml;r die Kovarianz:
+
*With the linear means&nbsp; E[a]=1.5 &nbsp;and&nbsp; E[m]=0.5&nbsp; it follows for the covariance:
 
:μam=E[am]E[a]E[m]=0.751.50.5=0.
 
:μam=E[am]E[a]E[m]=0.751.50.5=0.
*Damit ist auch der Korrelationskoeffizient&nbsp; ρam=0.&nbsp; Das heißt: &nbsp; Die vorhandenen Abh&auml;ngigkeiten sind nichtlinear.  
+
*Thus,&nbsp; the correlation coefficient&nbsp; ρam=0.&nbsp; That is: &nbsp; The dependencies present are nonlinear.  
*Die Größen&nbsp; aν&nbsp; und&nbsp; mν&nbsp; sind zwar statistisch abhängig, trotzdem aber unkorreliert.  
+
*The quantities&nbsp; aν&nbsp; and&nbsp; mν&nbsp; are statistically dependent,&nbsp; but still uncorrelated.  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^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.