Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.3: Moments for Cosine-square PDF"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Erwartungswerte und Momente
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Expected_Values_and_Moments
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID119__Sto_A_3_3.png|right|Momente bei Cosinus-Quadrat-WDF]]
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[[File:P_ID119__Sto_A_3_3.png|right|frame|Squared cosine PDF <br>and a similar PDF]]
Wie in [[Aufgaben:3.1_cos²_-_und_Dirac-WDF|Aufgabe 3.1]] und [[Aufgaben:3.2_cos²-_und_Dirac-VTF|Aufgabe 3.2]] betrachten wir die auf den Wertebereich von $-2$ bis $+2$ beschr&auml;nkte Zufallsgr&ouml;&szlig;e $x$ mit folgender WDF in diesem Abschnitt:
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As in&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_3.1:_cos²-PDF_and_PDF_with_Dirac_Functions|Exercise 3.1]]&nbsp; and&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_3.2:_cos²-CDF_and_CDF_with_Step_Functions|Exercise 3. 2]]&nbsp; we consider the random variable restricted to the range of values from&nbsp; $-2$&nbsp; to&nbsp; $+2$&nbsp; with the following PDF in this section:
$$f_x(x)= {1}/{2}\cdot \cos^2({\pi}/{4}\cdot { x}).$$
+
:$$f_x(x)= {1}/{2}\cdot \cos^2({\pi}/{4}\cdot { x}).$$
  
Daneben betrachten wir eine zweite Zufallsgr&ouml;&szlig;e $y$ , die nur Werte zwischen $0$ und $2$ mit folgender WDF liefert:
+
Next to this,&nbsp; we consider a second random variable&nbsp; $y$&nbsp; that returns only values between&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $2$&nbsp; with the following PDF:
$$f_y(y)=\sin^2({\pi}/{2}\cdot y).$$
+
:$$f_y(y)=\sin^2({\pi}/{2}\cdot y).$$
  
Beide Dichtefunktionen sind in der Grafik dargestellt. Au&szlig;erhalb der Bereiche $-2 < x < +2$ &nbsp; bzw. &nbsp; $0 < x < +2$ gilt jeweils $f_x(x) = 0$ &nbsp; bzw. &nbsp; $f_y(y) = 0$.  
+
*Both probability density functions are shown in the graph.  
 +
*Outside the ranges&nbsp; $-2 < x < +2$ &nbsp;resp.&nbsp; $0 < x < +2$,&nbsp; the followings holds: &nbsp; $f_x(x) = 0$ &nbsp;resp.&nbsp; $f_y(y) = 0$.
 +
*Both random variables can be taken as&nbsp; (normalized)&nbsp; instantaneous values of the associated random signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; or&nbsp; $y(t)$&nbsp; resp.
  
Weiter ist anzumerken, dass die beiden Zufallsgr&ouml;&szlig;en als (normierte) Momentanwerte der zugeh&ouml;rigen Zufallssignale $x(t)$ bzw. $y(t)$ aufgefasst werden k&ouml;nnen.
 
  
  
''Hinweise:''
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*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Erwartungswerte_und_Momente|Erwartungswerte und Momente]].
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*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
+
 
*F&uuml;r die L&ouml;sung dieser Aufgabe k&ouml;nnen Sie das folgende unbestimmte Integral benutzen:
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Hints:
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Expected_Values_and_Moments|Expected values and moments]].
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*To solve this problem,&nbsp; you can use the following indefinite integral:
 
:$$\int x^{2}\cdot {\cos}(ax)\,{\rm d}x=\frac{2 x}{ a^{ 2}}\cdot \cos(ax)+ \left [\frac{x^{\rm 2}}{\it a} - \frac{\rm 2}{\it a^{\rm 3}} \right ]\cdot \rm sin(\it ax \rm ) .$$
 
:$$\int x^{2}\cdot {\cos}(ax)\,{\rm d}x=\frac{2 x}{ a^{ 2}}\cdot \cos(ax)+ \left [\frac{x^{\rm 2}}{\it a} - \frac{\rm 2}{\it a^{\rm 3}} \right ]\cdot \rm sin(\it ax \rm ) .$$
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der folgenden Aussagen treffen bei jeder beliebigen WDF $f_x(x)$ zu?  
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{Which of the following statements are true for any given PDF&nbsp; $f_x(x)$&nbsp;?&nbsp; Used are the following quantities: &nbsp; linear mean&nbsp; $m_1$,&nbsp; second moment&nbsp; $m_2$,&nbsp; variance&nbsp; $\sigma^2$.
<br>Verwendet sind folgende Größen: &nbsp; $m_1$: linearer Mittelwert, $m_2$: quadratischer Mittelwert, $\sigma^2$: Varianz.
 
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- $m_2 = 0$,&nbsp;&nbsp;&nbsp;falls $m_1 \ne 0$.
+
- $m_2 = 0$,&nbsp;&nbsp;if &nbsp; $m_1 \ne 0$.
- $m_2 = 0$,&nbsp;&nbsp;&nbsp;falls $m_1 = 0$.
+
- $m_2 = 0$,&nbsp;&nbsp;if &nbsp; $m_1 = 0$.
+ $m_1 = 0$,&nbsp;&nbsp;&nbsp;falls $m_2 = 0$.
+
+ $m_1 = 0$,&nbsp;&nbsp;if &nbsp; $m_2 = 0$.
+ $m_2 > \sigma^2$,&nbsp;&nbsp;&nbsp;falls $m_1 \ne 0$.
+
+ $m_2 > \sigma^2$,&nbsp;&nbsp;if &nbsp; $m_1 \ne 0$.
+ $m_1 = 0$,&nbsp;&nbsp;&nbsp;falls $f_x(-x) = f_x(x)$.
+
+ $m_1 = 0$,&nbsp;&nbsp;&nbsp;if &nbsp; $f_x(-x) = f_x(x)$.
- $f_x(-x) = f_x(x)$,&nbsp;&nbsp;&nbsp;falls $m_1 = 0$.
+
- $f_x(-x) = f_x(x)$,&nbsp;&nbsp;&nbsp;if &nbsp; $m_1 = 0$.
  
  
{Wie gro&szlig; ist der Gleichanteil (lineare Mittelwert) des Signals $x(t)$?
+
{What is the DC component&nbsp; ("linear mean")&nbsp; of the signal&nbsp; $x(t)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$m_x \ = $ { 0. }
+
$m_x \ = \ $ { 0. }
  
  
{Wie gro&szlig; ist der Effektivwert des Signals $x(t)$?
+
{What is the standard deviation of the signal&nbsp; $x(t)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\sigma_x \ = $ { 0.722 3% }
+
$\sigma_x \ = \ $ { 0.722 3% }
  
  
{Die Zufallsgr&ouml;&szlig;e $y$ lässt sich aus $x$ ableiten. Welche Zuordnung gilt?
+
{The random variable&nbsp; $y$&nbsp; can be derived from&nbsp; $x$.&nbsp; Which assignment is valid?
|type="[]"}
+
|type="()"}
 
+ $y = 1+x/2.$
 
+ $y = 1+x/2.$
 
- $y = 2x.$
 
- $y = 2x.$
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{Wie gro&szlig; ist der Gleichanteil des Signals $y(t)$?
+
{What is the DC component of the signal&nbsp; $y(t)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$m_y\ = $   { 1 3% }
+
$m_y\ = $ { 1 3% }
  
  
{Wie gro&szlig; ist der Effektivwert des Signals $y(t)$?
+
{What is the standard deviation of the signal&nbsp; $y(t)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\sigma_y\ = $ { 0.361 3% }
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$\sigma_y\ = \ $ { 0.361 3% }
 
 
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Unter allen Umst&auml;nden richtig sind <u>die Aussagen 3, 4 und 5</u>:
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'''(1)'''&nbsp; Under all circumstances,&nbsp; <u>statements 3, 4, and 5</u>&nbsp; are correct:
*Die erste Aussage ist nie erf&uuml;llt, wie aus dem <i>Satz von Steiner</i> ersichtlich ist.  
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*The first statement is never true,&nbsp; as is evident from the&nbsp; "Steiner's theorem".
*Die zweite Aussage gilt nur im Sonderfall $x = 0$.
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*The second statement is only valid in the&nbsp; (trivial)&nbsp; special case&nbsp; $x = 0$.
Es gibt aber auch mittelwertfreie Zufallsgr&ouml;&szlig;en mit unsymmetrischer WDF. Das bedeutet: Die Aussage 6 trifft nicht immer zu.
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However, there are also zero-mean random variables with asymmetric PDF.
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*This means: &nbsp;Statement 6 is not always true.
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'''(2)'''&nbsp; Because of the PDF symmetry with respect to&nbsp; $x = 0$&nbsp; it follows that for the linear mean&nbsp; $m_x \hspace{0.15cm}\underline{= 0}$.
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'''(3)'''&nbsp; The standard deviation of the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is equal to the standard deviation &nbsp; $\sigma_x$&nbsp; or equal to the root of the variance&nbsp; $\sigma_x^2$.
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*Since the random variable&nbsp; $x$&nbsp; has mean&nbsp; $m_x {= 0}$,&nbsp; the variance is equal to the second moment according to Steiner's theorem.  
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*This is also referred to as the power&nbsp; $($with respect to&nbsp; $1 \ \rm \Omega)$&nbsp; in the context of signals. Thus:
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:$$\sigma_x^{\rm 2}=\int_{-\infty}^{+\infty}x^{\rm 2}\cdot f_x(x)\hspace{0.1cm}{\rm d}x=2 \cdot \int_{\rm 0}^{\rm 2} x^2/2 \cdot \cos^2({\pi}/4\cdot\it x)\hspace{0.1cm} {\rm d}x.$$
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*With the relation&nbsp; $\cos^2(\alpha) = 0.5 \cdot \big[1 + \cos(2\alpha)\big]$&nbsp; it follows:
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:$$\sigma_x^2=\int_{\rm 0}^{\rm 2}{x^{\rm 2}}/{\rm 2} \hspace{0.1cm}{\rm d}x + \int_{\rm 0}^{\rm 2}{x^{\rm 2}}/{2}\cdot \cos({\pi}/{\rm 2}\cdot\it x) \hspace{0.1cm} {\rm d}x.$$
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*These two standard integrals can be found in tables. One obtains with&nbsp; $a = \pi/2$:
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:$$\sigma_x^{\rm 2}=\left[\frac{x^{\rm 3}}{\rm 6} + \frac{x}{a^2}\cdot {\cos}(a x) + \left( \frac{x^{\rm2}}{{\rm2}a} - \frac{1}{a^3} \right) \cdot \sin(a \cdot x)\right]_{x=0}^{x=2} \hspace{0.5cm}
 +
\rightarrow \hspace{0.5cm} \sigma_{x}^{\rm 2}=\frac{\rm 4}{\rm 3}-\frac{\rm 8}{\rm \pi^2}\approx 0.524\hspace{0.5cm} \Rightarrow \hspace{0.5cm}\sigma_x \hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.722}.$$
  
'''(2)'''&nbsp; Aufgrund der WDF-Symmetrie bez&uuml;glich $x = 0$ ergibt sich f&uuml;r den linearen Mittelwert $m_x \hspace{0.15cm}\underline{= 0}$.
 
  
'''(3)'''&nbsp; Der Effektivwert des Signals $x(t)$ ist gleich der Streuung $\sigma_x$ bzw. gleich der Wurzel aus der Varianz $\sigma_x^2$. Da die Zufallsgr&ouml;&szlig;e $x$ den Mittelwert $m_x {= 0}$ aufweist, ist die Varianz nach dem <i>Satz von Steiner</i> gleich dem quadratischen Mittelwert. Dieser wird in Zusammenhang mit Signalen auch als die Leistung (bezogen auf $1 \ \rm \Omega$) bezeichnet. Somit gilt:
 
$$\sigma_x^{\rm 2}=\int_{-\infty}^{+\infty}x^{\rm 2}\cdot f_x(x)\hspace{0.1cm}{\rm d}x=2 \cdot \int_{\rm 0}^{\rm 2} x^2/2 \cdot \cos^2({\pi}/4\cdot\it x)\hspace{0.1cm} {\rm d}x.$$
 
  
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'''(4)'''&nbsp; Correct is the&nbsp; <u>first mentioned suggestion</u>:
 +
*The variant&nbsp; $y = 2x$&nbsp; would yield a random variable distributed between&nbsp; $-4$&nbsp; and&nbsp; $+4$.
 +
*In the last proposition&nbsp; $y = x/2-1$&nbsp; the mean would be&nbsp; $m_y = -1$.
  
Mit der Beziehung $\cos^2(\alpha) = 0.5 \cdot [1 + \cos(2\alpha)]$ folgt daraus:
 
$$\sigma_x^2=\int_{\rm 0}^{\rm 2}{x^{\rm 2}}/{\rm 2} \hspace{0.1cm}{\rm d}x  +  \int_{\rm 0}^{\rm 2}{x^{\rm 2}}/{2}\cdot \cos({\pi}/{\rm 2}\cdot\it x) \hspace{0.1cm} {\rm d}x.$$
 
  
Diese beiden Standardintegrale findet man in Tabellen. Man erh&auml;lt mit $a = \pi/2$:
 
$$\sigma_x^{\rm 2}=\left[\frac{x^{\rm 3}}{\rm 6}  +  \frac{x}{a^2}\cdot {\cos}(a  x) + \left( \frac{x^{\rm2}}{{\rm2}a} - \frac{1}{a^3} \right) \cdot \sin(a \cdot  x)\right]_{x=0}^{x=2} \hspace{0.5cm}
 
\Rightarrow \hspace{0.5cm} \sigma_{x}^{\rm 2}=\frac{\rm 4}{\rm 3}-\frac{\rm 8}{\rm \pi^2}\approx 0.524\hspace{0.5cm} \Rightarrow \hspace{0.5cm}\sigma_x \hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.722}.$$
 
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist der <u>erstgenannte Vorschlag</u>:
+
'''(5)'''&nbsp; From the graph on the specification sheet it is already obvious that&nbsp; $m_y \hspace{0.15cm}\underline{=+1}$&nbsp; must hold.
* Die Variante $y = 2x$ w&uuml;rde eine zwischen $-4$ und $+4$ verteilte Zufallsgr&ouml;&szlig;e liefern.  
 
*Beim letzten Vorschlag $y = x/2-1$ w&auml;re der Mittelwert $m_y = -1$.
 
  
  
'''(5)'''&nbsp; Aus der Grafik auf dem Angabenblatt ist bereits offensichtlich, dass $m_y \hspace{0.15cm}\underline{=+1}$ gelten muss.
 
  
'''(6)'''&nbsp; Der Mittelwert &auml;ndert nichts an der Varianz und an der Streuung. Durch die Stauchung um den Faktor $2$ wird die Streuung gegen&uuml;ber Teilaufgabe (3) ebenfalls um diesen Faktor kleiner:
+
'''(6)'''&nbsp; The mean value does not change the variance and rms.
$$\sigma_y=\sigma_x/\rm 2\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.361}.$$
+
*By compressing by the factor&nbsp; $2$&nbsp; the standard deviation becomes smaller compared to subtask&nbsp; '''(3)'''&nbsp; also by this factor:
 +
:$$\sigma_y=\sigma_x/\rm 2\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.361}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^3.3 Erwartungswerte und Momente^]]
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[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^3.3 Expected Values and Moments^]]

Latest revision as of 13:20, 18 January 2023

Squared cosine PDF
and a similar PDF

As in  Exercise 3.1  and  Exercise 3. 2  we consider the random variable restricted to the range of values from  $-2$  to  $+2$  with the following PDF in this section:

$$f_x(x)= {1}/{2}\cdot \cos^2({\pi}/{4}\cdot { x}).$$

Next to this,  we consider a second random variable  $y$  that returns only values between  $0$  and  $2$  with the following PDF:

$$f_y(y)=\sin^2({\pi}/{2}\cdot y).$$
  • Both probability density functions are shown in the graph.
  • Outside the ranges  $-2 < x < +2$  resp.  $0 < x < +2$,  the followings holds:   $f_x(x) = 0$  resp.  $f_y(y) = 0$.
  • Both random variables can be taken as  (normalized)  instantaneous values of the associated random signals  $x(t)$  or  $y(t)$  resp.




Hints:

  • To solve this problem,  you can use the following indefinite integral:
$$\int x^{2}\cdot {\cos}(ax)\,{\rm d}x=\frac{2 x}{ a^{ 2}}\cdot \cos(ax)+ \left [\frac{x^{\rm 2}}{\it a} - \frac{\rm 2}{\it a^{\rm 3}} \right ]\cdot \rm sin(\it ax \rm ) .$$


Questions

1

Which of the following statements are true for any given PDF  $f_x(x)$ ?  Used are the following quantities:   linear mean  $m_1$,  second moment  $m_2$,  variance  $\sigma^2$.

$m_2 = 0$,  if   $m_1 \ne 0$.
$m_2 = 0$,  if   $m_1 = 0$.
$m_1 = 0$,  if   $m_2 = 0$.
$m_2 > \sigma^2$,  if   $m_1 \ne 0$.
$m_1 = 0$,   if   $f_x(-x) = f_x(x)$.
$f_x(-x) = f_x(x)$,   if   $m_1 = 0$.

2

What is the DC component  ("linear mean")  of the signal  $x(t)$?

$m_x \ = \ $

3

What is the standard deviation of the signal  $x(t)$?

$\sigma_x \ = \ $

4

The random variable  $y$  can be derived from  $x$.  Which assignment is valid?

$y = 1+x/2.$
$y = 2x.$
$y = x/2-1.$

5

What is the DC component of the signal  $y(t)$?

$m_y\ = $

6

What is the standard deviation of the signal  $y(t)$?

$\sigma_y\ = \ $


Solution

(1)  Under all circumstances,  statements 3, 4, and 5  are correct:

  • The first statement is never true,  as is evident from the  "Steiner's theorem".
  • The second statement is only valid in the  (trivial)  special case  $x = 0$.


However, there are also zero-mean random variables with asymmetric PDF.

  • This means:  Statement 6 is not always true.


(2)  Because of the PDF symmetry with respect to  $x = 0$  it follows that for the linear mean  $m_x \hspace{0.15cm}\underline{= 0}$.


(3)  The standard deviation of the signal  $x(t)$  is equal to the standard deviation   $\sigma_x$  or equal to the root of the variance  $\sigma_x^2$.

  • Since the random variable  $x$  has mean  $m_x {= 0}$,  the variance is equal to the second moment according to Steiner's theorem.
  • This is also referred to as the power  $($with respect to  $1 \ \rm \Omega)$  in the context of signals. Thus:
$$\sigma_x^{\rm 2}=\int_{-\infty}^{+\infty}x^{\rm 2}\cdot f_x(x)\hspace{0.1cm}{\rm d}x=2 \cdot \int_{\rm 0}^{\rm 2} x^2/2 \cdot \cos^2({\pi}/4\cdot\it x)\hspace{0.1cm} {\rm d}x.$$
  • With the relation  $\cos^2(\alpha) = 0.5 \cdot \big[1 + \cos(2\alpha)\big]$  it follows:
$$\sigma_x^2=\int_{\rm 0}^{\rm 2}{x^{\rm 2}}/{\rm 2} \hspace{0.1cm}{\rm d}x + \int_{\rm 0}^{\rm 2}{x^{\rm 2}}/{2}\cdot \cos({\pi}/{\rm 2}\cdot\it x) \hspace{0.1cm} {\rm d}x.$$
  • These two standard integrals can be found in tables. One obtains with  $a = \pi/2$:
$$\sigma_x^{\rm 2}=\left[\frac{x^{\rm 3}}{\rm 6} + \frac{x}{a^2}\cdot {\cos}(a x) + \left( \frac{x^{\rm2}}{{\rm2}a} - \frac{1}{a^3} \right) \cdot \sin(a \cdot x)\right]_{x=0}^{x=2} \hspace{0.5cm} \rightarrow \hspace{0.5cm} \sigma_{x}^{\rm 2}=\frac{\rm 4}{\rm 3}-\frac{\rm 8}{\rm \pi^2}\approx 0.524\hspace{0.5cm} \Rightarrow \hspace{0.5cm}\sigma_x \hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.722}.$$


(4)  Correct is the  first mentioned suggestion:

  • The variant  $y = 2x$  would yield a random variable distributed between  $-4$  and  $+4$.
  • In the last proposition  $y = x/2-1$  the mean would be  $m_y = -1$.


(5)  From the graph on the specification sheet it is already obvious that  $m_y \hspace{0.15cm}\underline{=+1}$  must hold.


(6)  The mean value does not change the variance and rms.

  • By compressing by the factor  $2$  the standard deviation becomes smaller compared to subtask  (3)  also by this factor:
$$\sigma_y=\sigma_x/\rm 2\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.361}.$$