Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.11: Chebyshev's Inequality"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Weitere Verteilungen
+
{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Further_Distributions
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID139__Sto_A_3_11.png|right|Beispielhafte Tschebyscheffsch–Schranke]]
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[[File:EN_Sto_A_3_11_neu.png|right|frame|Exemplary Chebyshev bound]]
Ist über eine Zufallsgröße $x$ nichts weiter bekannt als nur
 
*der Mittelwert $m_x$ und
 
*die Streuung $\sigma_x$,
 
  
so gibt die  <i>Tschebyscheffsche Ungleichung</i> eine obere Schranke f&uuml;r die Wahrscheinlichkeit an, dass $x$ betragsm&auml;&szlig;ig mehr als einen Wert $\varepsilon$ von seinem Mittelwert $m_x$ abweicht. Diese Schranke lautet:
+
[[File:P_ID921__Sto_A_3_11_b.png|frame|Values of the&nbsp; "complementary Gaussian error function"]]
$${\rm Pr}(|x-m_x|\ge \varepsilon) \le  {\sigma_x^{\rm 2}}/{\varepsilon^{\rm 2}}.$$
+
If nothing else is known about a random variable&nbsp; $x$&nbsp; than only
 +
*the mean value&nbsp; $m_x$,&nbsp; and
 +
*the standard deviation&nbsp; $\sigma_x$,
  
''Zur Erläuterung:''
 
*In der Grafik ist diese obere Schranke rot eingezeichnet.
 
*Der gr&uuml;ne Kurvenverlauf zeigt die tatsächliche Wahrscheinlichkeit bei der Gleichverteilung.
 
*Die blauen Punkte gelten f&uuml;r die Exponentialverteilung.
 
  
 +
so the&nbsp;  "Chebyshev's Inequality"&nbsp; gives an upper bound on the probability that $x$&nbsp; deviates by more than a value&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; from its mean.&nbsp; This bound is:
 +
:$${\rm Pr}(|x-m_x|\ge \varepsilon) \le {\sigma_x^{\rm 2}}/{\varepsilon^{\rm 2}}.$$
  
Aus dieser Darstellung ist zu erkennen, dass die <i>Tschebyscheffsche Ungleichung</i> nur eine sehr grobe Schranke darstellt. Sie sollte nur dann verwendet werden, wenn von der Zufallsgr&ouml;&szlig;e wirklich nur der Mittelwert und die Streuung bekannt sind.
+
To explain:
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*In the graph,&nbsp; this upper bound is drawn in red.
 +
*The green curve shows the actual probability for the uniform distribution.
 +
*The blue points are for the exponential distribution.  
  
  
''Hinweise:''
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From this plot it can be seen that the&nbsp; "Chebyshev's Inequality"&nbsp; is only a very rough bound.&nbsp; <br>It should be used only if really only the mean and the standard deviation are known from the random size.
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Weitere_Verteilungen|Weitere Verteilungen]].
 
*Insbesondere wird auf die Seiten  [[Stochastische_Signaltheorie/Weitere_Verteilungen#Tschebyscheffsche_Ungleichung|Tschebyscheffsche Ungleichung]] Bezug genommen .
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
*Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit Werten der komplementären Gaußschen Fehlerfunktion.
 
[[File:P_ID921__Sto_A_3_11_b.png|Werte der komplementären Gaußschen Fehlerfunktion]]
 
  
  
===Fragebogen===
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<br>
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Hints:
 +
*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Further_Distributions|"Further Distributions"]].
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*In particular,&nbsp; reference is made to the section&nbsp;  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Further_Distributions#Chebyshev.27s_inequality|"Chebyshev's inequality"]]&nbsp;.
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 +
*On the right,&nbsp; values of the complementary Gaussian error function&nbsp; ${\rm Q}(x)$&nbsp; are given.
 +
 
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 +
 
 +
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?
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{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Vorstellbar ist eine Zufallsgröße mit ${\rm Pr}(|x -m_x> | \ge 3\sigma_x) = 1/4$.
+
- Conceivably,&nbsp; a random variable with&nbsp; ${\rm Pr}(|x -m_x | \ge 3\sigma_x) = 1/4$.
+ &bdquo;Tschebyscheff&rdquo; liefert f&uuml;r $\varepsilon < \sigma_x$ keine Information.
+
+ "Chebyshev"&nbsp; yields for&nbsp; $\varepsilon < \sigma_x$&nbsp; no information.
+ ${\rm Pr}(|x -m_x> | \ge \sigma_x)$ist für große $\varepsilon$ identisch $0$, wenn $x$ begrenzt ist.
+
+ ${\rm Pr}(|x -m_x | \ge \sigma_x)$&nbsp; is identically zero for large&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; if&nbsp; $x$&nbsp; is bounded.
  
  
{Es gelte $k = 1, 2, 3, 4$. Geben Sie die Überschreitungswahrscheinlichkeit $p_k = {\rm Pr}(|x -m_x | \ge k \cdot \sigma_x)$ für die Gau&szlig;verteilung an. <br>Wie gro&szlig; ist $p_3$?
+
{It holds&nbsp; $k = 1, \ 2, \ 3, \ 4$.&nbsp; Give the excess probability&nbsp; $p_k = {\rm Pr}(|x -m_x | \ge k \cdot \sigma_x)$&nbsp; for the <u>Gaussian distribution</u>.&nbsp; How large is&nbsp; $p_3$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\text{Gauß}$: &nbsp; &nbsp;  ${\rm Pr}(|x -m_x | \ge 3 \sigma_x) \ = $ { 0.26 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr}(|x -m_x | \ge 3 \sigma_x) \ = \ $ { 0.26 3% } $\ \%$
  
  
{Welche Überschreitungswahrscheinlichkeiten  $p_k$ ergeben sich bei der Exponentialverteilung. Hier gilt &nbsp; $m_x = \sigma_x = 1/\lambda$. <br>Wie gro&szlig; ist $p_3$?
+
{What are the excess probabilities&nbsp; $p_k$&nbsp; for the&nbsp; <u>exponential distribution</u>.&nbsp; Here &nbsp; $m_x = \sigma_x = 1/\lambda$.&nbsp; What is&nbsp; $p_3$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\text{Exponential}$: &nbsp; &nbsp;  ${\rm Pr}(|x -m_x | \ge 3 \sigma_x) \ = $ { 1.83 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr}(|x -m_x | \ge 3 \sigma_x) \ = \ $ { 1.83 3% } $\ \%$
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind <u>die Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
+
'''(1)'''&nbsp; Correct are&nbsp; <u>the proposed solutions 2 and 3</u>:
*Die erste Aussage ist falsch. Die Tschebyscheffsche Ungleichung liefert hier die Schranke $1/9$. Bei keiner Verteilung kann die hier betrachtete Wahrscheinlichkeit gr&ouml;&szlig;er sein, zum Beispiel $1/4$.  
+
*The first statement is false.&nbsp; Here,&nbsp; Chebyshev's inequality provides the bound&nbsp; $1/9$.  
*Für $\varepsilon < \sigma_x$ liefert Tschebyscheff eine Wahrscheinlichkeit gr&ouml;&szlig;er als $1$. Diese Information ist also nutzlos.
+
*For no distribution the probability considered here can be equal&nbsp; $1/4$.  
*Auch die letzte Aussage ist zutreffend. Beispielsweise gilt bei der Gleichverteilung:
+
*For&nbsp; $\varepsilon < \sigma_x$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Chebyshev yields a probability greater&nbsp; $1$.&nbsp; This information is useless.
:$${\rm Pr}(| x- m_x | \ge \varepsilon)=\left\{ \begin{array}{*{4}{c}} 1-{\varepsilon}/{\varepsilon_{\rm 0}} & \rm f\ddot{u}r\hspace{0.1cm}{\it \varepsilon<\varepsilon_{\rm 0}=\sqrt{\rm 3}\cdot\sigma_x},\\\rm 0 & \rm sonst. \end{array} \right. $$
+
*The last statement is true.&nbsp; For example,&nbsp; with the uniform distribution:
 +
:$${\rm Pr}(| x- m_x | \ge \varepsilon)=\left\{ \begin{array}{*{4}{c}} 1-{\varepsilon}/{\varepsilon_{\rm 0}} & \rm for\hspace{0.1cm}{\it \varepsilon<\varepsilon_{\rm 0}=\sqrt{\rm 3}\cdot\sigma_x},\\\rm 0 & \rm else. \end{array} \right. $$
  
'''(2)'''&nbsp; Bei der Gau&szlig;verteilung gilt:
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; For the Gaussian distribution holds:
 
:$$p_k={\rm Pr}(| x-m_x| \ge k\cdot\sigma_{x})=\rm 2\cdot \rm Q(\it k).$$
 
:$$p_k={\rm Pr}(| x-m_x| \ge k\cdot\sigma_{x})=\rm 2\cdot \rm Q(\it k).$$
  
Daraus ergeben sich folgende Zahlenwerte (in Klammern: Schranke nach Tschebyscheff):
+
*This results in the following numerical values&nbsp; $($in brackets: &nbsp; bound according to Chebyshev$)$:
:$$k= 1: {\rm Pr}(|x-m_x| \ge \sigma_{x}) = 31.7 \% \hspace{0.3cm}(100 \%),$$
+
:$$k= 1\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge \sigma_{x}) = 31.7 \% \hspace{0.3cm}(100 \%),$$
:$$k= 2: {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 2 \cdot \sigma_{x}) = 4.54 \% \hspace{0.3cm}(25 \%),$$
+
:$$k= 2\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 2 \cdot \sigma_{x}) = 4.54 \% \hspace{0.3cm}(25 \%),$$
:$$k= 3: {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 3 \cdot\sigma_{x})\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.26 \%} \hspace{0.3cm}(11.1 \%),$$
+
:$$k= 3\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 3 \cdot\sigma_{x})\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.26 \%} \hspace{0.3cm}(11.1 \%),$$
:$$k= 4: {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 4 \cdot \sigma_{x}) = 0.0064 \% \hspace{0.3cm}(6.25 \%),$$
+
:$$k= 4\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 4 \cdot \sigma_{x}) = 0.0064 \% \hspace{0.3cm}(6.25 \%).$$
 +
 
  
'''(3)'''&nbsp; Ohne Einschr&auml;nkung der Allgemeing&uuml;ltigkeit setzen wir $\lambda; = 1$  
+
'''(3)'''&nbsp; Without restricting generality,&nbsp; we set&nbsp; $\lambda = 1$  
&nbsp;&#8658;&nbsp; $m_x = \sigma_x = 1$. Dann gilt:
+
&nbsp; &#8658; &nbsp; $m_x = \sigma_x = 1$.&nbsp; Then holds:
:$${\rm Pr}(|x - m_x| \ge k\cdot\sigma_{x}) = {\rm Pr}(| x-1| \ge k).$$
+
:$${\rm Pr}(|x - m_x| \ge k\cdot\sigma_{x}) = {\rm Pr}(| x-1| \ge k).$$
  
Da in diesem Sonderfall die Zufallsgröße stets $x >0$ ist, gilt weiter:
+
*Since in this special case the random variable is always&nbsp; $x >0$,&nbsp; it further holds:
 
:$$p_k= {\rm Pr}( x \ge k+1)=\int_{k+\rm 1}^{\infty}\hspace{-0.15cm}
 
:$$p_k= {\rm Pr}( x \ge k+1)=\int_{k+\rm 1}^{\infty}\hspace{-0.15cm}
 
{\rm e}^{-x}\, {\rm d} x={\rm e}^{-( k + 1)}.$$
 
{\rm e}^{-x}\, {\rm d} x={\rm e}^{-( k + 1)}.$$
  
Daraus ergeben sich folgende Zahlenwerte für die Exponentialverteilung:
+
*This yields the following numerical values for the exponential distribution:
:$$k= 1: {\rm Pr}(|x-m_x| \ge \sigma_{x}) \rm e^{-2}= \rm 13.53\%,$$
+
:$$k= 1\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge \sigma_{x})= \rm e^{-2}= \rm 13.53\%,$$
:$$k= 2: {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 2 \cdot \sigma_{x})= \rm \rm e^{-3}=\rm 4.97\% ,$$
+
:$$k= 2\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 2 \cdot \sigma_{x})= \rm \rm e^{-3}=\rm 4.97\% ,$$
:$$k= 3: {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 3 \cdot\sigma_{x})= \rm \rm e^{-4}\hspace{0.15cm}\underline{ =\rm 1.83\% },$$
+
:$$k= 3\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 3 \cdot\sigma_{x})= \rm \rm e^{-4}\hspace{0.15cm}\underline{ =\rm 1.83\% },$$
:$$k= 4: {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 4 \cdot \sigma_{x}) = \rm e^{-5}= \rm 0.67\%.$$
+
:$$k= 4\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 4 \cdot \sigma_{x}) = \rm e^{-5}= \rm 0.67\%.$$
 
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[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^3.7 Weitere Verteilungen^]]
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[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^3.7 Further Distributions^]]

Latest revision as of 16:39, 13 March 2023

Exemplary Chebyshev bound
Values of the  "complementary Gaussian error function"

If nothing else is known about a random variable  $x$  than only

  • the mean value  $m_x$,  and
  • the standard deviation  $\sigma_x$,


so the  "Chebyshev's Inequality"  gives an upper bound on the probability that $x$  deviates by more than a value  $\varepsilon$  from its mean.  This bound is:

$${\rm Pr}(|x-m_x|\ge \varepsilon) \le {\sigma_x^{\rm 2}}/{\varepsilon^{\rm 2}}.$$

To explain:

  • In the graph,  this upper bound is drawn in red.
  • The green curve shows the actual probability for the uniform distribution.
  • The blue points are for the exponential distribution.


From this plot it can be seen that the  "Chebyshev's Inequality"  is only a very rough bound. 
It should be used only if really only the mean and the standard deviation are known from the random size.



Hints:

  • On the right,  values of the complementary Gaussian error function  ${\rm Q}(x)$  are given.



Questions

1

Which of the following statements are true?

Conceivably,  a random variable with  ${\rm Pr}(|x -m_x | \ge 3\sigma_x) = 1/4$.
"Chebyshev"  yields for  $\varepsilon < \sigma_x$  no information.
${\rm Pr}(|x -m_x | \ge \sigma_x)$  is identically zero for large  $\varepsilon$  if  $x$  is bounded.

2

It holds  $k = 1, \ 2, \ 3, \ 4$.  Give the excess probability  $p_k = {\rm Pr}(|x -m_x | \ge k \cdot \sigma_x)$  for the Gaussian distribution.  How large is  $p_3$?

${\rm Pr}(|x -m_x | \ge 3 \sigma_x) \ = \ $

$\ \%$

3

What are the excess probabilities  $p_k$  for the  exponential distribution.  Here   $m_x = \sigma_x = 1/\lambda$.  What is  $p_3$?

${\rm Pr}(|x -m_x | \ge 3 \sigma_x) \ = \ $

$\ \%$


Solution

(1)  Correct are  the proposed solutions 2 and 3:

  • The first statement is false.  Here,  Chebyshev's inequality provides the bound  $1/9$.
  • For no distribution the probability considered here can be equal  $1/4$.
  • For  $\varepsilon < \sigma_x$   ⇒   Chebyshev yields a probability greater  $1$.  This information is useless.
  • The last statement is true.  For example,  with the uniform distribution:
$${\rm Pr}(| x- m_x | \ge \varepsilon)=\left\{ \begin{array}{*{4}{c}} 1-{\varepsilon}/{\varepsilon_{\rm 0}} & \rm for\hspace{0.1cm}{\it \varepsilon<\varepsilon_{\rm 0}=\sqrt{\rm 3}\cdot\sigma_x},\\\rm 0 & \rm else. \end{array} \right. $$


(2)  For the Gaussian distribution holds:

$$p_k={\rm Pr}(| x-m_x| \ge k\cdot\sigma_{x})=\rm 2\cdot \rm Q(\it k).$$
  • This results in the following numerical values  $($in brackets:   bound according to Chebyshev$)$:
$$k= 1\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge \sigma_{x}) = 31.7 \% \hspace{0.3cm}(100 \%),$$
$$k= 2\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 2 \cdot \sigma_{x}) = 4.54 \% \hspace{0.3cm}(25 \%),$$
$$k= 3\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 3 \cdot\sigma_{x})\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.26 \%} \hspace{0.3cm}(11.1 \%),$$
$$k= 4\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 4 \cdot \sigma_{x}) = 0.0064 \% \hspace{0.3cm}(6.25 \%).$$


(3)  Without restricting generality,  we set  $\lambda = 1$   ⇒   $m_x = \sigma_x = 1$.  Then holds:

$${\rm Pr}(|x - m_x| \ge k\cdot\sigma_{x}) = {\rm Pr}(| x-1| \ge k).$$
  • Since in this special case the random variable is always  $x >0$,  it further holds:
$$p_k= {\rm Pr}( x \ge k+1)=\int_{k+\rm 1}^{\infty}\hspace{-0.15cm} {\rm e}^{-x}\, {\rm d} x={\rm e}^{-( k + 1)}.$$
  • This yields the following numerical values for the exponential distribution:
$$k= 1\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge \sigma_{x})= \rm e^{-2}= \rm 13.53\%,$$
$$k= 2\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 2 \cdot \sigma_{x})= \rm \rm e^{-3}=\rm 4.97\% ,$$
$$k= 3\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 3 \cdot\sigma_{x})= \rm \rm e^{-4}\hspace{0.15cm}\underline{ =\rm 1.83\% },$$
$$k= 4\text{:}\hspace{0.5cm} {\rm Pr}(|x-m_x| \ge 4 \cdot \sigma_{x}) = \rm e^{-5}= \rm 0.67\%.$$