Difference between revisions of "Theory of Stochastic Signals/Binomial Distribution"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Diskrete Zufallsgrößen
+
|Untermenü=Discrete Random Variable
|Vorherige Seite=Momente einer diskreten Zufallsgröße
+
|Vorherige Seite=Moments of a Discrete Random Variable
 
|Nächste Seite=Poissonverteilung
 
|Nächste Seite=Poissonverteilung
 
}}
 
}}
==Allgemeine Beschreibung der Binomialverteilung==
+
==General description of the binomial distribution==
Die '''Binomialverteilung''' stellt einen wichtigen Sonderfall für die Auftrittswahrscheinlichkeiten einer diskreten Zufallsgröße dar.  
+
<br>
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{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
The&nbsp; &raquo;'''binomial distribution'''&laquo;&nbsp; represents an important special case for the occurrence probabilities of a discrete random variable.
  
Zur Herleitung der Binomialverteilung gehen wir davon aus, dass $I$ binäre und statistisch voneinander unabhängige Zufallsgrößen $b_i$  
+
To derive the binomial distribution,&nbsp; we assume that&nbsp; $I$&nbsp; binary and statistically independent random variables&nbsp; $b_i$&nbsp; each can achieve
*den Wert $1$ mit der Wahrscheinlichkeit ${\rm Pr}(b_i = 1) = p$, und
+
*the value&nbsp; $1$&nbsp; with probability&nbsp; ${\rm Pr}(b_i = 1) = p$,&nbsp; and
*den Wert  $0$ mit der Wahrscheinlichkeit ${\rm Pr}(b_i = 0) = 1-p$ annehmen kann.
 
  
 +
*the value&nbsp;  $0$&nbsp; with probability&nbsp; ${\rm Pr}(b_i = 0) = 1-p$.
 +
 +
 +
Then the sum&nbsp; $z$&nbsp; is also a discrete random variable with the symbol set &nbsp; $\{0, \ 1, \ 2,\hspace{0.1cm}\text{ ...} \hspace{0.1cm}, \ I\}$,&nbsp; which is called binomially distributed:
  
Dann ist die Summe $z$ ebenfalls eine diskrete Zufallsgröße mit dem Symbolvorrat $\{0, 1, 2, ... , I\}$, die man als binomialverteilt bezeichnet:
 
 
:$$z=\sum_{i=1}^{I}b_i.$$  
 
:$$z=\sum_{i=1}^{I}b_i.$$  
Der Symbolumfang beträgt somit $M = I + 1.$  
+
Thus,&nbsp; the symbol set size is&nbsp; $M = I + 1.$ }}
  
{{Beispiel}}
 
Die Binomialverteilung findet in der Nachrichtentechnik ebenso wie in anderen Disziplinen mannigfaltige Anwendungen: 
 
*Sie beschreibt die Verteilung von Ausschussstücken in der statistischen Qualitätskontrolle.
 
*Sie erlaubt die Berechnung der Restfehlerwahrscheinlichkeit bei blockweiser Codierung.
 
*Auch die per Simulation gewonnene Bitfehlerquote eines digitalen Übertragungssystems ist eigentlich eine binomialverteilte Zufallsgröße.
 
{{end}}
 
  
==Wahrscheinlichkeiten der Binomialverteilung==
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp;
 +
The binomial distribution finds manifold applications in Communications Engineering as well as in other disciplines:
 +
#&nbsp; It describes the distribution of rejects in statistical quality control.
 +
#&nbsp; It allows the calculation of the residual error probability in blockwise coding.
 +
#&nbsp;The bit error rate of a digital transmission system obtained by simulation is actually a binomially distributed random quantity.}}
  
{{Definition}}
+
==Probabilities of the binomial distribution==
Für die '''Wahrscheinlichkeiten der Binomialverteilung''' gilt mit $μ = 0, ... , I$:
+
<br>
$$p_\mu = {\rm Pr}(z=\mu)={I \choose \mu}\cdot p^\mu\cdot ({\rm 1}-p)^{I-\mu}.$$
+
{{BlaueBox|TEXT= 
Der erste Term gibt hierbei die Anzahl der Kombinationen ($I$ '''über''' $μ$”) an:  
+
$\text{Calculation rule:}$&nbsp; For the&nbsp; &raquo;'''probabilities of the binomial distribution'''&laquo;&nbsp;  with&nbsp;  $μ = 0, \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}, \ I$:
$${I \choose \mu}=\frac{I !}{\mu !\cdot (I-\mu) !}=\frac{ {I\cdot (I- 1) \cdot \ \cdots \ \cdot (I-\mu+ 1)} }{ 1\cdot  2\cdot \ \cdots \ \cdot  \mu}.$$
+
:$$p_\mu = {\rm Pr}(z=\mu)={I \choose \mu}\cdot p\hspace{0.05cm}^\mu\cdot ({\rm 1}-p)\hspace{0.05cm}^{I-\mu}.$$
{{end}}
+
The first term here indicates the number of combinations &nbsp; $($read:&nbsp;  $I\ \text{ over }\ μ)$:
 +
:$${I \choose \mu}=\frac{I !}{\mu !\cdot (I-\mu) !}=\frac{ {I\cdot (I- 1) \cdot \ \cdots \ \cdot (I-\mu+ 1)} }{ 1\cdot  2\cdot \ \cdots \ \cdot  \mu}.$$}}
  
  
''Weitere Hinweise:''
+
$\text{Additional notes:}$
*Für sehr große Werte von $I$ kann die Binomialverteilung durch die im nächsten Abschnitt beschriebene [[Stochastische_Signaltheorie/Poissonverteilung|Poissonverteilung]] angenähert werden.  
+
#For very large values of&nbsp;  $I$,&nbsp; the binomial distribution can be approximated by the&nbsp;  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Poisson_Distribution|&raquo;Poisson distribution&laquo;]]&nbsp; described in the next section.
*Ist gleichzeitig das Produkt $I · p \gg 1$, so geht nach dem [https://de.wikipedia.org/wiki/Satz_von_Moivre-Laplace Grenzwertsatz von de Moivre-Laplace] die Poissonverteilung (und damit auch die Binomialverteilung) in eine diskrete [[Stochastische_Signaltheorie/Gaußverteilte_Zufallsgröße|Gaußverteilung]] über.
+
#If at the same time the product&nbsp;  $I · p \gg 1$,&nbsp; then according to&nbsp;  [https://en.wikipedia.org/wiki/De_Moivre%E2%80%93Laplace_theorem &raquo;de Moivre–Laplace's $($central limit$)$ theorem&laquo;],&nbsp; the Poisson distribution&nbsp;  $($and hence the binomial distribution$)$&nbsp; transitions to a discrete&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables|&raquo;Gaussian distribution&laquo;]].
  
{{Beispiel}}
 
[[File:P_ID203__Sto_T_2_3_S2_neu.png | Wahrscheinlichkeiten der Binomialverteilung | rechts]]
 
Die Grafik zeigt die Wahrscheinlichkeiten der Binomialverteilung sind für $I =6$  und $p =0.4$. Von Null verschieden sind somit $M = I+1=7$ Wahrscheinlichkeiten.
 
  
Dagegen ergeben sich für $I = 6$ und $p = 0.5$ die folgenden Binomialwahrscheinlichkeiten:
+
{{GraueBox|TEXT=
$$\begin{align*}{\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}0)  & = {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}6)\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm} 1/64\hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm}0.015625 ,\\ {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}1)  & =  {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}5) \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm}6/64 \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 0.09375,\\ {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}2) & = {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}4)\hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm}15/64 \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm}0.234375 ,\\ {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}3)  & =  20/64 \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm} 0.3125 .\end{align*}$$
+
[[File:P_ID203__Sto_T_2_3_S2_neu.png |frame|Binomial distribution probabilities]] 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;
 +
The graph shows the probabilities of the binomial distribution for&nbsp; $I =6$&nbsp; and&nbsp; $p =0.4$.&nbsp;
 +
*Thus&nbsp; $M = I+1=7$&nbsp; probabilities are different from zero.
  
Diese sind symmetrisch bezüglich des Abszissenwertes $\mu = I/2$.
+
*In contrast,&nbsp; for&nbsp; $I = 6$&nbsp; and&nbsp; $p = 0.5$,&nbsp; the probabilities of the binomial distribution are as follows:
{{end}}
+
:$$\begin{align*}{\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}0)  & = {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}6)\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm} 1/64\hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm}0.015625 ,\\ {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}1)  & =  {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}5) \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm}6/64 \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 0.09375,\\ {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}2)  & =  {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}4)\hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm}15/64 \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm}0.234375 ,\\ {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}3)  & =  20/64 \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm} 0.3125 .\end{align*}$$
  
 +
*These are symmetrical with respect to the abscissa value&nbsp;  $\mu = I/2 = 3$.}}
  
Mit nachfolgendem Berechnungsmodul können Sie die Binomialwahrscheinlichkeiten auch für andere Parameterwerte $I$ und $p$ ermitteln:
 
  
[[Ereigniswahrscheinlichkeiten der Binomialverteilung]]
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp; Another example of the application of the binomial distribution is the&nbsp; &raquo;'''calculation of the block error probability in Digital Signal Transmission'''&laquo;.
  
 +
If one transmits blocks each of&nbsp; $I =10$&nbsp; binary symbols over a channel 
 +
*with probability&nbsp; $p = 0.01$&nbsp; that one symbol is falsified &nbsp; &rArr; &nbsp; random variable&nbsp; $e_i = 1$,&nbsp; and
  
 +
*correspondingly with probability&nbsp; $1 - p = 0.99$&nbsp; for an unfalsified  symbol &nbsp; &rArr; &nbsp; random variable&nbsp; $e_i = 0$,
  
  
==Blockfehlerwahrscheinlichkeit==
+
then the new random variable&nbsp; $f$ &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;number of block errors&laquo;&nbsp;  is:
Ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Binomialverteilung ist die Berechnung der Blockfehlerwahrscheinlichkeit bei einem digitalen Übertragungssystem.
+
:$$f=\sum_{i=1}^{I}e_i.$$
  
{{Beispiel}}
+
This random variable&nbsp; $f$&nbsp; can take all integer values between&nbsp; $0$&nbsp; $($no symbol is falsified$)$&nbsp; and&nbsp; $I$&nbsp; $($all symbols symbol are falsified$)$&nbsp;.&nbsp;
Überträgt man jeweils Blöcke von $I =10$ Binärsymbolen über einen Kanal, der
+
#We denote the probabilities for&nbsp; $\mu$&nbsp; falsifications by&nbsp; $p_μ$.
*mit der Wahrscheinlichkeit $p = 0.01$ ein Symbol verfälscht &nbsp; &rArr; &nbsp; Zufallsgröße $e_i = 1$, und
+
#The case where all&nbsp; $I$&nbsp; symbols are correctly transmitted occurs with probability&nbsp; $p_0 = 0.99^{10} ≈ 0.9044$&nbsp;.
*entsprechend mit der Wahrscheinlichkeit $1 – p = 0.99$ das Symbol unverfälscht überträgt  &nbsp; &rArr; &nbsp; Zufallsgröße $e_i = 0$,
+
#This also follows from the binomial formula for&nbsp; $μ = 0$&nbsp; considering the definition&nbsp; $10\, \text{ over }\, 0 = 1$.
so gilt für die neue Zufallsgröße $f$ (&bdquo;Fehler pro Block&rdquo;):
+
#A single symbol error&nbsp; $(f = 1)$&nbsp; occurs with the  probability&nbsp; $p_1 = \rm 10\cdot 0.01\cdot 0.99^9\approx 0.0914.$
$$f=\sum_{i=1}^{I}e_i.$$
+
#The first factor considers that there are exactly&nbsp; $10\, \text{ over }\, 1 = 10$&nbsp; possibilities for the position of a single error.&nbsp;
 +
#The other two factors take into account that one symbol must be falsified and nine must be transmitted correctly if&nbsp; $f =1$&nbsp; is to hold.
  
Die Zufallsgröße $f$ kann nun alle ganzzahligen Werte zwischen $0$ (kein Symbol verfälscht) und $I$ (alle Symbole falsch) annehmen. Die Wahrscheinlichkeiten für $\mu$ Verfälschungen bezeichnen wir mit $p_μ$.
+
 
*Der Fall, dass alle $I$ Symbole richtig übertragen werden, tritt mit der Wahrscheinlichkeit $p_0 = 0.99^{10} ≈ 0.9044$ ein. Dies ergibt sich auch aus der Binomialformel für $μ = 0$ unter Berücksichtigung der Definition „10 über 0“ = 1.
+
For&nbsp; $f =2$&nbsp; there are clearly more combinations,&nbsp; namely&nbsp; $10\, \text{ over }\, 2 = 45$, &nbsp; and we get
*Ein einziger Symbolfehler $(f = 1)$ tritt mit folgender Wahrscheinlichkeit auf:
 
:$$p_1 = \rm 10\cdot 0.01\cdot 0.99^9\approx 0.0914.$$
 
Der erste Faktor berücksichtigt, dass es für die Position eines einzigen Fehlers genau „10 über 1“ = $10$ Möglichkeiten gibt. Die beiden weiteren Faktoren beücksichtigen, dass ein Symbol verfälscht und neun richtig übertragen werden müssen, wenn $f =1$ gelten soll.
 
*Für $f =2$ gibt es deutlich mehr Kombinationen, nämlich „10 über 2“ = $45$, und man erhält
 
 
:$$p_2 = \rm 45\cdot 0.01^2\cdot 0.99^8\approx 0.0041.$$
 
:$$p_2 = \rm 45\cdot 0.01^2\cdot 0.99^8\approx 0.0041.$$
  
Kann ein Blockcode bis zu zwei Fehlern korrigieren, so ist die Restfehlerwahrscheinlichkeit
+
If a block code can correct up to two errors,&nbsp; the &nbsp;&raquo;'''block error probability'''&laquo;&nbsp; is
$$p_{\rm R} = \it p_{\rm 3} \rm +... \rm + \it p_{\rm 10}\approx \rm 10^{-4},$$
+
:$$p_{\rm block} = \it p_{\rm 3} \rm +\hspace{0.1cm}\text{ ...} \hspace{0.1cm} \rm + \it p_{\rm 10}\approx \rm 10^{-4},$$
oder
+
or
$$p_{\rm R} = \rm 1-\it p_{\rm 0}-\it p_{\rm 1}-p_{\rm 2}\approx \rm 10^{-4}.$$
+
:$$p_{\rm block} = \rm 1-\it p_{\rm 0}-\it p_{\rm 1}-p_{\rm 2}\approx \rm 10^{-4}.$$
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 +
*One can see that for large&nbsp; $I$&nbsp; values the second possibility of calculation via the complement leads faster to the goal.
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*However,&nbsp;  one could also consider that for these numerical values&nbsp; $p_{\rm block} ≈ p_3$&nbsp; holds  as an approximation. }}
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&rArr; &nbsp; Use the interactive HTML5/JS applet&nbsp; [[Applets:Binomial_and_Poisson_Distribution_(Applet)|&raquo;Binomial and Poisson distribution&laquo;]]&nbsp; to find the binomial probabilities for any&nbsp; $I$&nbsp; and&nbsp; $p$&nbsp;.
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==Moments of the binomial distribution==
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<br>
 +
You can calculate the moments in general using the equations in the chapters&nbsp;
 +
* [[Theory_of_Stochastic_Signals/Moments_of_a_Discrete_Random_Variable|&raquo;Moments of a Discrete Random Variable&laquo;]],
 +
 +
* [[Theory_of_Stochastic_Signals/Binomial_Distribution#Probabilities_of_the_binomial_distribution|&raquo;Probabilities of the Binomial Distribution&raquo;]].
 +
 
  
Man erkennt, dass die zweite Berechnungsmöglichkeit über das Komplement schneller zum Ziel führt. Man könnte aber auch berücksichtigen, dass bei diesen Zahlenwerten $p_{\rm R} ≈ p_3$ gilt.
+
{{BlaueBox|TEXT= 
{{end}}
+
$\text{Calculation rules:} $&nbsp; For the&nbsp; &raquo;'''$k$-th order moment'''&laquo;&nbsp; of a binomially distributed random variable,&nbsp; the general rule is:
 +
:$$m_k={\rm E}\big[z^k\big]=\sum_{\mu={\rm 0} }^{I}\mu^k\cdot{I \choose \mu}\cdot p\hspace{0.05cm}^\mu\cdot ({\rm 1}-p)\hspace{0.05cm}^{I-\mu}.$$
 +
From this,&nbsp; we obtain for after some transformations 
 +
*the first order moment &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;linear mean&laquo;:
 +
:$$m_1 ={\rm E}\big[z\big]= I\cdot p,$$
 +
*the second order moment &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;power&laquo;:
 +
:$$m_2 ={\rm E}\big[z^2\big]= (I^2-I)\cdot p^2+I\cdot p,$$
 +
*the variance by applying &raquo;Steiner's theorem&raquo;:
 +
:$$\sigma^2 = {m_2-m_1^2} = {I \cdot p\cdot (1-p)} ,$$
 +
*the standard deviation:
 +
:$$\sigma =  \sqrt{I \cdot p\cdot (1-p)}.$$}}
  
==Momente der Binomialverteilung==
 
Die Momente können mit den Gleichungen im Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Momente_einer_diskreten_Zufallsgröße|Momente einer diskreten Zufallsgröße]]  und den  [[Stochastische_Signaltheorie/Binomialverteilung#Wahrscheinlichkeiten_der_Binomialverteilung|Wahrscheinlichkeiten der Binomialverteilung]]  allgemein berechnet werden.
 
  
{{Definition}}
+
The maximum variance&nbsp; $σ^2 = I/4$&nbsp; is obtained for the&nbsp; &raquo;characteristic probability&laquo;&nbsp; $p = 1/2$.&nbsp;
Für das '''Moment $k$-ter Ordnung''' einer binomialverteilten Zufallsgröße gilt:
+
*In this case,&nbsp; the binomial probabilities are symmetric around the mean&nbsp; $m_1 = I/2  \ ⇒  \ p_μ = p_{I–μ}$.
$$m_k=\rm E[\it z^k \rm ]=\sum_{\mu={\rm 0}}^{I}\mu^k\cdot{I \choose \mu}\cdot p^\mu\cdot ({\rm 1}-p)^{I-\mu}.$$
+
*The more the characteristic probability&nbsp; $p$&nbsp; deviates from the value&nbsp; $1/2$&nbsp;,
{{end}}
+
# &nbsp; the smaller is the standard deviation&nbsp; $σ$,&nbsp; and
 +
# &nbsp; the more asymmetric become  the probabilities around the mean&nbsp; $m_1 = I · p$.
  
Daraus erhält man nach einigen Umformungen für
 
*den linearen Mittelwert:
 
:$$m_1 = I\cdot p,$$
 
*den quadratischen Mittelwert:
 
:$$m_2 = (I^2-I)\cdot p^2+I\cdot p.$$
 
Die Varianz und die Streuung erhält man durch Anwendung des &bdquo;Steinerschen Satzes&rdquo;:
 
:$$\sigma^2 = {m_2-m_1^2} = {I \cdot p\cdot (1-p)} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
\sigma =  \sqrt{I \cdot p\cdot (1-p)}.$$
 
  
Die maximale Varianz $σ^2 = I/4$ ergibt sich für die charakteristische Wahrscheinlichkeit $p = 1/2$. In diesem Fall sind die Wahrscheinlichkeit symmetrisch um den Mittelwert $m_1 = I/2  \ ⇒  \ p_μ = p_{I–μ}$.
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 4:}$ &nbsp;
  
Je mehr die charakteristische Wahrscheinlichkeit $p$ vom Wert $1/2$ abweicht,  
+
As in&nbsp; $\text{Example 3}$,&nbsp; we consider a block of&nbsp; $I =10$&nbsp; binary symbols,&nbsp; each of which is independently falsified with probability&nbsp; $p = 0.01$&nbsp;.&nbsp; Then holds:
*um so kleiner ist die Streuung $σ$, und
+
*The mean number of block errors is equal to&nbsp; $m_f  = {\rm E}\big[ f\big] = I · p = 0.1$.
*um so unsymmetrischer werden die Wahrscheinlichkeiten um den Mittelwert $m_1 = I · p$.  
 
  
{{Beispiel}}
+
*The standard deviation of the random variable&nbsp; $f$&nbsp; is&nbsp; $σ_f  = \sqrt{0.1 \cdot 0.99}≈ 0.315$.
Wir betrachten wie im letzten Beispiel einen Block von $I =10$ Binärsymbolen, die jeweils mit der Wahrscheinlichkeit $p = 0.01$ unabhängig voneinander verfälscht werden. Dann gilt:
 
*Die mittlere Anzahl von Fehlern pro Block ist gleich $m_f  = {\rm E}[ f] = I · p = 0.1$.
 
*Die Streuung (Standardabweichung) der Zufallsgröße $f$ beträgt $σ_f  = \sqrt{0.1 \cdot 0.99}≈ 0.315$.
 
  
  
Im vollständig gestörten Kanal  ⇒  Verfälschungswahrscheinlichkeit $p = 1/2$ ergeben sich demgegenüber die Werte
+
In contrast,&nbsp; in the completely falsified channel &nbsp;  ⇒  &nbsp; bit error probability&nbsp; $p = 1/2$&nbsp; results in the values
*$m_f  = 5$  ⇒  im Mittel sind fünf der zehn Bits innerhalb eines Blocks falsch,
+
* $σ_f  = \sqrt{I}/2 ≈1.581$  ⇒  maximale Streuung für $I = 10$.
+
*$m_f  = 5$ &nbsp;   ⇒  &nbsp; on average,&nbsp; five of the ten bits within a block are wrong,
{{end}}
 
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
* $σ_f  = \sqrt{I}/2 ≈1.581$  &nbsp;  ⇒  &nbsp;  maximum standard deviation.}}
  
[[Aufgaben:2.3 Summe von Binärzahlen|Aufgabe 2.3: &nbsp; Summe von Binärzahlen]]
+
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.3:_Algebraic_Sum_of_Binary_Numbers|Exercise 2.3: Algebraic Sum of Binary Numbers]]
  
[[Aufgaben:2.4 Zahlenlotto (6 aus 49)|Aufgabe 2.4: &nbsp; Zahlenlotto (6 aus 49)]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.4:_Number_Lottery_(6_from_49)|Exercise 2.4: Number Lottery (6 from 49)]]
  
  

Latest revision as of 17:32, 7 February 2024

General description of the binomial distribution


$\text{Definition:}$  The  »binomial distribution«  represents an important special case for the occurrence probabilities of a discrete random variable.

To derive the binomial distribution,  we assume that  $I$  binary and statistically independent random variables  $b_i$  each can achieve

  • the value  $1$  with probability  ${\rm Pr}(b_i = 1) = p$,  and
  • the value  $0$  with probability  ${\rm Pr}(b_i = 0) = 1-p$.


Then the sum  $z$  is also a discrete random variable with the symbol set   $\{0, \ 1, \ 2,\hspace{0.1cm}\text{ ...} \hspace{0.1cm}, \ I\}$,  which is called binomially distributed:

$$z=\sum_{i=1}^{I}b_i.$$

Thus,  the symbol set size is  $M = I + 1.$


$\text{Example 1:}$  The binomial distribution finds manifold applications in Communications Engineering as well as in other disciplines:

  1.   It describes the distribution of rejects in statistical quality control.
  2.   It allows the calculation of the residual error probability in blockwise coding.
  3.  The bit error rate of a digital transmission system obtained by simulation is actually a binomially distributed random quantity.

Probabilities of the binomial distribution


$\text{Calculation rule:}$  For the  »probabilities of the binomial distribution«  with  $μ = 0, \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}, \ I$:

$$p_\mu = {\rm Pr}(z=\mu)={I \choose \mu}\cdot p\hspace{0.05cm}^\mu\cdot ({\rm 1}-p)\hspace{0.05cm}^{I-\mu}.$$

The first term here indicates the number of combinations   $($read:  $I\ \text{ over }\ μ)$:

$${I \choose \mu}=\frac{I !}{\mu !\cdot (I-\mu) !}=\frac{ {I\cdot (I- 1) \cdot \ \cdots \ \cdot (I-\mu+ 1)} }{ 1\cdot 2\cdot \ \cdots \ \cdot \mu}.$$


$\text{Additional notes:}$

  1. For very large values of  $I$,  the binomial distribution can be approximated by the  »Poisson distribution«  described in the next section.
  2. If at the same time the product  $I · p \gg 1$,  then according to  »de Moivre–Laplace's $($central limit$)$ theorem«,  the Poisson distribution  $($and hence the binomial distribution$)$  transitions to a discrete  »Gaussian distribution«.


Binomial distribution probabilities

$\text{Example 2:}$  The graph shows the probabilities of the binomial distribution for  $I =6$  and  $p =0.4$. 

  • Thus  $M = I+1=7$  probabilities are different from zero.
  • In contrast,  for  $I = 6$  and  $p = 0.5$,  the probabilities of the binomial distribution are as follows:
$$\begin{align*}{\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}0) & = {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}6)\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm} 1/64\hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm}0.015625 ,\\ {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}1) & = {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}5) \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm}6/64 \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 0.09375,\\ {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}2) & = {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}4)\hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm}15/64 \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm}0.234375 ,\\ {\rm Pr}(z\hspace{-0.05cm} =\hspace{-0.05cm}3) & = 20/64 \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm} 0.3125 .\end{align*}$$
  • These are symmetrical with respect to the abscissa value  $\mu = I/2 = 3$.


$\text{Example 3:}$  Another example of the application of the binomial distribution is the  »calculation of the block error probability in Digital Signal Transmission«.

If one transmits blocks each of  $I =10$  binary symbols over a channel

  • with probability  $p = 0.01$  that one symbol is falsified   ⇒   random variable  $e_i = 1$,  and
  • correspondingly with probability  $1 - p = 0.99$  for an unfalsified symbol   ⇒   random variable  $e_i = 0$,


then the new random variable  $f$   ⇒   »number of block errors«  is:

$$f=\sum_{i=1}^{I}e_i.$$

This random variable  $f$  can take all integer values between  $0$  $($no symbol is falsified$)$  and  $I$  $($all symbols symbol are falsified$)$ . 

  1. We denote the probabilities for  $\mu$  falsifications by  $p_μ$.
  2. The case where all  $I$  symbols are correctly transmitted occurs with probability  $p_0 = 0.99^{10} ≈ 0.9044$ .
  3. This also follows from the binomial formula for  $μ = 0$  considering the definition  $10\, \text{ over }\, 0 = 1$.
  4. A single symbol error  $(f = 1)$  occurs with the probability  $p_1 = \rm 10\cdot 0.01\cdot 0.99^9\approx 0.0914.$
  5. The first factor considers that there are exactly  $10\, \text{ over }\, 1 = 10$  possibilities for the position of a single error. 
  6. The other two factors take into account that one symbol must be falsified and nine must be transmitted correctly if  $f =1$  is to hold.


For  $f =2$  there are clearly more combinations,  namely  $10\, \text{ over }\, 2 = 45$,   and we get

$$p_2 = \rm 45\cdot 0.01^2\cdot 0.99^8\approx 0.0041.$$

If a block code can correct up to two errors,  the  »block error probability«  is

$$p_{\rm block} = \it p_{\rm 3} \rm +\hspace{0.1cm}\text{ ...} \hspace{0.1cm} \rm + \it p_{\rm 10}\approx \rm 10^{-4},$$

or

$$p_{\rm block} = \rm 1-\it p_{\rm 0}-\it p_{\rm 1}-p_{\rm 2}\approx \rm 10^{-4}.$$
  • One can see that for large  $I$  values the second possibility of calculation via the complement leads faster to the goal.
  • However,  one could also consider that for these numerical values  $p_{\rm block} ≈ p_3$  holds as an approximation.


⇒   Use the interactive HTML5/JS applet  »Binomial and Poisson distribution«  to find the binomial probabilities for any  $I$  and  $p$ .


Moments of the binomial distribution


You can calculate the moments in general using the equations in the chapters 


$\text{Calculation rules:} $  For the  »$k$-th order moment«  of a binomially distributed random variable,  the general rule is:

$$m_k={\rm E}\big[z^k\big]=\sum_{\mu={\rm 0} }^{I}\mu^k\cdot{I \choose \mu}\cdot p\hspace{0.05cm}^\mu\cdot ({\rm 1}-p)\hspace{0.05cm}^{I-\mu}.$$

From this,  we obtain for after some transformations

  • the first order moment   ⇒   »linear mean«:
$$m_1 ={\rm E}\big[z\big]= I\cdot p,$$
  • the second order moment   ⇒   »power«:
$$m_2 ={\rm E}\big[z^2\big]= (I^2-I)\cdot p^2+I\cdot p,$$
  • the variance by applying »Steiner's theorem»:
$$\sigma^2 = {m_2-m_1^2} = {I \cdot p\cdot (1-p)} ,$$
  • the standard deviation:
$$\sigma = \sqrt{I \cdot p\cdot (1-p)}.$$


The maximum variance  $σ^2 = I/4$  is obtained for the  »characteristic probability«  $p = 1/2$. 

  • In this case,  the binomial probabilities are symmetric around the mean  $m_1 = I/2 \ ⇒ \ p_μ = p_{I–μ}$.
  • The more the characteristic probability  $p$  deviates from the value  $1/2$ ,
  1.   the smaller is the standard deviation  $σ$,  and
  2.   the more asymmetric become the probabilities around the mean  $m_1 = I · p$.


$\text{Example 4:}$  

As in  $\text{Example 3}$,  we consider a block of  $I =10$  binary symbols,  each of which is independently falsified with probability  $p = 0.01$ .  Then holds:

  • The mean number of block errors is equal to  $m_f = {\rm E}\big[ f\big] = I · p = 0.1$.
  • The standard deviation of the random variable  $f$  is  $σ_f = \sqrt{0.1 \cdot 0.99}≈ 0.315$.


In contrast,  in the completely falsified channel   ⇒   bit error probability  $p = 1/2$  results in the values

  • $m_f = 5$   ⇒   on average,  five of the ten bits within a block are wrong,
  • $σ_f = \sqrt{I}/2 ≈1.581$   ⇒   maximum standard deviation.

Exercises for the chapter


Exercise 2.3: Algebraic Sum of Binary Numbers

Exercise 2.4: Number Lottery (6 from 49)