Ein „getakteter” Zufallsgenerator liefert eine Folge $\langle x_\nu \rangle$ 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 $ x_\nu \in \{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.
* $a_\nu$ die <i>algebraische Summe</i>:
Two new random sequences $\langle a_\nu \rangle$ and $\langle m_\nu \rangle$ are formed from the contents of the three-digit shift register. Here denotes:
* the "algebraic sum" $a_\nu$:
:$$a_\nu=x_\nu+x_{\nu-1}+x_{\nu-2},$$
:$$a_\nu=x_\nu+x_{\nu-1}+x_{\nu-2},$$
*$m_\nu$ die <i>Modulo-2-Summe</i>:
*the "modulo–2 sum" $m_\nu$:
:$$m_\nu=x_\nu\oplus x_{\nu-1}\oplus x_{\nu-2}.$$
:$$m_\nu=x_\nu\oplus x_{\nu-1}\oplus x_{\nu-2}.$$
Dieser Sachverhalt ist in der nachfolgenden Tabelle nochmals dargestellt:
[[File:P_ID254__Sto_A_4_3Tab.png|mitte|Tabelle zur Momentenberechnung]]
''Hinweise:''
<br><br><br><br><br><br>
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Zweidimensionale_Zufallsgrößen|Zweidimensionale Zufallsgrößen]].
Hints:
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
*This exercise belongs to the chapter [[Theory_of_Stochastic_Signals/Two-Dimensional_Random_Variables|Two-Dimensional Random Variables]].
*Use the following table for moment calculation.
<br clear=all>
===Questions===
===Fragebogen===
<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeiten der Zufallsgröße $m_\nu$. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Modulo-2-Summe gleich $0$ ist?
{Calculate the probabilities of the random variable $m_\nu$. What is the probability that the modulo-2 sum is equal to $0$ ?
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm Pr}(m_\nu = 0) \ = $ { 0.5 3% }
${\rm Pr}(m_\nu = 0) \ = \ $ { 0.5 3% }
{Bestehen statistiche Abhängigkeiten innerhalb der Folge $\langle m_\nu \rangle$?
{Are there statistical dependencies within the sequence $\langle m_\nu \rangle$?
|type="[]"}
|type="()"}
+ Die Folgenelemente $m_\nu$ sind statistisch unabhängig.
+ The sequence elements $m_\nu$ are statistically independent.
- Es bestehen statistische Bindungen innerhalb der Folge $\langle m_\nu \rangle$.
- There are statistical bindings within the sequence $\langle m_\nu \rangle$.
{Ermitteln Sie die Verbund-WDF $f_{xm}(x, m)$. Bewerten Sie aufgrund des Resultats die folgenden Aussagen (zutreffend oder nicht).
{Determine the 2D–PDF $f_{xm}(x_\nu, m_\nu)$. Based on the result, evaluate the following statements.
|type="[]"}
|type="[]"}
- Die Zufallsgrößen $x_\nu$ und $m_\nu$ sind statistisch abhängig.
- The random variables $x_\nu$ and $m_\nu$ are statistically dependent.
+ Die Zufallsgrößen $x_\nu$ und $m_\nu$ sind statistisch unabhängig.
+ The random variables $x_\nu$ and $m_\nu$ are statistically independent.
- Die Zufallsgrößen $x_\nu$ und $m_\nu$ sind korreliert.
- The random variables $x_\nu$ and $m_\nu$ are correlated.
+ Die Zufallsgrößen $x_\nu$ und $m_\nu$ sind unkorreliert.
+ The random variables $x_\nu$ and $m_\nu$ are uncorrelated.
{Bestehen innerhalb der Folge $\langle a_\nu \rangle$ statistische Abhängigkeiten?
{Do statistical dependencies exist within the sequence $\langle a_\nu \rangle$ ?
|type="[]"}
|type="()"}
- Die Folgenelemente $a_\nu$ sind statistisch unabhängig.
- The sequence elements $a_\nu$ are statistically independent.
+ Es bestehen statistische Bindungen innerhalb der Folge $\langle a_\nu \rangle$.
+ There are statistical bindings within the sequence $\langle a_\nu \rangle$.
{Ermitteln Sie die 2D-WDF $f_{am}(a, m)$ und den Korrelationskoeffizienten $\rho_{am}$. Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
{Determine the 2D–PDF $f_{am}(a_\nu, m_\nu)$ and the correlation coefficient $\rho_{am}$. Which of the following statements are true?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ Die Zufallsgrößen $a_\nu$ und $m_\nu$ sind statistisch abhängig.
+ The random variables $a_\nu$ and $m_\nu$ are statistically dependent.
- Die Zufallsgrößen $a_\nu$ und $m_\nu$ sind statistisch unabhängig.
- The random variables $a_\nu$ and $m_\nu$ are statistically independent.
- Die Zufallsgrößen $a_\nu$ und $m_\nu$ sind korreliert.
- The random variables $a_\nu$ and $m_\nu$ are correlated.
+ Die Zufallsgrößen $a_\nu$ und $m_\nu$ sind unkorreliert.
+ The random variables $a_\nu$ and $m_\nu$ are uncorrelated.
Line 62:
Line 64:
</quiz>
</quiz>
===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b> Aus der Tabelle auf der Angabenseite ist ersichtlich, dass bei der Modulo-2-Summe die beiden Werte 0 und 1 mit gleicher Wahrscheinlichkeit (also <u>jeweils 0.5</u>) auftreten.
'''(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:
:<b>2.</b> Die Tabelle zeigt, dass bei jeder Vorbelegung, - das heißt (<i>x</i><sub><i>ν</i>–1</sub>, <i>x</i><sub><i>ν</i>–2</sub>) = (0,0), (0,1), (1,0), (1,1) - die Werte <i>m<sub>ν</sub></i> = 0 bzw. <i>m<sub>ν</sub></i> = 1 mit gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten. Anders ausgedrückt:
'''(2)''' The table shows that for each preassignment ⇒ $( x_{\nu-1}, x_{\nu-2}) = (0,0), (0,1), (1,0), (1,1)$, the values $m_\nu = 0$ and $m_\nu = 1$ resp. are equally likely.
:Dies entspricht genau der Definition der <u>statistischen Unabhängigkeit</u>.
[[File:P_ID224__Sto_A_4_3_c.png|right|]]
:<b>3.</b> Die 2D–WDF besteht aus vier Diracfunktionen, jeweils mit dem Gewicht 1/4. Man erhält dieses Ergebnis beispielsweise durch Auswertung der Tabelle auf der Angabenseite.
:Da <i>f<sub>xm</sub></i>(<i>x<sub>ν</sub></i>, <i>m<sub>ν</sub></i>) gleich dem Produkt <i>f<sub>x</sub></i>(<i>x<sub>ν</sub></i>) · <i>f<sub>m</sub></i>(<i>m<sub>ν</sub></i>) ist, sind die Größen <i>x<sub>ν</sub></i> und <i>m<sub>ν</sub></i> statistisch unabhängig. Statistisch unabhängige Zufallsgrößen sind aber natürlich auch linear statistisch unabhängig, also mit Sicherheit unkorreliert. Richtig sind also <u>der zweite und der letzte Lösungsvorschlag</u>.<br>
'''(3)''' Correct are <u>the second and the last suggested solutions</u>.
*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 $f_{xm}(x_\nu, m_\nu)=f_{x}(x_\nu) \cdot f_{m}(m_\nu)$, the quantities $x_\nu$ and $m_\nu$ are statistically independent.
*Statistically independent random variables, however, are also linearly statistically independent, so they are certainly uncorrelated.
:<b>4.</b> Innerhalb der Folge 〈<i>a<sub>ν</sub></i>〉 der algebraischen Summe gibt es statistische Bindungen ⇒ <u>Vorschlag 2</u>. Man erkennt dies daran, dass die unbedingte Wahrscheinlichkeit Pr(<i>a<sub>ν</sub></i> = 0) = 1/8 ist, während zum Beispiel Pr(<i>a<sub>ν</sub></i> = 0 | <i>a</i><sub><i>ν</i>–1</sub> = 3) gleich 0 ist.
[[File:P_ID225__Sto_A_4_3_e.png|right|]]
:<b>5.</b> Wie bei der Teilaufgabe (3) erhält man wieder vier Diracfunktionen, diesmal aber nicht mit jeweils gleichem Impulsgewicht 1/4.
:Die zweidimensionale WDF lässt sich nicht als Produkt der zwei Randwahrscheinlichkeitsdichten schreiben. Das bedeutet aber, dass statistische Bindungen zwischen <i>a<sub>ν</sub></i> und <i>m<sub>ν</sub></i> bestehen müssen.
'''(4)''' Within the sequence $\langle a_\nu \rangle$ of algebraic sum there are statistical bindings ⇒ <u>Answer 2</u>.
*You can see this because the unconditional probability is $ {\rm Pr}( a_{\nu} = 0) =1/8$,
:Damit ist auch der Korrelationskoeffizient <i>ρ<sub>am</sub></i> = 0. Das heißt: Die vorhandenen Abhängigkeiten sind nichtlinear. Die Größen <i>a<sub>ν</sub></i> und <i>m<sub>ν</sub></i> sind zwar statistisch abhängig, aber trotzdem unkorreliert. Richtig sind <u>der erste und der letzte Lösungsvorschlag</u>.
Algebraic & modulo–2 sumTable 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.
Two new random sequences $\langle a_\nu \rangle$ and $\langle m_\nu \rangle$ are formed from the contents of the three-digit shift register. Here denotes:
(2) The table shows that for each preassignment ⇒ $( x_{\nu-1}, x_{\nu-2}) = (0,0), (0,1), (1,0), (1,1)$, the values $m_\nu = 0$ and $m_\nu = 1$ resp. are equally likely.