Aufgaben:Exercise 4.16Z: Multi-dimensional Data Reduction: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Verallgemeinerung auf N-dimensionale Zufallsgrößen
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[[File:P_ID678__Sto_Z_4_16.png|right|]]
[[File:P_ID678__Sto_Z_4_16.png|right|frame|Matrices  $\mathbf{K_y}$  and  $\mathbf{K_z}$ ]]
:Wir betrachten Gaußsche mittelwertfreie Zufallsgrößen <b>x</b>, <b>y</b> und <b>z</b> mit den Dimensionen <i>N</i> = 1, <i>N</i> = 2 und <i>N</i> = 3:
We consider Gaussian zero mean random variables &nbsp; $\mathbf{x}$,&nbsp; $\mathbf{y}$ &nbsp; and &nbsp; $\mathbf{z}$ &nbsp; with dimensions&nbsp; $N= 1$,&nbsp; $N= 2$&nbsp; and&nbsp; $N= 3$:
* The one-dimensional random variable&nbsp; $\mathbf{x}$&nbsp; is characterized by the variance&nbsp; $\sigma^2 = 1$&nbsp; and the standard deviation &nbsp; $\sigma = 1$&nbsp; respectively. <br>Because of the dimension&nbsp; $N= 1$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $\mathbf{x} = x$.


:* Die eindimensionale Zufallsgröße <b>x</b> ist durch die Varianz <i>&sigma;</i><sup>2</sup> = 1 bzw. die Streuung <i>&sigma;</i> = 1 charakterisiert. Wegen der Dimension <i>N</i> = 1 gilt <b>x</b> = <i>x</i>.
* The correlation coefficient between the components&nbsp; $y_1$&nbsp; and&nbsp; $y_2$&nbsp; of the 2D random variable&nbsp; $\mathbf{y}$&nbsp; is&nbsp; $\rho = 1/3$&nbsp; $($see matrix&nbsp; $\mathbf{K_y})$. <br>$y_1$ and $y_2$ also have the standard deviation $\sigma = 1$.


:* Der Korrelationskoeffizient zwischen den Komponenten <i>y</i><sub>1</sub> und <i>y</i><sub>2</sub> der 2D-Zufallsgröße <b>y</b> beträgt <i>&rho;</i> = 1/3 (siehe Matrix <b>K<sub>y</sub></b>). <i>y</i><sub>1</sub> und <i>y</i><sub>2</sub> weisen ebenfalls die Streuung <i>&sigma;</i> = 1 auf.
* The statistics of the three-dimensional random variable&nbsp; $\mathbf{z}$&nbsp; is completely determined by the correlation matrix&nbsp; $\mathbf{K_z}$&nbsp;.


:* Die Statistik der dreidimensionalen Zufallsgröße <b>z</b> ist durch die Korrelationsmatrix <b>K<sub>z</sub></b> vollständig bestimmt.


:Quantisiert man die Zufallsgröße <i>x</i> im Bereich zwischen &ndash;4 und +4 mit Intervallbreite <i>&Delta;<sub>x</sub></i> = 1/32, so gibt es insgesamt <i>N</i><sub>1</sub> = 256 unterschiedliche Quantisierungswerte, für deren Übertragung somit <i>n</i><sub>1</sub> = 8 Bit benötigt würden.
If one quantizes the random variable&nbsp; $\mathbf{x}$&nbsp; in the range between&nbsp; $-4$&nbsp; and&nbsp; $+4$&nbsp; with interval width&nbsp; $\Delta_x = 1/32$,&nbsp; there are altogether &nbsp;$N_1 = 256$&nbsp; different quantization values,&nbsp; for whose transmission thus &nbsp;$n_1 = 8\ \rm {bit}$&nbsp; would be needed.


:Analog ergeben sich bei der Zufallsgröße <b>y</b> insgesamt <i>N</i><sub>2</sub> = 256<sup>2</sup> = 65536 unterschiedliche quantisierte Wertepaare, wenn man die Korrelation zwischen <i>y</i><sub>1</sub> und <i>y</i><sub>2</sub> nicht berücksichtigt. Durch Ausnutzung dieser Korrelation &ndash; zum Beispiel durch Koordinatentransformation vom Ursprungsystem (<i>y</i><sub>1</sub>, <i>y</i><sub>2</sub>) zum neuen System (<i>&eta;</i><sub>1</sub>, <i>&eta;</i><sub>2</sub>) &ndash; ergibt sich eine geringere Zahl <i>N</i><sub>2</sub>' quantisierter Wertepaare.
Similarly,&nbsp; the random variable&nbsp; $\mathbf{y}$&nbsp; results in a total of &nbsp;$N_2 = 256^2 = 65536$&nbsp; different quantized value pairs,&nbsp; if the correlation between&nbsp; $y_1$ &nbsp;and&nbsp; $y_2$&nbsp; is not taken into account.  


:Hierbei ist zu berücksichtigen, dass jede Komponente entsprechend ihrer jeweiligen Streuung (<i>&sigma;</i><sub>1 </sub> bzw. <i>&sigma;</i><sub>2</sub>) im Bereich von &ndash;4<i>&sigma;<sub>i</sub></i> bis +4<i>&sigma;<sub>i</sub></i> zu quantisieren ist und die Quantisierungsintervalle in beiden Richtungen gleich sein sollen: <i>&Delta;<sub>x</sub></i> = <i>&Delta;<sub>y</sub></i> = 1/32.
Exploiting this correlation&nbsp; &ndash; for example, by coordinate transformation from the original system&nbsp; $(y_1, y_2)$&nbsp; to the new system&nbsp; $(\eta_1, \eta_2)$&nbsp; &ndash;&nbsp; results in a smaller number&nbsp; $N_2\hspace{0.01cm}'$&nbsp; of quantized value pairs.


:Den Quotienten <i>N</i><sub>2</sub>'/<i>N</i><sub>2</sub> bezeichnen wir als Datenreduktionsfaktor bezüglich der 2D-Zufallsgröße <b>y</b>. In analoger Definition ist <i>N</i><sub>3</sub>'/<i>N</i><sub>3</sub> der entsprechende Reduktionsfaktor der 3D-Zufallsgröße <b>z</b> für <i>&Delta;<sub>x</sub></i> = <i>&Delta;<sub>y</sub></i> = <i>&Delta;<sub>z</sub></i> = 1/32. Anzumerken ist, dass in beiden Fällen ein möglichst kleiner Wert günstig ist.
*Here, it is to be considered that each component is to be quantized according to its respective standard deviation&nbsp; $(\sigma_1$&nbsp; resp.&nbsp; $\sigma_2)$&nbsp; in the range of&nbsp; $-4$&nbsp; to&nbsp; $+4$&nbsp; and the quantization intervals should be the same in both directions: &nbsp; $\Delta_x = \Delta_y =1/32$.


*We denote the quotient&nbsp; $N_2\hspace{0.01cm}'/N_2$&nbsp; as the data reduction factor with respect to the two-dimensional random variable&nbsp; $\mathbf{y}$.
*In analogous definition&nbsp; $N_3'/N_3$&nbsp; is the corresponding reduction factor of the three-dimensional random variable&nbsp; $\mathbf{z}$&nbsp; for&nbsp; $\Delta_x = \Delta_y =\Delta_z =1/32.$
*Note that in both cases the smallest possible value of this quotient would be favorable.


''Hinweise:''
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Verallgemeinerung_auf_N-dimensionale_Zufallsgrößen|Verallgemeinerung auf N-dimensionale Zufallsgrößen]].
*Einige Grundlagen zur Anwendung von Vektoren und Matrizen finden sich auf den Seiten [[Stochastische_Signaltheorie/Verallgemeinerung_auf_N-dimensionale_Zufallsgrößen#Grundlagen_der_Matrizenrechnung:_Determinante_einer_Matrix|Determinante einer Matrix]] sowie [[Stochastische_Signaltheorie/Verallgemeinerung_auf_N-dimensionale_Zufallsgrößen#Grundlagen_der_Matrizenrechnung:_Inverse_einer_Matrix|Inverse einer Matrix]]
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
*Insbesondere ist zu beachten: Eine $2×2$-Kovarianzmatrix besitzt zwei reelle Eigenwerte $\lambda_1$ und $\lambda_2$. Diese beiden Eigenwerte bestimmen zwei Eigenvektoren $\xi_1$ und $\xi_2$. Diese spannen ein neues Koordinatensystem in Richtung der Hauptachsen des alten Systems auf.
* Entsprechend der Seite [[Stochastische_Signaltheorie/Zweidimensionale_Gaußsche_Zufallsgrößen#H.C3.B6henlinien_bei_korrelierten_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|Höhenlinien bei korrelierten Zufallsgrößen]] ist der Winkel $\alpha$ zwischen dem alten und dem neuen System durch folgende Gleichung gegeben:
:$$\alpha = {1}/{2}\cdot \arctan (2 \cdot\rho \cdot
\frac{\sigma_1\cdot\sigma_2}{\sigma_1^2 -\sigma_2^2}).$$


:<b>Hinweis:</b> Diese Aufgabe bezieht sich auf die Seite Eigenwerte und Eigenvektoren im Kapitel 4.7. Die Bestimmungsgleichung der Eigenwerte von <b>K<sub>z</sub></b> lautet:
:$$\lambda^3 - 3 \lambda^2 + \frac{24}{9}\lambda - \frac{20}{27} = 0.$$
:Eine der drei Lösungen dieser Gleichung ist <i>&lambda;</i><sub>1</sub> = 5/3.




===Fragebogen===
 
 
Hints:
*The exercise belongs to the chapter &nbsp;[[Theory_of_Stochastic_Signals/Generalization_to_N-Dimensional_Random_Variables|Generalization to N-Dimensional Random Variables]].
*In particular,&nbsp; reference is made to the section &nbsp;[[Theory_of_Stochastic_Signals/Generalization_to_N-Dimensional_Random_Variables#Eigenvalues_and_eigenvectors|Eigenvalues and Eigenvectors]]&nbsp;.
*Some basics on the application of vectors and matrices can be found on the pages &nbsp;
**[[Theory_of_Stochastic_Signals/Generalization_to_N-Dimensional_Random_Variables#Basics_of_matrix_operations:_Determinant_of_a_matrix|Determinant of a Matrix]],&nbsp;
**[[Theory_of_Stochastic_Signals/Generalization_to_N-Dimensional_Random_Variables#Basics_of_matrix_operations:_Inverse_of_a_matrix|Inverse of a Matrix]]&nbsp;.
*The equation for determination the eigenvalues of&nbsp; $\mathbf{K_z}$&nbsp; is: &nbsp; $\lambda^3 - 3 \lambda^2 + {24}/{9}\lambda - {20}/{27} = 0.$
*One of the three solutions of this equation is&nbsp; $\lambda_1 = 5/3$.
 
 
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die Eigenwerte der Korrelationsmatrix <b>K<sub>y</sub></b>. Es gelte <i>&lambda;</i><sub>1</sub> &#8805; <i>&lambda;</i><sub>2</sub>.
{Calculate the eigenvalues of the correlation matrix&nbsp; $\mathbf{K_y}$. Let&nbsp; $\lambda_1 \ge \lambda_2$ hold.
|type="{}"}
|type="{}"}
$\lambda_1$ = { 1.333 3% }
$\lambda_1 \ = \ $ { 1.333 3% } $\ (\lambda_1 \ge \lambda_2)$
$\lambda_2$ = { 0.667 3% }
$\lambda_2 \ = \ $ { 0.667 3% } $\ (\lambda_2 \le \lambda_1)$




{Wie groß ist der Datenreduktionsfaktor bei der 2D-Zufallsgröße <b>y</b>?
{What is the data reduction factor for the two-dimensional random variable&nbsp; $\mathbf{y}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$N_2'/N_2$ = { 0.943 3% }
$N_2\hspace{0.01cm}'/N_2 \ = $ { 0.943 3% }




{Es gelte <i>&lambda;</i><sub>1</sub> = 5/3. Berechnen Sie die Eigenwerte <i>&lambda;</i><sub>2</sub> und <i>&lambda;</i><sub>3</sub> &#8804; <i>&lambda;</i><sub>2</sub> von <b>K<sub>z</sub></b>.
{It holds&nbsp; $\lambda_1 = 5/3$.&nbsp; Calculate the eigenvalues&nbsp; $\lambda_2$&nbsp; and&nbsp; $\lambda_3 \le \lambda_2$&nbsp; of&nbsp; $\mathbf{K_z}$.
|type="{}"}
|type="{}"}
$\lambda_2$ = { 0.667 3% }
$\lambda_2 \ = \ $ { 0.667 3% } $\ (\lambda_2 \ge \lambda_3)$
$\lambda_3$ = { 0.667 3% }
$\lambda_3 \ = \ $ { 0.667 3% } $\ (\lambda_3 \le \lambda_2)$




{Wie groß ist der Datenreduktionsfaktor bei der 3D-Zufallsgröße <b>z</b>?
{What is the data reduction factor for the three-dimensional random variable&nbsp; $\mathbf{z}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$N_3'/N_3$ = { 0.861 3% }
$N_3\hspace{0.01cm}'/N_3 \ = $ { 0.861 3% }




Line 63: Line 67:
</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Aus der Bedingung <b>K<sub>y</sub></b> &ndash; <i>&lambda;</i>&nbsp;&middot;&nbsp;<b>E</b> = 0 folgt:
'''(1)'''&nbsp; From the condition &nbsp; $\mathbf{K_y} - \lambda \cdot\mathbf{E} = 0$ &nbsp; follows:
:$${\rm det}\left[ \begin{array}{cc}
:$${\rm det}\left[ \begin{array}{cc}1- \lambda & 1/3 \\1/3 & 1- \lambda\end{array} \right] = (1-\lambda)^2 -{1}/{9} = 0\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda^2 -2\lambda+ {8}/{9}= 0\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda_{1/2}= 1 \pm\sqrt{1-{8}/{9}}= 1 \pm {1}/{3}.$$
1- \lambda & 1/3 \\
 
1/3 & 1- \lambda
*The eigenvalues of this&nbsp; $2\times2$&nbsp; matrix are thus&nbsp; $\lambda_1 = 4/3\hspace{0.15cm}\underline{=1.333}$&nbsp; and&nbsp; $\lambda_2 = 2/3\hspace{0.15cm}\underline{=0.667}$.
\end{array} \right] = (1-\lambda)^2 -\frac{1}{9} = 0$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda^2 -2\lambda+ \frac{8}{9}= 0
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda_{1/2}= 1 \pm
 
\sqrt{1-\frac{8}{9}}= 1 \pm \frac{1}{3}.$$
 
'''(2)'''&nbsp; Without considering correlations,&nbsp; there are&nbsp; $N_2 = \left({8}/{ \Delta_x}\right)^2= 256^2 = 65536$&nbsp; different pairs of values.
*Taking into account the correlations and the fact that the two components created by coordinate rotation&nbsp; $\eta_1$&nbsp; and&nbsp; $\eta_2$&nbsp; are each in the range&nbsp; $-4\cdot \sigma_1$&nbsp; to&nbsp; $+4\cdot \sigma_1$&nbsp; $($resp. from&nbsp; $-4\cdot \sigma_2$&nbsp; to&nbsp; $+4\cdot \sigma_2)$&nbsp;) are to be quantized,&nbsp; one obtains
:$$N_2\hspace{0.01cm}' = \frac{8 \hspace{0.05cm}\sigma_1}{\it \Delta_x}\cdot\frac{8\hspace{0.05cm}\sigma_2}{\it \Delta_y}= N_2 \cdot \sigma_1 \cdot\sigma_2 .$$
 
*The quotient is thus with&nbsp; $\sigma_1^2 = \lambda_1$ &nbsp;and&nbsp; $\sigma_2^2 = \lambda_2$:
:$${N_2\hspace{0.01cm}'}/{N_2} = \sigma_1 \cdot \sigma_2 = \sqrt{{4}/{3}}\cdot \sqrt{{2}/{3}} = \frac{2 \cdot \sqrt{2}}{3} \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.943}.$$


:Die Eigenwerte dieser 2&times;2-Matrix sind somit <i>&lambda;</i><sub>1</sub> = <u>4/3</u> und <i>&lambda;</i><sub>2</sub> = <u>2/3</u>.


:<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Ohne Berücksichtigung von Korrelationen gibt es
:$$N_2 = \left( \frac{8}{\it \Delta_x}\right)^2= 256^2 = 65536$$


:verschiedene Wertepaare. Unter Berücksichtigung der Korrelationen und des Sachverhaltes, dass die beiden durch Koordinatendrehung entstandenen Komponenten <i>&eta;</i><sub>1</sub> und <i>&eta;</i><sub>2</sub> jeweils im Bereich von &ndash;4<i>&sigma;</i><sub>1</sub> bis +4<i>&sigma;</i><sub>1</sub> (bzw. von &ndash;4<i>&sigma;</i><sub>2</sub> bis +4<i>&sigma;</i><sub>2</sub>) zu quantisieren sind, erhält man
'''(3)'''&nbsp; The equation of determination of the eigenvalues of&nbsp; $\mathbf{K_z}$&nbsp; is:
:$$N_2' =  \frac{8 \hspace{0.05cm}\sigma_1}{\it \Delta_x}\cdot\frac{8
:$${\rm det} \left[ \begin{array}{ccc}1-\lambda & 1/3 & 1/3\\1/3 & 1-\lambda & 1/3\\1/3 & 1/3 & 1-\lambda\end{array}\right] = 0 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}(1- \lambda) \left[(1- \lambda)^2 -\frac{1}{9} \right]- \frac{1}{3} \left[\frac{1}{3}(1- \lambda) -\frac{1}{9} \right] + \frac{1}{3} \left[\frac{1}{9} -\frac{1}{3}(1- \lambda)\right] = 0$$:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}(1- \lambda) (\lambda^2 -2\lambda+\frac{8}{9})- \frac{1}{9} (\frac{2}{3}- \lambda )+ \frac{1}{9} (\lambda - \frac{2}{3})= 0$$:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda^2 - 2\lambda + \frac{8}{9} -\lambda^3 + 2 \lambda^2 - \frac{8}{9}\lambda - \frac{4}{27} +\frac{2}{9}\lambda = 0 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda^3 -  3 \lambda^2 +\frac{24}{9}\lambda - \frac{20}{27}  = 0.$$*This equation has already been given as a solution hint,&nbsp; as well as one of the solutions: &nbsp; $\lambda_1= 5/3$.*This gives the equation for the further eigenvalues&nbsp; $\lambda_2$&nbsp; and&nbsp; $\lambda_3$&nbsp; to:$$\frac{\lambda^3 - 3 \lambda^2 + {24}/{9}\lambda -{20}/{27}}{\lambda -{5}/{3}} = \lambda^2 -{4}/{3} \cdot \lambda + {4}/{9} =0.$$
\hspace{0.05cm}\sigma_2}{\it \Delta_y}= N_2 \cdot \sigma_1 \cdot
\sigma_2 .$$


:Der Quotient lautet somit mit <i>&sigma;</i><sub>1</sub><sup>2</sup> = <i>&lambda;</i><sub>1</sub> und <i>&sigma;</i><sub>2</sub><sup>2</sup>&nbsp;=&nbsp;<i>&lambda;</i><sub>2</sub>:
*This equation can be transformed as follows: &nbsp; $(\lambda - {2}/{3})^2 =0.$
:$$\frac{N_2'}{N_2} =  \sigma_1 \cdot \sigma_2 = \sqrt{{4}/{3}}
\cdot \sqrt{{2}/{3}} = \frac{2 \cdot \sqrt{2}}{3} \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.943}.$$


:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Die Bestimmungsgleichung der Eigenwerte von <b>K<sub>z</sub></b> lautet:
*The other eigenvalues besides&nbsp; $\lambda_1= 5/3$&nbsp; are thus equal and result in &nbsp; $\lambda_2 = \lambda_3 =2/3\hspace{0.15cm}\underline{=0.667}$.
:$${\rm det} \left[ \begin{array}{ccc}
1-\lambda & 1/3 & 1/3\\
1/3 & 1-\lambda & 1/3\\
1/3 & 1/3 & 1-\lambda
\end{array}\right] = 0$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}(1- \lambda) \left[(1- \lambda)^2 -
\frac{1}{9} \right]- \frac{1}{3} \left[\frac{1}{3}(1- \lambda) -
\frac{1}{9} \right] + \frac{1}{3} \left[\frac{1}{9} -
\frac{1}{3}(1- \lambda)
\right] = 0$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}(1- \lambda) (\lambda^2 -2\lambda+
\frac{8}{9})- \frac{1}{9} (\frac{2}{3}- \lambda )+ \frac{1}{9} (
\lambda - \frac{2}{3})= 0$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda^2 - 2\lambda + \frac{8}{9} -
\lambda^3 + 2 \lambda^2 - \frac{8}{9}\lambda - \frac{4}{27} +
\frac{2}{9}\lambda = 0$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda^3 -  3 \lambda^2 +
\frac{24}{9}\lambda - \frac{20}{27}  = 0.$$


:Diese Gleichung wurde bereits als Lösungshinweis angegeben, ebenso wie eine der Lösungen: <nobr><i>&lambda;</i><sub>1</sub> = 5/3.</nobr> Damit ergibt sich die Bestimmungsgleichung für die weiteren Eigenwerte <i>&lambda;</i><sub>2</sub> und <i>&lambda;</i><sub>3</sub> zu
:$$\frac{\lambda^3 -  3 \lambda^2 + {24}/{9}\lambda -
{20}/{27}}{\lambda -{5}/{3}} =  \lambda^2 -
{4}/{3} \cdot \lambda + {4}/{9} =0.$$


:Diese Bestimmungsgleichung lässt sich wie folgt umformen:
:$$(\lambda - {2}/{3})^2 =0.$$


:Die weiteren Eigenwerte neben <i>&lambda;</i><sub>1</sub> = 5/3 sind somit gleich und ergeben sich zu <u><i>&lambda;</i><sub>2</sub> = <i>&lambda;</i><sub>3</sub> = 2/3</u>.


:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Analog zur Vorgehensweise unter Punkt b) ergibt sich hier:
'''(4)'''&nbsp; Analogous to the procedure in the subtask&nbsp; '''(2)'''&nbsp; results here:
:$$\frac{N_3'}{N_3} =   \sqrt{\lambda_1 \cdot \lambda_2\cdot
:$${N_3\hspace{0.01cm}'}/{N_3} = \sqrt{\lambda_1 \cdot \lambda_2\cdot\lambda_3} = \sqrt{\frac{5}{3} \cdot \frac{2}{3}\cdot \frac{2}{3}}= \sqrt{\frac{20}{27}}  \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.861}.$$
\lambda_3} = \sqrt{\frac{5}{3} \cdot \frac{2}{3}\cdot \frac{2}{3}}
= \sqrt{\frac{20}{27}}  \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.861}.$$
{{ML-Fuß}}
{{ML-Fuß}}






[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^4.7 N-dimensionale Zufallsgrößen^]]
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[[de:Aufgaben:Aufgabe 4.16Z: Zwei- und dreidimensionale Datenreduktion]]

Latest revision as of 17:57, 16 March 2026

Matrices  $\mathbf{K_y}$  and  $\mathbf{K_z}$

We consider Gaussian zero mean random variables   $\mathbf{x}$,  $\mathbf{y}$   and   $\mathbf{z}$   with dimensions  $N= 1$,  $N= 2$  and  $N= 3$:

  • The one-dimensional random variable  $\mathbf{x}$  is characterized by the variance  $\sigma^2 = 1$  and the standard deviation   $\sigma = 1$  respectively.
    Because of the dimension  $N= 1$   ⇒   $\mathbf{x} = x$.
  • The correlation coefficient between the components  $y_1$  and  $y_2$  of the 2D random variable  $\mathbf{y}$  is  $\rho = 1/3$  $($see matrix  $\mathbf{K_y})$.
    $y_1$ and $y_2$ also have the standard deviation $\sigma = 1$.
  • The statistics of the three-dimensional random variable  $\mathbf{z}$  is completely determined by the correlation matrix  $\mathbf{K_z}$ .


If one quantizes the random variable  $\mathbf{x}$  in the range between  $-4$  and  $+4$  with interval width  $\Delta_x = 1/32$,  there are altogether  $N_1 = 256$  different quantization values,  for whose transmission thus  $n_1 = 8\ \rm {bit}$  would be needed.

Similarly,  the random variable  $\mathbf{y}$  results in a total of  $N_2 = 256^2 = 65536$  different quantized value pairs,  if the correlation between  $y_1$  and  $y_2$  is not taken into account.

Exploiting this correlation  – for example, by coordinate transformation from the original system  $(y_1, y_2)$  to the new system  $(\eta_1, \eta_2)$  –  results in a smaller number  $N_2\hspace{0.01cm}'$  of quantized value pairs.

  • Here, it is to be considered that each component is to be quantized according to its respective standard deviation  $(\sigma_1$  resp.  $\sigma_2)$  in the range of  $-4$  to  $+4$  and the quantization intervals should be the same in both directions:   $\Delta_x = \Delta_y =1/32$.
  • We denote the quotient  $N_2\hspace{0.01cm}'/N_2$  as the data reduction factor with respect to the two-dimensional random variable  $\mathbf{y}$.
  • In analogous definition  $N_3'/N_3$  is the corresponding reduction factor of the three-dimensional random variable  $\mathbf{z}$  for  $\Delta_x = \Delta_y =\Delta_z =1/32.$
  • Note that in both cases the smallest possible value of this quotient would be favorable.




Hints:


Questions

1 Calculate the eigenvalues of the correlation matrix  $\mathbf{K_y}$. Let  $\lambda_1 \ge \lambda_2$ hold.

$\lambda_1 \ = \ $ $\ (\lambda_1 \ge \lambda_2)$
$\lambda_2 \ = \ $ $\ (\lambda_2 \le \lambda_1)$

2 What is the data reduction factor for the two-dimensional random variable  $\mathbf{y}$?

$N_2\hspace{0.01cm}'/N_2 \ = $

3 It holds  $\lambda_1 = 5/3$.  Calculate the eigenvalues  $\lambda_2$  and  $\lambda_3 \le \lambda_2$  of  $\mathbf{K_z}$.

$\lambda_2 \ = \ $ $\ (\lambda_2 \ge \lambda_3)$
$\lambda_3 \ = \ $ $\ (\lambda_3 \le \lambda_2)$

4 What is the data reduction factor for the three-dimensional random variable  $\mathbf{z}$?

$N_3\hspace{0.01cm}'/N_3 \ = $


Solution

(1)  From the condition   $\mathbf{K_y} - \lambda \cdot\mathbf{E} = 0$   follows:

$${\rm det}\left[ \begin{array}{cc}1- \lambda & 1/3 \\1/3 & 1- \lambda\end{array} \right] = (1-\lambda)^2 -{1}/{9} = 0\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda^2 -2\lambda+ {8}/{9}= 0\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda_{1/2}= 1 \pm\sqrt{1-{8}/{9}}= 1 \pm {1}/{3}.$$
  • The eigenvalues of this  $2\times2$  matrix are thus  $\lambda_1 = 4/3\hspace{0.15cm}\underline{=1.333}$  and  $\lambda_2 = 2/3\hspace{0.15cm}\underline{=0.667}$.



(2)  Without considering correlations,  there are  $N_2 = \left({8}/{ \Delta_x}\right)^2= 256^2 = 65536$  different pairs of values.

  • Taking into account the correlations and the fact that the two components created by coordinate rotation  $\eta_1$  and  $\eta_2$  are each in the range  $-4\cdot \sigma_1$  to  $+4\cdot \sigma_1$  $($resp. from  $-4\cdot \sigma_2$  to  $+4\cdot \sigma_2)$ ) are to be quantized,  one obtains
$$N_2\hspace{0.01cm}' = \frac{8 \hspace{0.05cm}\sigma_1}{\it \Delta_x}\cdot\frac{8\hspace{0.05cm}\sigma_2}{\it \Delta_y}= N_2 \cdot \sigma_1 \cdot\sigma_2 .$$
  • The quotient is thus with  $\sigma_1^2 = \lambda_1$  and  $\sigma_2^2 = \lambda_2$:
$${N_2\hspace{0.01cm}'}/{N_2} = \sigma_1 \cdot \sigma_2 = \sqrt{{4}/{3}}\cdot \sqrt{{2}/{3}} = \frac{2 \cdot \sqrt{2}}{3} \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.943}.$$


(3)  The equation of determination of the eigenvalues of  $\mathbf{K_z}$  is:

$${\rm det} \left[ \begin{array}{ccc}1-\lambda & 1/3 & 1/3\\1/3 & 1-\lambda & 1/3\\1/3 & 1/3 & 1-\lambda\end{array}\right] = 0 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}(1- \lambda) \left[(1- \lambda)^2 -\frac{1}{9} \right]- \frac{1}{3} \left[\frac{1}{3}(1- \lambda) -\frac{1}{9} \right] + \frac{1}{3} \left[\frac{1}{9} -\frac{1}{3}(1- \lambda)\right] = 0$$:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}(1- \lambda) (\lambda^2 -2\lambda+\frac{8}{9})- \frac{1}{9} (\frac{2}{3}- \lambda )+ \frac{1}{9} (\lambda - \frac{2}{3})= 0$$:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda^2 - 2\lambda + \frac{8}{9} -\lambda^3 + 2 \lambda^2 - \frac{8}{9}\lambda - \frac{4}{27} +\frac{2}{9}\lambda = 0 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\lambda^3 - 3 \lambda^2 +\frac{24}{9}\lambda - \frac{20}{27} = 0.$$*This equation has already been given as a solution hint,  as well as one of the solutions:   $\lambda_1= 5/3$.*This gives the equation for the further eigenvalues  $\lambda_2$  and  $\lambda_3$  to:$$\frac{\lambda^3 - 3 \lambda^2 + {24}/{9}\lambda -{20}/{27}}{\lambda -{5}/{3}} = \lambda^2 -{4}/{3} \cdot \lambda + {4}/{9} =0.$$
  • This equation can be transformed as follows:   $(\lambda - {2}/{3})^2 =0.$
  • The other eigenvalues besides  $\lambda_1= 5/3$  are thus equal and result in   $\lambda_2 = \lambda_3 =2/3\hspace{0.15cm}\underline{=0.667}$.



(4)  Analogous to the procedure in the subtask  (2)  results here:

$${N_3\hspace{0.01cm}'}/{N_3} = \sqrt{\lambda_1 \cdot \lambda_2\cdot\lambda_3} = \sqrt{\frac{5}{3} \cdot \frac{2}{3}\cdot \frac{2}{3}}= \sqrt{\frac{20}{27}} \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 0.861}.$$