Wir betrachten zweidimensionales Rauschen $\boldsymbol{n} = (n_1, n_2)$.
We consider two-dimensional noise $\boldsymbol{n} = (n_1, n_2)$.
Die beiden Rauschvariablen sind "<i>independent and identically distributed</i> ", abgekürzt i.i.d., und besitzen beide jeweils eine Laplace–Wahrscheinlichkeitsdichte:
The two noise variables are "independent and identically distributed", abbreviated "i.i.d.", and each has a Laplace probability density function $\rm (PDF)$:
:$$p_{n_1}(x) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} K \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} |x|} \hspace{0.05cm},$$
:$$p_{n_1}(x) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} K \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} |x|} \hspace{0.05cm},$$
:$$ p_{n_2}(y) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} K \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} |y|} \hspace{0.05cm}. $$
:$$ p_{n_2}(y) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} K \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} |y|} \hspace{0.05cm}. $$
*Die 2D–Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion $p_{\it \boldsymbol{n}}(x, y)$ ist in der Grafik dargestellt.
*The two-dimensional probability density function $p_{\it \boldsymbol{n}}(x, y)$ is shown in the graph.
*Zur Vereinfachung der Schreibweise werden hier die Realisierungen von $n_1$ und $n_2$ mit $x$ und $y$ bezeichnet.
*To simplify notation, the realizations of $n_1$ and $n_2$ are denoted here by $x$ and $y$, respectively.
''Hinweise:''
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Approximation_der_Fehlerwahrscheinlichkeit| Approximation der Fehlerwahrscheinlichkeit]].
* Wir weisen Sie auf das interaktive Applet [[Applets:2D_Laplace|Zweidimensionale Laplaceverteilung]] hin.
* Das sich in Teilaufgabe '''(6)''' ergebende Integral muss aufgrund der Betragsbildung in mehrere Teilintegrale aufgespalten werden.
* The exercise belongs to the chapter [[Digital_Signal_Transmission/Approximation_of_the_Error_Probability|"Approximation of the Error Probability"]].
* We would like to refer to the (German language) interactive SWF applet [[Applets:2D_Laplace|"2D Laplace"]].
* The integral resulting in subtask '''(6)''' must be split into several partial integrals due to the magnitude formation.
*Furthermore, it holds: $\int_{0}^{\infty} x^2 \cdot {\rm e}^{-a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} x} \,{\rm d} x = {2}/{a^3} \hspace{0.05cm}.$
===Fragebogen===
===Questions===
<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Wie groß ist die Konstante $K$ der 1D–WDF?
{What is the size of the constant $K$ of the one-dimensional PDF?
|type="[]"}
|type="()"}
- $K = 1$.
- $K = 1$.
+ $K = a/2$
+ $K = a/2$
- $K = 1/a$.
- $K = 1/a$.
{Es sei $a = 1$. Wie groß sind der Mittelwert ${\rm E}\big[n_i \big]$ und die Varianz $\sigma^2 = {\rm E}\big[n_i^2\big]$ der beiden 1D–Zufallsgrößen? $(i = 1, 2)$
{Let $a = 1$. What are the mean ${\rm E}\big[n_i \big]$ and the variance $\sigma^2 = {\rm E}\big[n_i^2\big]$ of the two one-dimensional random variables? $(i = 1,\ 2)$.
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm E}\big[n_i\big] \ = \ $ { 0. }
${\rm E}\big[n_i\big] \ = \ $ { 0. }
${\rm E}\big[n_i^2\big] \ = \ ${ 2 3% }
${\rm E}\big[n_i^2\big] \ = \ ${ 2 3% }
{Welche Form haben die Höhenlinien der 2D–WDF im ersten Quadranten?
{What is the shape of the contour lines of the two-dimensional PDF in the first quadrant?
|type="[]"}
|type="()"}
+ Es sind Geraden.
+ They are straight lines.
- Es sind Hyperbeln.
- They are hyperbolas.
- Es sind Kreise.
- They are circles.
{Es sei weiterhin $a = 1$. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass sowohl $n_1$ als auch $n_2$ negativ sind?
{Let further $a = 1$. What is the probability that both $n_1$ and $n_2$ are negative?
[[File:P_ID2045__Dig_Z_4_9c.png|right|frame|Höhenlinien der 2D-Laplaceverteilung]]
'''(3)''' <u>Solution 1</u> is correct:
'''(3)''' Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 1</u>:
*In the first quadrant $(x ≥ 0, y ≥ 0)$, the magnitude formation can be omitted. Then the two-dimensional PDF is given by:
*Im ersten Quadranten ($x ≥ 0, y ≥ 0$) kann auf die Betragsbildung verzichtet werden. Dann gilt für die 2D–WDF:
:$$\boldsymbol{ p }_{\boldsymbol{ n }} (x,\hspace{0.15cm} y) = {a^2}/{4} \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}x} \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}y }= {a^2}/{4} \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}(x+y)}\hspace{0.05cm}.$$
:$$\boldsymbol{ p }_{\boldsymbol{ n }} (x,\hspace{0.15cm} y) = {a^2}/{4} \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}x} \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}y }= {a^2}/{4} \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}(x+y)}\hspace{0.05cm}.$$
*Eine Höhenlinie mit dem Faktor $\beta$ gegenüber dem Maximum hat dann den folgenden Verlauf ($0 < \beta < 1$):
*A contour line with factor $\beta$ versus maximum then has the following shape $(0 < \beta < 1)$:
:$${\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}(x+y)} = \beta
:$${\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}(x+y)} = \beta\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} x + y = \frac{{\rm ln}\hspace{0.15cm}1/\beta}{a}\hspace{0.05cm}.$$
\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} x + y = \frac{{\rm ln}\hspace{0.15cm}1/\beta}{a}
\hspace{0.05cm}.$$
*Die Grafik zeigt die Höhenlinien für $a = 1$ und einige Werte von $\beta$, die jeweils ein um $45^\circ$ gedrehtes Quadrat ergeben ⇒ die Höhenlinien sind also Gerade..
*The graph shows the contour lines for $a = 1$ and some values of $\beta$, each giving a square rotated by $45^\circ$ ⇒ the contour lines are thus even.
'''(4)''' Das hier betrachtete Wahrscheinlichkeitsereignis entspricht genau dem dritten Quadranten der oben skizzierten Verbund–WDF. Aufgrund der Symmetrie ist diese Wahrscheinlichkeit:
'''(4)''' The probability event considered here corresponds exactly to the third quadrant of the composite PDF sketched above.
Berücksichtigt ist die statistische Unabhängigkeit zwischen $n_1$ und $n_2$ sowie die Gleichheit $p_{\it n1}(x) = p_{\it n2}(y)$. Für $a = 1$ gilt:
*Considered is the statistical independence between $n_1$ and $n_2$ and the equality $p_{\it n1}(x) = p_{\it n2}(y)$. For $a = 1$ holds:
Aufgrund der Betragsbildung ist eine Aufspaltung in Teilintegrale vorzunehmen. Nach oben und rechts erstrecken sich alle Gebiete bis ins Unendliche. Aufgrund der Symmetrie gilt $I_4 = I_3$.
*Because of the magnitude, a splitting into partial integrals has to be done.
:$$I_1 = {1}/{4} \cdot \int_{2}^{+\infty} \hspace{-0.15cm}{\rm e}^{-x} \int_{0}^{\infty}\hspace{-0.15cm}{\rm e}^{-y} \,{\rm d} y \,{\rm d} x =
{1}/{4} \cdot \int_{2}^{+\infty} {\rm e}^{-x} \,{\rm d} x ={1}/({4{\rm e}^2})\hspace{0.05cm},$$
*Upwards and to the right all areas extend to infinity.
:$$I_2 = {1}/{4} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{0}^{2} \hspace{-0.15cm}{\rm e}^{-x} \int_{2-x}^{\infty}\hspace{-0.15cm}{\rm e}^{-y} \,{\rm d} y \,{\rm d} x =
We consider two-dimensional noise $\boldsymbol{n} = (n_1, n_2)$.
The two noise variables are "independent and identically distributed", abbreviated "i.i.d.", and each has a Laplace probability density function $\rm (PDF)$:
$$p_{n_1}(x) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} K \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} |x|} \hspace{0.05cm},$$
$$ p_{n_2}(y) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} K \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} |y|} \hspace{0.05cm}. $$
The two-dimensional probability density function $p_{\it \boldsymbol{n}}(x, y)$ is shown in the graph.
To simplify notation, the realizations of $n_1$ and $n_2$ are denoted here by $x$ and $y$, respectively.
In the first quadrant $(x ≥ 0, y ≥ 0)$, the magnitude formation can be omitted. Then the two-dimensional PDF is given by:
$$\boldsymbol{ p }_{\boldsymbol{ n }} (x,\hspace{0.15cm} y) = {a^2}/{4} \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}x} \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}y }= {a^2}/{4} \cdot {\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}(x+y)}\hspace{0.05cm}.$$
A contour line with factor $\beta$ versus maximum then has the following shape $(0 < \beta < 1)$:
$${\rm e}^{- a \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}(x+y)} = \beta\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} x + y = \frac{{\rm ln}\hspace{0.15cm}1/\beta}{a}\hspace{0.05cm}.$$
The graph shows the contour lines for $a = 1$ and some values of $\beta$, each giving a square rotated by $45^\circ$ ⇒ the contour lines are thus even.
(4) The probability event considered here corresponds exactly to the third quadrant of the composite PDF sketched above.