Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.5: Two-dimensional Examination Evaluation"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Zweidimensionale Gaußsche Zufallsgrößen
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Two-Dimensional_Gaussian_Random_Variables
 
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}}
  
[[File:P_ID267__Sto_A_4_5.png|right|Betrachtete Gaußsche 2D-WDF]]
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[[File:P_ID267__Sto_A_4_5.png|right|frame|Applied Gaussian 2D–PDF  $f_{tp}(t,\hspace{0.08cm} p)$]]
In einer Studie wurden die Meisterprüfungen für das Handwerk  untersucht, die sich stets aus einem theoretischen und zusätzlich einem praktischen Teil zusammensetzen. In der Grafik bezeichnet
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In a study,  the master craftsman examinations were investigated,  which always consist of a theoretical and additionally a practical part.  In the graph denoted:
* $t$ die Punktzahl in der theoretischen Prüfung,
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* $t$  is the score in the theoretical test,
* $p$ die Punktzahl in der praktischen Prüfung.
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* $p$  is the score in the practical test.
  
Beide  Zufallsgrößen ($t$ und $p$) sind dabei jeweils auf die Maximalpunktezahlen normiert und können deshalb nur Werte zwischen 0 und 1 annehmen.
 
  
Beide Zufallsgrößen sind zudem als kontinuierliche Zufallsgrößen zu interpretieren, das heißt: $t$ und $p$ sind nicht auf diskrete Zahlenwerte beschränkt.
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Both random variables  $(t$  and  $p)$  are normalized to the maximum and can therefore only take values between  $0$  and  $1$.
  
Die Grafik zeigt die WDF $f_{tp}(t, p)$ der zweidimensionalen Zufallsgröße $(t, p)$, die nach der Auswertung von insgesamt $N = 10\hspace{0.05cm}000$ Abschlussarbeiten veröffentlicht wurde. Diese Funktion wurde mit Hilfe eines Auswertungsprogramms empirisch wie folgt  angenähert:
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Moreover,  both random variables are to be interpreted as continuous random variables, i.e.:   $t$  and  $p$  are not restricted to discrete numerical values.
:$$f_{tp}(t,p) = \rm 13.263\cdot \rm exp \Bigg\{-\frac{(\it t - \rm 0.5)^{\rm 2}}{\rm 0.0288}-\frac{(\it p-\rm 0.7)^{\rm 2}}{\rm 0.0072} + \frac{(\it t-\rm 0.5)(\it p-\rm 0.7)}{\rm 0.0090}\Bigg\}.$$
 
  
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*The graph shows the PDF  $f_{tp}(t, p)$  of the two-dimensional random variable  $(t,\hspace{0.08cm} p)$,  which was published after evaluating a total of  $N = 10\hspace{0.08cm}000$  final papers.
 +
*This function was empirically approximated using an evaluation program as follows:
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:$$f_{tp}(t,\hspace{0.08cm} p) = \rm 13.263\cdot \rm exp \Bigg\{-\frac{(\it t - \rm 0.5)^{\rm 2}}{\rm 0.0288}-\frac{(\it p-\rm 0.7)^{\rm 2}}{\rm 0.0072} + \frac{(\it t-\rm 0.5)(\it p-\rm 0.7)}{\rm 0.0090}\Bigg\}.$$
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Zweidimensionale_Gaußsche_Zufallsgrößen|Zweidimensionale Gaußsche Zufallsgrößen]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
*Die hier behandelte Thematik ist in zwei Lernvideos zusammengefasst:
 
:[[Gaußsche Zufallsgrößen ohne statistische Bindungen]]
 
:[[Gaußsche Zufallsgrößen mit statistischen Bindungen]]
 
  
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Two-Dimensional_Gaussian_Random_Variables|Two-dimensional Gaussian Random Variables]].
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*Reference is also made to the chapter  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables|Gaussian distributed random variables]].
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*More information on this topic is provided in the  (German language) learning video  [[Gaußsche_2D-Zufallsgrößen_(Lernvideo)|"Gaußsche 2D-Zufallsgrößen"]]:
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::Part 1:   Gaussian random variables without statistical bindings, 
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::Part 2:   Gaussian random variables with statistical bindings.
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie gro&szlig; ist der Mittelwert $m_t$ der im Theorieteil erzielten Ergebnisse?
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{What is the mean value&nbsp; $m_t$&nbsp; of the results obtained in the theoretical part?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$m_t \ = $ { 0.5 3% }
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$m_t \ = \ $ { 0.5 3% }
  
  
{Wie gro&szlig; ist der Mittelwert $m_p$ der im Praxisteilteil erzielten Ergebnisse? Geben Sie auch die WDF der mittelwertfreien Zufallsgr&ouml;&szlig;e $(t', p')$ an.
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{What is the mean&nbsp; $m_p$&nbsp; of the results obtained in the practical part?&nbsp; Give also the PDF of the zero mean random variable&nbsp; $(t\hspace{0.05cm}', p\hspace{0.05cm}')$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$m_p \ = $ { 0.7 3% }
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$m_p \ = \ $ { 0.7 3% }
  
  
{Berechnen Sie die Streuungen (Standardabweichungen) $\sigma_t$ und $\sigma_p$ sowie den Korrelationskoeffizienten $\rho$ zwischen den beiden Gr&ouml;&szlig;en an.
+
{Calculate the standard deviations&nbsp; $\sigma_t$&nbsp; and&nbsp; $\sigma_p$&nbsp; as well as the correlation coefficient&nbsp; $\rho$&nbsp; between the two sizes.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\sigma_t \ = $ { 0.2 3% }
+
$\sigma_t \ = \ $ { 0.2 3% }
$\sigma_p \ = $ { 0.1 3% }
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$\sigma_p \ = \ $ { 0.1 3% }
$\rho \ = $ { 0.8 3% }
+
$\rho \ = \ $ { 0.8 3% }
  
  
{Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?
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{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Der Gauß-Ansatz ist f&uuml;r dieses Problem nur eine N&auml;herung.
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+ The Gaussian approach is only an approximation for this problem.
- War ein Pr&uuml;fling im Theoretieteil &uuml;berdurchschnittlich gut, so ist zu erwarten, dass er in der Praxis eher schlecht ist.
+
- If an examinee was above average in the theory part,&nbsp; it is to be expected that he is rather bad in practice.
  
 
+
{What is the probability that a participant scored between&nbsp; $49\%$&nbsp; and&nbsp; $51\%$&nbsp; of the points in the theory and the practice exam respectively?
{Mit welcher Wahrscheinlichkeit hat ein Teilnehmer in der Theorie&ndash; und der Praxis&ndash;Pr&uuml;fung jeweils zwischen $49\%$ und $51\%$ der Punkte erreicht?
 
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}[(0.49 ≤ t ≤0.51)∩(0.49≤ p ≤0.51)]\ = $ { 2 3% } $\ \cdot 10^{-5}$
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${\rm Pr}\big [(0.49 ≤ t ≤0.51)∩(0.49≤ p ≤0.51)\big]\ = \ $ { 2 3% } $\ \cdot 10^{-5}$
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;und&nbsp;<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Die Mittelwerte <u><i>m<sub>t</sub></i> = 0.5 und <i>m<sub>p</sub></i> = 0.7</u> k&ouml;nnen aus der Skizze abgeschätzt und aus der angegebenen Gleichung exakt ermittelt werden. Die 2D&ndash;WDF der mittelwertfreien Gr&ouml;&szlig;e lautet:
+
'''(1)'''&nbsp; and '''(2)'''&nbsp;  
:$$f_{\it t'p'}(\it  t', \it p') = \rm 13.263\cdot \rm exp\Bigg (-\frac{\it t'^{\rm 2}}{\rm 0.0288} - \frac{\it p'^{\rm 2}}{\rm 0.0072}+\frac{\it t'\cdot p'}{\rm 0.0090}\Bigg ). $$
+
*The mean values&nbsp; $m_t\hspace{0.15cm}\underline{= 0.5}$&nbsp; and&nbsp; $m_p\hspace{0.15cm}\underline{= 0.7}$&nbsp; can be estimated from the sketch and obtained exactly from the given equation.  
 +
*The 2D&ndash;PDF of the zero mean variable is:
 +
:$$f_{\it t\hspace{0.05cm}'\hspace{0.05cm}p\hspace{0.05cm}'}(\it  t\hspace{0.05cm}',\hspace{0.08cm} \it p\hspace{0.05cm}'{\rm )} = \rm 13.263\cdot \rm exp\Bigg (-\frac{\it {\rm (}t\hspace{0.05cm}'{\rm )}^{\rm 2}}{\rm 0.0288} - \frac{\it {\rm (}p\hspace{0.05cm}'{\rm )}^{\rm 2}}{\rm 0.0072}+\frac{\it t\hspace{0.05cm}'\cdot p\hspace{0.05cm}'}{\rm 0.0090}\Bigg ). $$
 +
*For simplicity,&nbsp; the apostrophe is omitted below to denote zero mean variables.&nbsp;
 +
*Both&nbsp; $t$&nbsp; and&nbsp; $p$&nbsp; are to be understood as zero mean up to and including the subtask&nbsp; '''(4)'''.
  
:Zur Vereinfachung wird im Folgenden auf den Apostroph zur Kennzeichnung mittelwertfreier Gr&ouml;&szlig;en verzichtet. Sowohl <i>t</i> als auch <i>p</i> sind bis einschlie&szlig;lich Aufgabe (d) als mittelwertfrei zu verstehen.
 
  
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Die allgemeine Gleichung einer mittelwertfreien 2D-Zufallsgr&ouml;&szlig;e lautet:
 
:$$f_{\it tp}(\it  t, \it p)=\frac{\rm 1}{\rm 2\it \pi\sigma_{\it t}\sigma_{\it p}\sqrt{\rm 1- \it\rho^{\rm 2}}}\hspace{0.1cm}\cdot  $$
 
:$$\hspace{0.5cm}\cdot \hspace{0.1cm}  \rm exp\Bigg\{-\hspace{0.1cm}\frac{\it t^{\rm 2}}{\rm 2(\rm 1-\rho^{\rm 2})\sigma_{\it t}^{\rm 2}} \hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}\frac{\it p^{\rm 2}}{\rm 2(\rm 1-\it\rho^{\rm 2})\sigma_{\it p}^{\rm 2}}\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}\frac{\rho\cdot \it t\cdot \it p}{(\rm 1-\it \rho^{\rm 2})\sigma_{\it t}\cdot\sigma_{\it p}}\Bigg\}.$$
 
  
:Die Gr&ouml;&szlig;en <i>&sigma;<sub>t</sub></i>, <i>&sigma;<sub>p</sub></i> und <i>&rho;</i> lassen sich durch Koeffizientenvergleich ermitteln. Ein Vergleich der beiden ersten Terme im Exponenten zeigt, dass <i>&sigma;<sub>t</sub></i> = 2 &middot; <i>&sigma;<sub>p</sub></i> gelten muss. Damit lautet die WDF:
+
'''(3)'''&nbsp; The general equation of a zero mean two-dimensional random variable is:
:$$f_{\it tp}(\it  t, \it p)=\frac{\rm 1}{\rm 4\it \pi\sigma_{\it p}^{\rm 2}\sqrt{\rm 1- \it\rho^{\rm 2}}}\hspace{0.1cm}\cdot $$
+
:$$f_{\it tp}(\it  t,\hspace{0.08cm} \it p)=\frac{\rm 1}{\rm 2\it \pi \cdot \sigma_{\it t}\cdot \sigma_{\it p} \cdot\sqrt{\rm 1- \it\rho^{\rm 2}}}\hspace{0.1cm}\cdot \hspace{0.1cm}\rm exp\Bigg\{-\hspace{0.1cm}\frac{\it t^{\rm 2}}{\rm 2\cdot (\rm 1-\rho^{\rm 2})\cdot \sigma_{\it t}^{\rm 2}} -\hspace{0.1cm}\frac{\it p^{\rm 2}}{\rm 2\cdot (\rm 1-\it\rho^{\rm 2}{\rm )}\cdot \sigma_{\it p}^{\rm 2}}+\hspace{0.1cm}\frac{\rho\cdot \it t\cdot \it p}{ (\rm 1-\it \rho^{\rm 2}{\rm )}\cdot\sigma_{\it t}\cdot\sigma_{\it p}}\Bigg\}.$$
:$$\cdot\hspace{0.1cm}\rm exp\Bigg\{-\hspace{0.1cm}\frac{\it t^{\rm 2}}{\rm 8(\rm 1-\rho^{\rm 2})\sigma_{\it p}^{\rm 2}} -\hspace{0.1cm}\frac{\it p^{\rm 2}}{\rm 2(\rm 1-\it\rho^{\rm 2})\sigma_{\it p}^{\rm 2}}+\hspace{0.1cm}\frac{\rho\cdot \it t\cdot \it p}{\rm 2(\rm 1-\it \rho^{\rm 2})\cdot\sigma_{\it p}^{\rm 2}}\Bigg\}.$$
 
  
:Aus dem zweiten Term des Exponenten folgt:
+
*The standard deviations&nbsp; $\sigma_t$&nbsp; and&nbsp; $\sigma_p$&nbsp; as well as the correlation coefficient&nbsp; $\rho$&nbsp; can be obtained by coefficient comparison:  
:$$\rm 2\cdot(\rm 1-\it\rho^{\rm 2})\cdot\it\sigma_{\it p}^{\rm 2}=\rm 0.0072\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} \it \sigma_{\it p}^{\rm 2} = \frac{\rm 0.0036}{\it({\rm 1}-\rho^{\rm 2})}.$$
+
*A comparison of the first two terms in the exponent shows that&nbsp; $\sigma_t = 2 \cdot \sigma_p$&nbsp; must hold.&nbsp; Thus the PDF is:
 
+
:$$f_{\it tp}(\it  t,\hspace{0.08cm} \it p)=\frac{\rm 1}{\rm 4\it \pi \cdot \sigma_{\it p}^{\rm 2} \cdot\sqrt{\rm 1- \it\rho^{\rm 2}}}\hspace{0.1cm}\cdot \hspace{0.1cm}\rm exp\Bigg\{-\hspace{0.1cm}\frac{\it t^{\rm 2}}{\rm 8\cdot (\rm 1-\rho^{\rm 2})\cdot \sigma_{\it p}^{\rm 2}} -\hspace{0.1cm}\frac{\it p^{\rm 2}}{\rm 2\cdot (\rm 1-\it\rho^{\rm 2}{\rm )}\cdot \sigma_{\it p}^{\rm 2}}+\hspace{0.1cm}\frac{\rho\cdot \it t\cdot \it p}{\rm 2\cdot (\rm 1-\it \rho^{\rm 2}{\rm )}\cdot\sigma_{\it p}^{\rm 2}}\Bigg\}.$$
:Der Faktor <i>K</i> = 13.263 liefert nun das Ergebnis
+
*From the second term of the exponent follows:
 +
:$$2\cdot(1-\rho^{\rm 2})\cdot\sigma_{p}^{ 2}=0.0072\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} \sigma_{p}^{2} = \frac{ 0.0036}{(1-\rho^{\rm 2})}.$$
 +
*The factor&nbsp; $K = 13.263$&nbsp; now gives the result:
 
:$$K = \frac{\sqrt{\rm 1-\it\rho^{\rm 2}}}{\rm 4\it\pi\cdot \rm 0.0036}=\rm 13.263 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\sqrt{\rm 1-\it\rho^{\rm 2}}=\rm 0.6 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\hspace{0.15cm}\underline{ \rm \rho = \rm 0.8}.$$
 
:$$K = \frac{\sqrt{\rm 1-\it\rho^{\rm 2}}}{\rm 4\it\pi\cdot \rm 0.0036}=\rm 13.263 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\sqrt{\rm 1-\it\rho^{\rm 2}}=\rm 0.6 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\hspace{0.15cm}\underline{ \rm \rho = \rm 0.8}.$$
 +
*From this we get the standard deviations to&nbsp; $\sigma_t\hspace{0.15cm}\underline{= 0.2}$&nbsp; and&nbsp; $\sigma_p\hspace{0.15cm}\underline{= 0.1}$.
 +
*For control,&nbsp; we use the last term of the exponent:
 +
:$$\frac{(1 - \rho^{2})\cdot \sigma_{\it t}\cdot\sigma_{\it p}}{\it \rho} = \frac{0.36\cdot 0.1\cdot 0.2}{0.8} = \rm 0.009.$$
 +
*This agrees with the given value.
  
:Daraus ergeben sich die beiden Streuungen zu <i>&sigma;<sub>p</sub></i> <u>= 0.1</u> und  <i>&sigma;<sub>t</sub></i> <u>= 0.2</u>. Zur Kontrolle kann der letzte Term des Exponenten verwendet werden:
 
:$$\frac{(\rm 1 - \it \rho^{\rm 2})\cdot\it\sigma_{\it t}\cdot\sigma_{\it p}}{\it \rho} = \rm \frac{0.36\cdot 0.1\cdot 0.2}{0.8} = \rm 0.009.$$
 
 
:Dies stimmt mit dem vorgegebenen Wert &uuml;berein.
 
  
:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Der <u>Lösungsvorschlag 1</u> ist richtig. Im Grunde genommen ist (<i>t</i>, <i>p</i>) keine echte Gau&szlig;sche Zufallsgr&ouml;&szlig;e, da beide Komponenten begrenzt sind. Die Wahrscheinlichkeiten f&uuml;r die Ereignisse <i>t</i> < 0, <i>t</i> > 1, <i>p</i> < 0 und <i>p</i> > 1 sind somit Null. Bei Gau&szlig;schen Gr&ouml;&szlig;en mit den hier vorliegenden Mittelwerten und Streuungen ergeben sich jedoch
+
'''(4)'''&nbsp; The&nbsp; <u>proposed solution 1</u>&nbsp; is correct.  
 +
*Basically,&nbsp; $(t,\hspace{0.08cm} p)$&nbsp; is not a true Gaussian random variable,&nbsp; since both components are bounded.  
 +
*The probabilities for the events&nbsp; $t < 0$, &nbsp; &nbsp; $t >1$, &nbsp; &nbsp; $p < 0$ &nbsp; &nbsp;  and &nbsp; $p >1$&nbsp; are therefore zero.
 +
*However,&nbsp; for Gaussian variables with the mean values and standard deviations present here, we get:
 
:$$\rm Pr(\it t < \rm 0) = \rm Pr(\it t > \rm 1) = \rm Q(2.5)\approx 6\cdot 10^{-3},$$
 
:$$\rm Pr(\it t < \rm 0) = \rm Pr(\it t > \rm 1) = \rm Q(2.5)\approx 6\cdot 10^{-3},$$
 
:$$\rm Pr(\it p > \rm 1) = \rm Q(3)\approx 1.3\cdot 10^{-3},$$
 
:$$\rm Pr(\it p > \rm 1) = \rm Q(3)\approx 1.3\cdot 10^{-3},$$
 
:$$\rm Pr(\it p < \rm 0) = \rm Q(7)\approx 10^{-12}.$$
 
:$$\rm Pr(\it p < \rm 0) = \rm Q(7)\approx 10^{-12}.$$
  
:Der Korrelationskoeffizient <i>&rho;</i> = 0.8 ist hier positiv. Hat der Pr&uuml;fling im theoretischen Teil eher gut abgeschnitten, so ist (zumindest bei dieser Aufgabe) zu erwarten, dass auch der praktische Teil gut l&auml;uft. Hier ist der Lösungsvorschlag 2 somit falsch. In der Praxis ist das sicher nicht immer so.
+
*The correlation coefficient&nbsp; $\rho = 0.8$&nbsp; is positive here.&nbsp; If the examinee has done rather well in the theory part,&nbsp; it is to be expected&nbsp; (at least for this exercise)&nbsp; that the practical part will also go well.  
 +
*Suggestion 2 is therefore wrong.&nbsp; In practice,&nbsp; this is certainly not always the case.
 +
 
 +
 
  
:<b>5.</b>&nbsp;&nbsp;F&uuml;r diese Wahrscheinlichkeit gilt mit &Delta;<i>t</i> = &Delta;<i>p</i> = 0.02:
+
'''(5)'''&nbsp; For this probability with&nbsp; $\Delta t = \Delta p = 0.02$:
:$$\rm Pr\Bigg (( \rm 0.5-\frac{\rm\Delta\it t}{\rm 2}\le \it t \le \rm 0.5+\frac{\rm\Delta\it t}{\rm 2})\cap(\rm 0.5-\frac{\rm\Delta\it p}{\rm 2}\le \it p \le \rm 0.5+\frac{\rm\Delta\it p}{\rm 2})\Bigg)$$
+
:$$\rm Pr\left [( \rm 0.5-\frac{\rm\Delta\it t}{\rm 2}\le \it t \le \rm 0.5+\frac{\rm\Delta\it t}{\rm 2})\cap(\rm 0. 5-\frac{\rm\Delta\it p}{\rm 2}\le \it p \le \rm 0.5+\frac{\rm\Delta\it p}{\rm 2})\right ] \approx \rm\Delta\it t\cdot\rm\Delta\it p\cdot \it f_{tp}{\rm (}t=\rm 0.5, \it p = \rm 0.5).$$
:$$\approx \rm\Delta\it t\cdot\rm\Delta\it p\cdot \it f_{tp}(t=\rm 0.5, \it p = \rm 0.5).$$
 
  
:F&uuml;r die 2D-WDF gilt unter Ber&uuml;cksichtigung der Mittelwerte <i>m<sub>t</sub></i> = 0.5 und <i>m<sub>p</sub></i> = 0.7:
+
*For the 2D&ndash;PDF,&nbsp; taking into account the mean values&nbsp; $m_t{= 0.5}$&nbsp; and&nbsp; $m_p{= 0.7}$:
:$$f_{tp}(\it t=\rm 0.5, \it p=\rm 0.5) = \rm 13.263\cdot exp(-\frac{(-0.2)^{2}}{0.0072})\approx 0.0513.$$
+
:$$f_{tp}(\it t=\rm 0.5,\hspace{0.08cm} \it p=\rm 0.5) = \rm 13.263\cdot {\rm e}^{-(-0.2)^2/0.0072}\approx 0.0513.$$
  
:Damit ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeit zu 0.02 &middot; 0.02 &middot; 0.0513 <u>&asymp; 2 &middot; 10<sup>&ndash;5</sup></u>.
+
*Thus,&nbsp; the probability we are looking for is given by
 +
:$${\rm Pr}\big[(0.49 ≤ t ≤0.51)∩(0.49≤ p ≤0.51)\big] =0.02 \cdot 0.0513\hspace{0.15cm}\underline{\approx 2 &middot; 10^{-5}}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^4.2 Gaußsche 2D-Zufallsgrößen^]]
+
[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^4.2 Gaussian 2D Random Variables^]]

Latest revision as of 16:24, 24 February 2022

Applied Gaussian 2D–PDF  $f_{tp}(t,\hspace{0.08cm} p)$

In a study,  the master craftsman examinations were investigated,  which always consist of a theoretical and additionally a practical part.  In the graph denoted:

  • $t$  is the score in the theoretical test,
  • $p$  is the score in the practical test.


Both random variables  $(t$  and  $p)$  are normalized to the maximum and can therefore only take values between  $0$  and  $1$.

Moreover,  both random variables are to be interpreted as continuous random variables, i.e.:   $t$  and  $p$  are not restricted to discrete numerical values.

  • The graph shows the PDF  $f_{tp}(t, p)$  of the two-dimensional random variable  $(t,\hspace{0.08cm} p)$,  which was published after evaluating a total of  $N = 10\hspace{0.08cm}000$  final papers.
  • This function was empirically approximated using an evaluation program as follows:
$$f_{tp}(t,\hspace{0.08cm} p) = \rm 13.263\cdot \rm exp \Bigg\{-\frac{(\it t - \rm 0.5)^{\rm 2}}{\rm 0.0288}-\frac{(\it p-\rm 0.7)^{\rm 2}}{\rm 0.0072} + \frac{(\it t-\rm 0.5)(\it p-\rm 0.7)}{\rm 0.0090}\Bigg\}.$$



Hints:

Part 1:   Gaussian random variables without statistical bindings,
Part 2:   Gaussian random variables with statistical bindings.


Questions

1

What is the mean value  $m_t$  of the results obtained in the theoretical part?

$m_t \ = \ $

2

What is the mean  $m_p$  of the results obtained in the practical part?  Give also the PDF of the zero mean random variable  $(t\hspace{0.05cm}', p\hspace{0.05cm}')$.

$m_p \ = \ $

3

Calculate the standard deviations  $\sigma_t$  and  $\sigma_p$  as well as the correlation coefficient  $\rho$  between the two sizes.

$\sigma_t \ = \ $

$\sigma_p \ = \ $

$\rho \ = \ $

4

Which of the following statements are true?

The Gaussian approach is only an approximation for this problem.
If an examinee was above average in the theory part,  it is to be expected that he is rather bad in practice.

5

What is the probability that a participant scored between  $49\%$  and  $51\%$  of the points in the theory and the practice exam respectively?

${\rm Pr}\big [(0.49 ≤ t ≤0.51)∩(0.49≤ p ≤0.51)\big]\ = \ $

$\ \cdot 10^{-5}$


Solution

(1)  and (2) 

  • The mean values  $m_t\hspace{0.15cm}\underline{= 0.5}$  and  $m_p\hspace{0.15cm}\underline{= 0.7}$  can be estimated from the sketch and obtained exactly from the given equation.
  • The 2D–PDF of the zero mean variable is:
$$f_{\it t\hspace{0.05cm}'\hspace{0.05cm}p\hspace{0.05cm}'}(\it t\hspace{0.05cm}',\hspace{0.08cm} \it p\hspace{0.05cm}'{\rm )} = \rm 13.263\cdot \rm exp\Bigg (-\frac{\it {\rm (}t\hspace{0.05cm}'{\rm )}^{\rm 2}}{\rm 0.0288} - \frac{\it {\rm (}p\hspace{0.05cm}'{\rm )}^{\rm 2}}{\rm 0.0072}+\frac{\it t\hspace{0.05cm}'\cdot p\hspace{0.05cm}'}{\rm 0.0090}\Bigg ). $$
  • For simplicity,  the apostrophe is omitted below to denote zero mean variables. 
  • Both  $t$  and  $p$  are to be understood as zero mean up to and including the subtask  (4).


(3)  The general equation of a zero mean two-dimensional random variable is:

$$f_{\it tp}(\it t,\hspace{0.08cm} \it p)=\frac{\rm 1}{\rm 2\it \pi \cdot \sigma_{\it t}\cdot \sigma_{\it p} \cdot\sqrt{\rm 1- \it\rho^{\rm 2}}}\hspace{0.1cm}\cdot \hspace{0.1cm}\rm exp\Bigg\{-\hspace{0.1cm}\frac{\it t^{\rm 2}}{\rm 2\cdot (\rm 1-\rho^{\rm 2})\cdot \sigma_{\it t}^{\rm 2}} -\hspace{0.1cm}\frac{\it p^{\rm 2}}{\rm 2\cdot (\rm 1-\it\rho^{\rm 2}{\rm )}\cdot \sigma_{\it p}^{\rm 2}}+\hspace{0.1cm}\frac{\rho\cdot \it t\cdot \it p}{ (\rm 1-\it \rho^{\rm 2}{\rm )}\cdot\sigma_{\it t}\cdot\sigma_{\it p}}\Bigg\}.$$
  • The standard deviations  $\sigma_t$  and  $\sigma_p$  as well as the correlation coefficient  $\rho$  can be obtained by coefficient comparison:
  • A comparison of the first two terms in the exponent shows that  $\sigma_t = 2 \cdot \sigma_p$  must hold.  Thus the PDF is:
$$f_{\it tp}(\it t,\hspace{0.08cm} \it p)=\frac{\rm 1}{\rm 4\it \pi \cdot \sigma_{\it p}^{\rm 2} \cdot\sqrt{\rm 1- \it\rho^{\rm 2}}}\hspace{0.1cm}\cdot \hspace{0.1cm}\rm exp\Bigg\{-\hspace{0.1cm}\frac{\it t^{\rm 2}}{\rm 8\cdot (\rm 1-\rho^{\rm 2})\cdot \sigma_{\it p}^{\rm 2}} -\hspace{0.1cm}\frac{\it p^{\rm 2}}{\rm 2\cdot (\rm 1-\it\rho^{\rm 2}{\rm )}\cdot \sigma_{\it p}^{\rm 2}}+\hspace{0.1cm}\frac{\rho\cdot \it t\cdot \it p}{\rm 2\cdot (\rm 1-\it \rho^{\rm 2}{\rm )}\cdot\sigma_{\it p}^{\rm 2}}\Bigg\}.$$
  • From the second term of the exponent follows:
$$2\cdot(1-\rho^{\rm 2})\cdot\sigma_{p}^{ 2}=0.0072\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} \sigma_{p}^{2} = \frac{ 0.0036}{(1-\rho^{\rm 2})}.$$
  • The factor  $K = 13.263$  now gives the result:
$$K = \frac{\sqrt{\rm 1-\it\rho^{\rm 2}}}{\rm 4\it\pi\cdot \rm 0.0036}=\rm 13.263 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\sqrt{\rm 1-\it\rho^{\rm 2}}=\rm 0.6 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\hspace{0.15cm}\underline{ \rm \rho = \rm 0.8}.$$
  • From this we get the standard deviations to  $\sigma_t\hspace{0.15cm}\underline{= 0.2}$  and  $\sigma_p\hspace{0.15cm}\underline{= 0.1}$.
  • For control,  we use the last term of the exponent:
$$\frac{(1 - \rho^{2})\cdot \sigma_{\it t}\cdot\sigma_{\it p}}{\it \rho} = \frac{0.36\cdot 0.1\cdot 0.2}{0.8} = \rm 0.009.$$
  • This agrees with the given value.


(4)  The  proposed solution 1  is correct.

  • Basically,  $(t,\hspace{0.08cm} p)$  is not a true Gaussian random variable,  since both components are bounded.
  • The probabilities for the events  $t < 0$,     $t >1$,     $p < 0$     and   $p >1$  are therefore zero.
  • However,  for Gaussian variables with the mean values and standard deviations present here, we get:
$$\rm Pr(\it t < \rm 0) = \rm Pr(\it t > \rm 1) = \rm Q(2.5)\approx 6\cdot 10^{-3},$$
$$\rm Pr(\it p > \rm 1) = \rm Q(3)\approx 1.3\cdot 10^{-3},$$
$$\rm Pr(\it p < \rm 0) = \rm Q(7)\approx 10^{-12}.$$
  • The correlation coefficient  $\rho = 0.8$  is positive here.  If the examinee has done rather well in the theory part,  it is to be expected  (at least for this exercise)  that the practical part will also go well.
  • Suggestion 2 is therefore wrong.  In practice,  this is certainly not always the case.


(5)  For this probability with  $\Delta t = \Delta p = 0.02$:

$$\rm Pr\left [( \rm 0.5-\frac{\rm\Delta\it t}{\rm 2}\le \it t \le \rm 0.5+\frac{\rm\Delta\it t}{\rm 2})\cap(\rm 0. 5-\frac{\rm\Delta\it p}{\rm 2}\le \it p \le \rm 0.5+\frac{\rm\Delta\it p}{\rm 2})\right ] \approx \rm\Delta\it t\cdot\rm\Delta\it p\cdot \it f_{tp}{\rm (}t=\rm 0.5, \it p = \rm 0.5).$$
  • For the 2D–PDF,  taking into account the mean values  $m_t{= 0.5}$  and  $m_p{= 0.7}$:
$$f_{tp}(\it t=\rm 0.5,\hspace{0.08cm} \it p=\rm 0.5) = \rm 13.263\cdot {\rm e}^{-(-0.2)^2/0.0072}\approx 0.0513.$$
  • Thus,  the probability we are looking for is given by
$${\rm Pr}\big[(0.49 ≤ t ≤0.51)∩(0.49≤ p ≤0.51)\big] =0.02 \cdot 0.0513\hspace{0.15cm}\underline{\approx 2 · 10^{-5}}.$$