Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.9Z: Sine Transformation"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Exponentialverteilte Zufallsgrößen
+
{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Exponentially_Distributed_Random_Variables
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID137__Sto_Z_3_9.png|right|]]
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[[File:P_ID137__Sto_Z_3_9.png|right|frame|Input PDF, characteristic curve]]
:Wir betrachten in dieser Aufgabe eine Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>x</i> mit sin<sup>2</sup>-f&ouml;rmiger WDF im Bereich zwischen 0 und 2 (au&szlig;erhalb ist die WDF identisch 0):
+
In this task,&nbsp; we consider a random variable&nbsp; $x$&nbsp; with sine-square shaped&nbsp; $\rm PDF$&nbsp; in the range between&nbsp; $x= 0$&nbsp; and&nbsp; $x= 2$:
:$$\it f_x(x)= \rm sin^2(\frac{\rm\pi}{\rm 2}\cdot \it x) \hspace{1cm}\rm f\ddot{u}r\hspace{0.15cm}{\rm 0\le \it x \le \rm 2} .$$
+
:$$f_x(x)= \sin^2({\rm\pi}/{\rm 2}\cdot x) \hspace{1cm}\rm for\hspace{0.25cm}{\rm 0\le \it x \le \rm 2} .$$
  
:Mittelwert und Streuung dieser Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>x</i> wurden bereits in der Aufgabe A3.3 ermittelt:
+
Outside of this,&nbsp; the PDF is identically zero.
 +
 
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The mean and the standard deviation of this random variable&nbsp; $x$&nbsp; have already been determined in the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_3.3:_Moments_for_cos²-PDF|Exercise 3.3]]:
 
:$$m_x = 1,\hspace{0.2cm}\sigma_x = 0.361.$$
 
:$$m_x = 1,\hspace{0.2cm}\sigma_x = 0.361.$$
  
:Eine weitere Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>y</i> erh&auml;lt man durch Transformation mittels der nichtlinearen Kennlinie
+
Another random variable is obtained by transformation using the nonlinear characteristic curve
:$$y= g(x) =\rm sin(\frac{\rm\pi}{\rm 2}\cdot\it x).$$
+
:$$y= g(x) =\sin({\rm\pi}/{\rm 2}\cdot x).$$
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The figure shows in each case in the range &nbsp; $0 \le x \le 2$:
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*above the PDF&nbsp; $f_x(x)$,
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*below the nonlinear characteristic&nbsp; $y = g(x)$.
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:Die Abbildung zeigt oben die WDF <i>f<sub>x</sub></i>(<i>x</i>) und unten die nichtlineare Kennlinie <i>y</i> = <i>g</i>(<i>x</i>) im Bereich 0 &#8804; <i>x</i> &#8804; 2.
 
  
:<b>Hinweis</b>: Die Aufgabe basiert auf den theoretischen Grundlagen von Kapitel 3.3 und bezieht sich auch auf Kapitel3.6, Seite 2.
 
  
:Vorgegeben sind die beiden unbestimmten Integrale:
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:$$\int \rm sin^{\rm 3}(\it ax)\,{\rm d}x = \frac{\rm 1}{\rm 3\it a}\rm \cdot cos^{\rm 3}(\it ax)-\frac{\rm 1}{\it a}\cdot \rm cos(\it ax),$$
+
Hints:  
:$$\int \rm sin^{\rm 4}(\it ax)\,{\rm d}x =\frac{\rm 3}{\rm 8}\cdot \it x-\frac{\rm 1}{\rm 4\it a}\rm \cdot sin(\rm 2\it ax)+\frac{\rm 1}{\rm 32\it a}\cdot \rm sin(\rm 4\it ax).$$
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Exponentially_Distributed_Random_Variables|Exponentially Distributed Random Variables]].
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*In particular, reference is made to the section&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Exponentially_Distributed_Random_Variables#Transformation_of_random_variables|"Transformation of random variables"]]&nbsp; and the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Expected_Values_and_Moments|"Expected Values and Moments"]].
 +
 +
*Given are the two indefinite integrals:
 +
:$$\int \sin^{\rm 3}( ax)\,{\rm d}x = \frac{\rm 1}{ 3 a} \cdot \cos^{\rm 3}( ax)-\frac{\rm 1}{ a}\cdot \cos(ax),$$
 +
:$$\int \sin^{\rm 4}(ax)\,{\rm d}x =\frac{\rm 3}{\rm 8}\cdot x-\frac{\rm 1}{\rm 4 a} \cdot \sin(2 ax)+\frac{\rm 1}{32 a}\cdot \sin(4 ax).$$
 
   
 
   
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der nachfolgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- <i>y</i> ist auf den Wertbereich 0 &#8804; <i>y</i> &#8804; 1 begrenzt.
+
- $y$&nbsp; is limited to the range&nbsp; $0 \le y \le 1$&nbsp; .
+ <i>y</i> ist auf den Wertbereich 0 < <i>y</i> &#8804; 1 begrenzt.
+
+ $y$&nbsp; is limited to the range&nbsp; $0 < y \le 1$&nbsp;.
+ Der Mittelwert <i>m<sub>y</sub></i> ist kleiner als der Mittelwert <i>m<sub>x</sub></i>.
+
+ The mean&nbsp; $m_y$&nbsp; is less than the mean&nbsp; $m_x$.
  
  
{Berechnen Sie den Mittelwert der Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>y</i>.  
+
{Calculate the mean of the random variable&nbsp; $y$.  
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$m_y$ = { 0.849 3% }
+
$m_y \ = \ $ { 0.849 3% }
  
  
{Berechnen Sie den quadratischen Mittelwert von <i>y</i> und die Streuung.
+
{Calculate the the&nbsp; standard deviation of  the random variable&nbsp; $y$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\sigma_y$ = { 0.172 3% }
+
$\sigma_y \ = \ $ { 0.172 3% }
  
  
{Berechnen Sie die WDF <i>f<sub>y</sub></i>(<i>y</i>). <i>Hinweis</i>: Symmetrieeigenschaften beachten. Welcher WDF&ndash;Wert ergibt sich f&uuml;r <i>y</i> = 0.6?
+
{Calculate the PDF $f_y(y)$.&nbsp; Note the symmetry properties.&nbsp; What PDF value results for&nbsp; $y = 0.6$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$f_y(y=0.6)$ = { 0.573 3% }
+
$f_y(y=0.6) \ = \ $ { 0.573 3% }
  
  
{Welcher WDF-Wert ergibt sich f&uuml;r <i>y</i> = 1? Interpretieren Sie das Ergebnis. Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit, dass  <i>y</i> exakt gleich 1 ist?
+
{What is the PDF value for&nbsp; $y = 1$?&nbsp; Interpret the result.&nbsp; What is the probability that&nbsp; $y$&nbsp; is exactly equal&nbsp; $1$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$Pr(y=1)$ = { 0 3% }
+
${\rm Pr}(y=1) \ = \ $ { 0. }
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Aufgrund des Wertebereichs von <i>x</i> und der gegebenen Kennlinie kann <i>y</i> keine Werte kleiner als 0 bzw. größer als 1 annehmen. Der Wert <i>y</i> = 0 kann ebenfalls nicht auftreten, da weder <i>x</i> = 0 noch <i>x</i> = 2 m&ouml;glich sind. Mit diesen Eigenschaften ergibt sich sicher <i>m<sub>y</sub></i> < 1, also ein kleinerer Wert als f&uuml;r <i>m<sub>x</sub></i>. Richtig sind also <u>der zweite und der dritte Lösungsvorschlag</u>.
+
'''(1)'''&nbsp; Correct are&nbsp; <u>the second and the third suggested solutions</u>:
 +
*Because of the range of values of&nbsp; $x$&nbsp; and the given characteristic curve,&nbsp; $y$&nbsp; cannot take values smaller than&nbsp; $0$&nbsp; or larger than&nbsp; $1$&nbsp; respectively.  
 +
*The value&nbsp; $y = 0$&nbsp; cannot occur either,&nbsp; however,&nbsp; since neither&nbsp; $x = 0$&nbsp; nor&nbsp; $x = 2$&nbsp; are possible.  
 +
*With these properties,&nbsp; the result is surely &nbsp;$m_y < 1$, i.e., a smaller value than &nbsp;$m_x = 1$&nbsp; (see specification).  
  
:<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Zur L&ouml;sung dieser Aufgabe k&ouml;nnte man beispielsweise zun&auml;chst die WDF <i>f<sub>y</sub></i>(<i>y</i>) bestimmen und daraus in gewohnter Weise <i>m<sub>y</sub></i> berechnen. Zum gleichen Ergebnis führt der direkte Weg:
 
:$$\it m_y=E[y]=E[g(x)]=\int_{-\infty}^{+\infty}g(x)\cdot f_x(x)\,{\rm d}x.$$
 
  
:Mit den aktuellen Funktionen <i>g</i>(<i>x</i>) und <i>f<sub>x</sub></i>(<i>x</i>) erh&auml;lt man:
 
:$$\it m_y=\int_{\rm 0}^{\rm 2}\hspace{-0.1cm}\rm sin^{\rm 3}(\frac{\rm\pi}{\rm 2}\cdot \it x)\,{\rm d}x=\frac{\rm 2}{\rm 3\cdot \pi}\cdot \rm cos^{\rm 3}(\frac{\rm \pi}{\rm 2}\cdot \it x)-\frac{\rm 2}{\rm \pi}\rm \cdot cos(\frac{3 \cdot \rm \pi}{\rm 2}\cdot \it x)\Big|_{\rm 0}^{\rm 2}=\frac{\rm 8}{\rm 3\cdot \pi} \hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.849}.$$
 
  
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;In Analogie zu Punkt 2. gilt:
+
'''(2)'''&nbsp; To solve this task,&nbsp; one could,&nbsp; for example,&nbsp; first determine the PDF&nbsp; $f_y(y)$&nbsp; and calculate &nbsp;$m_y$&nbsp; from it in the usual way.  
:$$\it m_{\rm 2\it y}=\it E[y^{\rm 2}]=\it E[g^{\rm 2}(\it x)]=\int_{-\infty}^{+\infty}\hspace{-0.35cm}g^{\rm 2}(\it x)\cdot\it f_x(x)\,{\rm d}x.$$
+
*The direct way leads to the same result:
 +
:$$m_y={\rm E}\big[y\big]={\rm E}\big[g(x)\big]=\int_{-\infty}^{+\infty}g(x)\cdot f_x(x)\,{\rm d}x.$$
  
:Dies f&uuml;hrt zum Ergebnis:
+
*With the current functions&nbsp; $g(x)$&nbsp; and&nbsp; $f_x(x)$&nbsp; we obtain:
:$$\it m_{\rm 2\it y}=\int_{\rm 0}^{\rm 2}\hspace{-0.15cm}\rm sin^{\rm 4}(\frac{\rm \pi}{\rm 2}\cdot\it x)\,{\rm d} x= \frac{\rm 3}{\rm 8}\cdot\it x-\frac{\rm 1}{\rm 2\cdot\pi}\cdot \rm sin(\rm \pi\cdot\it x)+\frac{\rm 1}{\rm 16\cdot\pi}\cdot \rm sin(\rm 2\cdot \pi\cdot\it x)\Big|_{\rm 0}^{\rm 2} \hspace{0.15cm}{= \rm  
+
:$$m_y=\int_{\rm 0}^{\rm 2}\hspace{-0.1cm}\sin^{\rm 3}({\pi}/{ 2}\cdot x)\,{\rm d}x=\frac{\rm 2}{\rm 3\cdot \pi}\cdot \cos^{\rm 3}({\pi}/{ 2}\cdot x)-\frac{\rm 2}{\rm \pi} \cdot \cos({3 \rm \pi}/{\rm 2}\cdot x)\Big|_{\rm 0}^{\rm 2}=\frac{\rm 8}{\rm 3\cdot \pi} \hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.849}.$$
 +
 
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 +
 
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'''(3)'''&nbsp; By analogy with point&nbsp; '''(2)'''&nbsp; holds:
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:$$m_{2 y}={\rm E}[y^{\rm 2}]={\rm E}[g^{\rm 2}( x)]=\int_{-\infty}^{+\infty}\hspace{-0.35cm}g^{2}( x)\cdot f_x(x)\,{\rm d}x.$$
 +
 
 +
*This leads to the result:
 +
:$$ m_{ 2 y}=\int_{\rm 0}^{\rm 2}\hspace{-0.15cm}\sin^{\rm 4}({\rm \pi}/{\rm 2}\cdot x)\,{\rm d} x= \frac{\rm 3}{\rm 8}\cdot x-\frac{\rm 1}{\rm 2\cdot\pi}\cdot \sin(\rm \pi\cdot{\it x})+\frac{\rm 1}{\rm 16\cdot\pi}\cdot \sin(\rm 2 \pi\cdot {\it x})\Big|_{\rm 0}^{\rm 2} \hspace{0.15cm}{= \rm  
 
0.75}.$$
 
0.75}.$$
  
:Mit dem Ergebnis aus 2. folgt somit f&uuml;r die Streuung:
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*With the result from&nbsp; '''(2)'''&nbsp; it thus follows for the standard deviation:
:$$\it \sigma_{y}=\sqrt{\frac{\rm 3}{\rm 4}-\Big(\frac{\rm 8}{\rm 3\cdot\pi}\Big)^{\rm 2}} \hspace{0.15cm}\underline{\approx \rm 0.172}.$$
+
:$$ \sigma_{y}=\sqrt{\frac{\rm 3}{\rm 4}-\Big(\frac{\rm 8}{\rm 3\cdot\pi}\Big)^{\rm 2}} \hspace{0.15cm}\underline{\approx \rm 0.172}.$$
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'''(4)'''&nbsp; Due to the symmetry of the PDF&nbsp; $f_x(x)$&nbsp; and the characteristic curve&nbsp; $y =g(x)$&nbsp; um&nbsp; $x = 1$&nbsp; the two domains yield.
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*$0 \le x \le 1$&nbsp; and
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*$1 \le x \le 2$
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each give the same contribution for $f_y(y)$.
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*In the first domain,&nbsp; the derivative of the characteristic curve is positive:&nbsp; $g\hspace{0.05cm}'(x)={\rm \pi}/{\rm 2}\cdot \cos({\rm \pi}/{\rm 2}\cdot x).$
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 +
*The inverse function is:&nbsp; $ x=h(y)={\rm 2}/{\rm \pi}\cdot \arcsin( y).$
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*Taking into account the second contribution by the factor&nbsp; $2$&nbsp; we get the searched PDF in the range&nbsp; $0 \le y \le 1$:
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:$$f_y(y)= 2\cdot\frac{\sin^{ 2}({ \pi}/{ 2}\cdot x)}{{ \pi}/{ 2}\cdot \cos({ \pi}/{ 2}\cdot x)}\Big|_{\, x={ 2}/{ \pi}\cdot \arcsin( y)}.$$
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[[File:P_ID138__Sto_Z_3_9_e_neu.png|right|frame|PDF after transformation]]
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*Outside of this range:&nbsp; $f_y(y) \equiv 0$.&nbsp; This leads to the intermediate result
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:$$f_y(y)=\frac{4}{\pi}\cdot \frac{\sin^{2}(\arcsin( y ))}{\sqrt{\rm 1-\sin^{ 2}(\arcsin( y \rm ))}}.$$
 +
*And because of&nbsp; $\sin\big (\arcsin(y)\big) = y$:
 +
:$$f_y(y)=\frac{ 4}{\pi}\cdot \frac{ y^{2}}{\sqrt{1- y^{\rm 2}}}.$$
  
:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Aufgrund der Symmetrie von WDF <i>f<sub>x</sub></i>(<i>x</i>) und Kennlinie <i>y</i> = <i>g</i>(<i>x</i>) um <i>x</i> = 1 liefern die beiden Bereiche &bdquo;0 &#8804; <i>x</i> &#8804; 1&rdquo; und &bdquo;1 &#8804; <i>x</i> &#8804; 2&rdquo; jeweils den gleichen Beitrag f&uuml;r <i>f<sub>y</sub></i>(<i>y</i>). Im ersten Bereich ist die Ableitung der Kennlinie positiv,
+
*At the point&nbsp; $y = 0.6$&nbsp; one obtains the value&nbsp; $f_y(y= 0.6)\hspace{0.15cm}\underline{=0.573}$.
[[File:P_ID138__Sto_Z_3_9_e_neu.png|right|]]
+
*On the right,&nbsp; this PDF&nbsp; $f_y(y)$&nbsp; is shown graphically.
:$$\it g'(x)={\rm \pi}/{\rm 2}\cdot \rm cos({\rm \pi}/{\rm  2}\cdot\it x),$$
 
  
:und die Umkehrfunktion lautet:
 
:$$\it x=h(y)={\rm 2}/{\rm \pi}\cdot \rm arcsin(\it y).$$
 
  
:Unter Berücksichtigung des zweiten Beitrags durch den Faktor 2 erh&auml;lt man f&uuml;r die gesuchte WDF im Bereich &bdquo;0 &#8804; <i>y</i> &#8804; 1&rdquo; (au&szlig;erhalb ist  <i>f<sub>y</sub></i>(<i>y</i>) = 0):
 
:$$f_y(y)=\rm 2\cdot\frac{sin^{\rm 2}({\rm \pi}/{\rm 2}\cdot\it x)}{{\rm \pi}/{\rm 2}\cdot cos({\rm \pi}/{\rm 2}\cdot\it x)}\Big|_{\, \it x={\rm 2}/{\rm \pi}\cdot \rm arcsin(\it y)}.$$
 
  
:Dies f&uuml;hrt zum Zwischenergebnis:
 
:$$f_y(y)=\frac{\rm 4}{\rm \pi}\cdot \frac{\rm sin^{\rm 2}(\rm arcsin(\it y))}{\sqrt{\rm 1-sin^{\rm 2}(\rm arcsin(\it y))}}.$$
 
  
:Wegen sin(arcsin(<i>y</i>)) = <i>y</i> erh&auml;lt man schlie&szlig;lich:
+
'''(5)'''&nbsp; The PDF is infinitely large at the point&nbsp; $y = 1$.
:$$f_y(y)=\frac{\rm 4}{\rm \pi}\cdot \frac{\it y^{\rm 2}}{\sqrt{\rm 1-\it y^{\rm 2}}}.$$
+
*This is due to the fact that at this point the derivative&nbsp; $g\hspace{0.05cm}'(x)$&nbsp; of the characteristic curve runs horizontally.
 +
* However,&nbsp; since&nbsp; $y$&nbsp; is a continuous random quantity,&nbsp; nevertheless&nbsp; ${\rm Pr}(y = 1) \hspace{0.15cm}\underline{= 0}$&nbsp; holds.  
  
:An der Stelle <i>y</i> = 0.6 erh&auml;lt man den Wert <u>0.573</u>. Rechts ist die WDF <i>f<sub>y</sub></i>(<i>y</i>) grafisch dargestellt.
 
  
:<b>5.</b>&nbsp;&nbsp;Die WDF ist an der Stelle <i>y</i> = 1 unendlich gro&szlig;. Dies h&auml;ngt damit zusammen, dass an dieser Stelle die Ableitung <i>g</i>'(<i>x</i>) der Kennlinie horizontal verl&auml;uft. Da aber <i>y</i> eine kontinuierliche Zufallsgr&ouml;&szlig;e ist, gilt trotzdem Pr(<i>y</i> = 1) = 0. Das bedeutet: Eine Unendlichkeitsstelle in der WDF ist nicht identisch mit einer Diracfunktion.
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This means:  
 +
*An infinity point in the PDF is not identical to a Dirac delta function.
 +
*Or more casually expressed: &nbsp; An infinity point in the PDF is&nbsp; "less"&nbsp; than a Dirac delta function.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^3.6 Exponentialverteilte Zufallsgrößen^]]
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[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^3.6 Exponentially Distributed Random Variables^]]

Latest revision as of 16:09, 17 February 2022

Input PDF, characteristic curve

In this task,  we consider a random variable  $x$  with sine-square shaped  $\rm PDF$  in the range between  $x= 0$  and  $x= 2$:

$$f_x(x)= \sin^2({\rm\pi}/{\rm 2}\cdot x) \hspace{1cm}\rm for\hspace{0.25cm}{\rm 0\le \it x \le \rm 2} .$$

Outside of this,  the PDF is identically zero.

The mean and the standard deviation of this random variable  $x$  have already been determined in the  Exercise 3.3:

$$m_x = 1,\hspace{0.2cm}\sigma_x = 0.361.$$

Another random variable is obtained by transformation using the nonlinear characteristic curve

$$y= g(x) =\sin({\rm\pi}/{\rm 2}\cdot x).$$

The figure shows in each case in the range   $0 \le x \le 2$:

  • above the PDF  $f_x(x)$,
  • below the nonlinear characteristic  $y = g(x)$.





Hints:

  • Given are the two indefinite integrals:
$$\int \sin^{\rm 3}( ax)\,{\rm d}x = \frac{\rm 1}{ 3 a} \cdot \cos^{\rm 3}( ax)-\frac{\rm 1}{ a}\cdot \cos(ax),$$
$$\int \sin^{\rm 4}(ax)\,{\rm d}x =\frac{\rm 3}{\rm 8}\cdot x-\frac{\rm 1}{\rm 4 a} \cdot \sin(2 ax)+\frac{\rm 1}{32 a}\cdot \sin(4 ax).$$


Questions

1

Which of the following statements are true?

$y$  is limited to the range  $0 \le y \le 1$  .
$y$  is limited to the range  $0 < y \le 1$ .
The mean  $m_y$  is less than the mean  $m_x$.

2

Calculate the mean of the random variable  $y$.

$m_y \ = \ $

3

Calculate the the  standard deviation of the random variable  $y$.

$\sigma_y \ = \ $

4

Calculate the PDF $f_y(y)$.  Note the symmetry properties.  What PDF value results for  $y = 0.6$?

$f_y(y=0.6) \ = \ $

5

What is the PDF value for  $y = 1$?  Interpret the result.  What is the probability that  $y$  is exactly equal  $1$?

${\rm Pr}(y=1) \ = \ $


Solution

(1)  Correct are  the second and the third suggested solutions:

  • Because of the range of values of  $x$  and the given characteristic curve,  $y$  cannot take values smaller than  $0$  or larger than  $1$  respectively.
  • The value  $y = 0$  cannot occur either,  however,  since neither  $x = 0$  nor  $x = 2$  are possible.
  • With these properties,  the result is surely  $m_y < 1$, i.e., a smaller value than  $m_x = 1$  (see specification).


(2)  To solve this task,  one could,  for example,  first determine the PDF  $f_y(y)$  and calculate  $m_y$  from it in the usual way.

  • The direct way leads to the same result:
$$m_y={\rm E}\big[y\big]={\rm E}\big[g(x)\big]=\int_{-\infty}^{+\infty}g(x)\cdot f_x(x)\,{\rm d}x.$$
  • With the current functions  $g(x)$  and  $f_x(x)$  we obtain:
$$m_y=\int_{\rm 0}^{\rm 2}\hspace{-0.1cm}\sin^{\rm 3}({\pi}/{ 2}\cdot x)\,{\rm d}x=\frac{\rm 2}{\rm 3\cdot \pi}\cdot \cos^{\rm 3}({\pi}/{ 2}\cdot x)-\frac{\rm 2}{\rm \pi} \cdot \cos({3 \rm \pi}/{\rm 2}\cdot x)\Big|_{\rm 0}^{\rm 2}=\frac{\rm 8}{\rm 3\cdot \pi} \hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.849}.$$


(3)  By analogy with point  (2)  holds:

$$m_{2 y}={\rm E}[y^{\rm 2}]={\rm E}[g^{\rm 2}( x)]=\int_{-\infty}^{+\infty}\hspace{-0.35cm}g^{2}( x)\cdot f_x(x)\,{\rm d}x.$$
  • This leads to the result:
$$ m_{ 2 y}=\int_{\rm 0}^{\rm 2}\hspace{-0.15cm}\sin^{\rm 4}({\rm \pi}/{\rm 2}\cdot x)\,{\rm d} x= \frac{\rm 3}{\rm 8}\cdot x-\frac{\rm 1}{\rm 2\cdot\pi}\cdot \sin(\rm \pi\cdot{\it x})+\frac{\rm 1}{\rm 16\cdot\pi}\cdot \sin(\rm 2 \pi\cdot {\it x})\Big|_{\rm 0}^{\rm 2} \hspace{0.15cm}{= \rm 0.75}.$$
  • With the result from  (2)  it thus follows for the standard deviation:
$$ \sigma_{y}=\sqrt{\frac{\rm 3}{\rm 4}-\Big(\frac{\rm 8}{\rm 3\cdot\pi}\Big)^{\rm 2}} \hspace{0.15cm}\underline{\approx \rm 0.172}.$$


(4)  Due to the symmetry of the PDF  $f_x(x)$  and the characteristic curve  $y =g(x)$  um  $x = 1$  the two domains yield.

  • $0 \le x \le 1$  and
  • $1 \le x \le 2$


each give the same contribution for $f_y(y)$.

  • In the first domain,  the derivative of the characteristic curve is positive:  $g\hspace{0.05cm}'(x)={\rm \pi}/{\rm 2}\cdot \cos({\rm \pi}/{\rm 2}\cdot x).$
  • The inverse function is:  $ x=h(y)={\rm 2}/{\rm \pi}\cdot \arcsin( y).$
  • Taking into account the second contribution by the factor  $2$  we get the searched PDF in the range  $0 \le y \le 1$:
$$f_y(y)= 2\cdot\frac{\sin^{ 2}({ \pi}/{ 2}\cdot x)}{{ \pi}/{ 2}\cdot \cos({ \pi}/{ 2}\cdot x)}\Big|_{\, x={ 2}/{ \pi}\cdot \arcsin( y)}.$$
PDF after transformation
  • Outside of this range:  $f_y(y) \equiv 0$.  This leads to the intermediate result
$$f_y(y)=\frac{4}{\pi}\cdot \frac{\sin^{2}(\arcsin( y ))}{\sqrt{\rm 1-\sin^{ 2}(\arcsin( y \rm ))}}.$$
  • And because of  $\sin\big (\arcsin(y)\big) = y$:
$$f_y(y)=\frac{ 4}{\pi}\cdot \frac{ y^{2}}{\sqrt{1- y^{\rm 2}}}.$$
  • At the point  $y = 0.6$  one obtains the value  $f_y(y= 0.6)\hspace{0.15cm}\underline{=0.573}$.
  • On the right,  this PDF  $f_y(y)$  is shown graphically.



(5)  The PDF is infinitely large at the point  $y = 1$.

  • This is due to the fact that at this point the derivative  $g\hspace{0.05cm}'(x)$  of the characteristic curve runs horizontally.
  • However,  since  $y$  is a continuous random quantity,  nevertheless  ${\rm Pr}(y = 1) \hspace{0.15cm}\underline{= 0}$  holds.


This means:

  • An infinity point in the PDF is not identical to a Dirac delta function.
  • Or more casually expressed:   An infinity point in the PDF is  "less"  than a Dirac delta function.