Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.1Z: Triangular PDF"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF)
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Probability_Density_Function_(PDF)
 
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Die Zufallsgröße  $x$  soll hier als der Momentanwert eines Zufallssignals aufgefasst werden.  Gibt man dieses Signal  $x(t)$  auf einen Amplitudenbegrenzer mit der Kennlinie  (siehe untere Skizze)
 
Die Zufallsgröße  $x$  soll hier als der Momentanwert eines Zufallssignals aufgefasst werden.  Gibt man dieses Signal  $x(t)$  auf einen Amplitudenbegrenzer mit der Kennlinie  (siehe untere Skizze)
$$y(t)=\left\{\begin{array}{*{4}{c}} -2\hspace{0.05cm} {\rm V} & {\rm falls}\hspace{0.1cm} x(t)<-2\hspace{0.05cm} {\rm V} , \\ x(t) & {\rm falls}\hspace{0.1cm}-2\hspace{0.05cm} {\rm V} \le x(t)\le +2\hspace{0.05cm} {\rm V}, \\ +2\hspace{0.05cm} {\rm V} & {\rm falls}\hspace{0.1cm} {\it x}({\it t})>+2\hspace{0.05cm} {\rm V}, \\\end{array}\right.$$
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$$y(t)=\left\{\begin{array}{*{4}{c}} -2\hspace{0.05cm} {\rm V} & {\rm falls}\hspace{0.1cm} x(t)<-2\hspace{0.05cm} {\rm V} , \\ x(t) & {\rm falls}\hspace{0.1cm}-2\hspace{0.05cm} {\rm V} \le x(t)\le +2\hspace{0.05cm} {\rm V}, \\ +2\hspace{0.05cm} {\rm V} & {\rm falls}\hspace{0.1cm} {\it x}({\it t})>+2\hspace{0.05cm} {\rm V}, \\\end{array}\right.$$
  
 
so entsteht das Signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; bzw. die neue Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $y$, die in den beiden letzten Teilfragen&nbsp; '''(5)'''&nbsp; und&nbsp; '''(6)'''&nbsp; betrachtet wird. <br />
 
so entsteht das Signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; bzw. die neue Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $y$, die in den beiden letzten Teilfragen&nbsp; '''(5)'''&nbsp; und&nbsp; '''(6)'''&nbsp; betrachtet wird. <br />
  
*F&uuml;r die Teilaufgaben&nbsp; '''(1)'''&nbsp; und&nbsp; '''(2)'''&nbsp; gelte&nbsp; $x_{\rm max} = 2\hspace{0.05cm} {\rm V} $.
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*For the subtasks&nbsp; '''(1)'''&nbsp; and&nbsp; '''(2)'''&nbsp; apply&nbsp; $x_{\rm max} = 2\hspace{0.05cm} {\rm V} $.
* F&uuml;r alle weiteren Teilaufgaben ist&nbsp; $x_{\rm max} = 4\hspace{0.05cm} {\rm V} $&nbsp; zu setzen.
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* For all other subtasks, set&nbsp; $x_{\rm max} = 4\hspace{0.05cm} {\rm V} $&nbsp;.
  
  
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''Hinweise:''
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Hints:
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion_(WDF)|Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion]].
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*The task belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Probability_Density_Function_(PDF)|Probability Density Function]].
 
   
 
   
*Eine Zusammenfassung der hier behandelten Thematik bietet das Lernvideo&nbsp; [[Wahrscheinlichkeit_und_WDF_(Lernvideo)|Wahrscheinlichkeit und WDF]].
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*The topic of this chapter is illustrated with examples in the (German) learning video&nbsp; [[Wahrscheinlichkeit_und_WDF_(Lernvideo)|Wahrscheinlichkeit und WDF]] $\Rightarrow$ Probability and PDF.
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Es sei&nbsp; $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; Berechnen Sie den Parameter&nbsp; $A = f_x(0)$.
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{Let&nbsp; $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; Calculate the parameter&nbsp; $A = f_x(0)$.
 
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$A \ = \ $ { 0.5 3% } $\ \rm 1/V$
+
$A \ = \ $ { 0.5 3% } $\ \rm 1/V$.
  
  
{Weiterhin sei&nbsp; $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; Mit welcher Wahrscheinlichkeit ist&nbsp; $|x(t)|$&nbsp; kleiner als&nbsp; $x_{\rm max}/2$?
+
{Further, let&nbsp; $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; With what probability is&nbsp; $|x(t)|$&nbsp; less than&nbsp; $x_{\rm max}/2$?
 
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${\rm Pr}(|\hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}| < 2\hspace{0.05cm} {\rm V}) \ = \ $ { 0.75 3% }
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${\rm Pr}(|\hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}| < 2\hspace{0.05cm} {\rm V}) \ = \ $ { 0.75 3% }
  
  
{Nun gelte&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit, dass&nbsp; $x$&nbsp; zwischen&nbsp; $+1\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; und&nbsp; $+3\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; liegt?
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{Now let&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; What is the probability that&nbsp; $x$&nbsp; lies between&nbsp; $+1\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; and&nbsp; $+3\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; ?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}(1\hspace{0.05cm} {\rm V} < x <3\hspace{0.05cm} {\rm V}) \ = \ $ { 0.333 3% }
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${\rm Pr}(1\hspace{0.05cm} {\rm V} < x <3\hspace{0.05cm} {\rm V}) \ = \ $ { 0.333 3% }
  
  
{Es sei weiterhin&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit, dass&nbsp; $x$&nbsp; genau gleich $+2\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; ist?
+
{ Let further&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; What is the probability that&nbsp; $x$&nbsp; is exactly equal to $+2\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
${\rm Pr}(x =2\hspace{0.05cm} {\rm V})\ = \ $ { 0. }
 
${\rm Pr}(x =2\hspace{0.05cm} {\rm V})\ = \ $ { 0. }
  
  
{Es sei weiterhin&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{ Let further&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.&nbsp; Which of the following statements is true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- $y$&nbsp; ist eine kontinuierliche Zufallsgr&ouml;&szlig;e.
+
- $y$&nbsp; is a continuous random variable.
- $y$&nbsp; ist eine diskrete Zufallsgr&ouml;&szlig;e.
+
- $y$&nbsp; is a discrete random variable.
+ $y$&nbsp; ist eine gemischt kontinuierlich-diskrete Zufallsgr&ouml;&szlig;e.
+
+ $y$&nbsp; is a mixed continuous-discrete random variable.
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit mit&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$, dass&nbsp; $y$&nbsp; genau gleich&nbsp; $+2\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; ist?
+
{What is the probability with&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$ that&nbsp; $y$&nbsp; is exactly equal&nbsp; $+2\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
${\rm Pr}(y =2\hspace{0.05cm} {\rm V})\ = \ $ { 0.167 3% }
 
${\rm Pr}(y =2\hspace{0.05cm} {\rm V})\ = \ $ { 0.167 3% }
 +
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
[[File:StS_Z_3_1_bc_version2.png|right|frame|Höhe und Fläche der Dreieck-WDF]]
+
[[File:StS_Z_3_1_bc_version2.png|right|frame|Height and area of triangular PDF]]
'''(1)'''&nbsp; Die Fl&auml;che unter der WDF muss stets den Wert&nbsp; $1$&nbsp; ergeben. Daraus folgt:
+
'''(1)'''&nbsp; The area under the PDF must always yield the value&nbsp; $1$&nbsp;. It follows that:
 
:$${A}/{ 2}\cdot {4\hspace{0.05cm}\rm V}=1\hspace{0.5cm}\Rightarrow\hspace{0.5cm} A
 
:$${A}/{ 2}\cdot {4\hspace{0.05cm}\rm V}=1\hspace{0.5cm}\Rightarrow\hspace{0.5cm} A
 
\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.5\;{1}/{V}}.$$
 
\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.5\;{1}/{V}}.$$
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'''(2)'''&nbsp; Mit&nbsp; $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; ergibt sich die WDF entsprechend der linken Grafik.  
+
'''(2)'''&nbsp; With&nbsp; $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; the PDF is obtained according to the left graph.  
*Die Schraffierung markiert die gesuchte Wahrscheinlichkeit.
+
*The shading marks the probability we are looking for.
* Man erhält durch einfache geometrische &Uuml;berlegungen:
+
*One obtains by simple geometric considerations:
 
:$${\rm Pr}(|x|<\rm 1\hspace{0.05cm} V)\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.75}.$$
 
:$${\rm Pr}(|x|<\rm 1\hspace{0.05cm} V)\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.75}.$$
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Mit&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$ erh&auml;lt&nbsp; man die rechts dargestellte WDF.
+
'''(3)'''&nbsp; With&nbsp; $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$ one obtains the PDF shown on the right.
* Den Maximalwert ist nun &nbsp; $A = 1/(3\hspace{0.05cm} {\rm V})$.  
+
*The maximum value is now &nbsp; $A = 1/(3\hspace{0.05cm} {\rm V})$.  
*Die schraffierte Fl&auml;che gibt wieder die gesuchte Wahrscheinlichkeit an, die man zum Beispiel &uuml;ber das fl&auml;chengleiche Rechteck bestimmen kann:  
+
*The shaded area again indicates the probability we are looking for, which can be determined, for example, using the rectangle of equal area:  
 
:$${\rm Pr}(1\hspace{0.05cm} {\rm V}< x<3\hspace{0.05cm} {\rm V})=\rm \frac{1}{6\hspace{0.05cm} {\rm V}}\cdot 2\hspace{0.05cm} {\rm V}=\hspace{0.15cm}\underline{0.333}.$$
 
:$${\rm Pr}(1\hspace{0.05cm} {\rm V}< x<3\hspace{0.05cm} {\rm V})=\rm \frac{1}{6\hspace{0.05cm} {\rm V}}\cdot 2\hspace{0.05cm} {\rm V}=\hspace{0.15cm}\underline{0.333}.$$
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Da&nbsp; $x$&nbsp; eine kontinuierliche Zufallsgr&ouml;&szlig;e darstellt, ist diese Wahrscheinlichkeit definitionsgem&auml;&szlig; gleich Null &nbsp; &rArr; &nbsp; ${\rm Pr}(x =2\hspace{0.05cm} {\rm V}) \;\underline {= 0}$.
+
'''(4)'''&nbsp; Since&nbsp; $x$&nbsp; represents a continuous random variable, this probability is by definition zero &nbsp; &rArr; &nbsp; ${\rm Pr}(x =2\hspace{0.05cm} {\rm V}) \;\underline {= 0}$.
  
  
  
[[File:P_ID113__Sto_Z_3_1_f.png|right|frame|Gemischt kontinuierlich/diskrete WDF]]
+
[[File:P_ID113__Sto_Z_3_1_f.png|right|frame|Mixed continuous/discrete PDF]]
'''(5)'''&nbsp; <u>Nur die letzte Aussage</u> der vorgegebenen Antworten ist zutreffend:
+
'''(5)'''&nbsp; <u>Only the last statement</u> of the given answers is true:
  
*Die WDF&nbsp; $f_y(y)$&nbsp; beinhaltet einen kontinuierlichen Anteil (blau gezeichnet),  
+
*The PDF&nbsp; $f_y(y)$&nbsp; includes a continuous component (drawn in blue),  
*aber auch die (rote) Diracfunktion bei&nbsp; $y = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; mit dem Gewicht&nbsp; ${\rm Pr}(x >2\hspace{0.05cm} {\rm V})$.
+
*but also the (red) Dirac function at&nbsp; $y = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$&nbsp; with weight&nbsp; ${\rm Pr}(x >2\hspace{0.05cm} {\rm V})$.
  
  
'''(6)'''&nbsp; Nebenstehend ist die Wahrscheinlichkeitsdichte der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $y$&nbsp; dargestellt.  
+
'''(6)'''&nbsp; Opposite is the probability density of the random variable&nbsp; $y$&nbsp;.  
*Aus der rechten Abbildung zur Teilaufgabe&nbsp; '''(3)'''&nbsp; erkennt man den Zusammenhang:
+
*From the right figure for the subtask&nbsp; '''(3)'''&nbsp; one can see the relation:
 
:$${\rm Pr}( y=2\hspace{0.05cm} {\rm V}) = {\rm Pr}( x> 2\hspace{0.05cm} {\rm V}) =  \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{6\hspace{0.05cm} {\rm V}}\cdot2{\hspace{0.05cm} {\rm V}} = {1}/{6}\hspace{0.15cm}\underline{=0.167}.$$
 
:$${\rm Pr}( y=2\hspace{0.05cm} {\rm V}) = {\rm Pr}( x> 2\hspace{0.05cm} {\rm V}) =  \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{6\hspace{0.05cm} {\rm V}}\cdot2{\hspace{0.05cm} {\rm V}} = {1}/{6}\hspace{0.15cm}\underline{=0.167}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}

Revision as of 21:21, 24 December 2021

Dreieck-WDF und Kennlinie  $y(x)$

Wir betrachten eine kontinuierliche Zufallsgröße  $x$  mit der oben skizzierten WDF. 

  • Der Minimalwert des Signals ist  $x_{\rm min} = -2\hspace{0.05cm} {\rm V}$. 
  • Dagegen ist der maximale Wert  $x_{\rm max}$  ein freier Parameter, der Werte zwischen  $+2\hspace{0.05cm}\rm V$  und  $+4\hspace{0.05cm} \rm V$  annehmen kann.


Die Zufallsgröße  $x$  soll hier als der Momentanwert eines Zufallssignals aufgefasst werden.  Gibt man dieses Signal  $x(t)$  auf einen Amplitudenbegrenzer mit der Kennlinie  (siehe untere Skizze) $$y(t)=\left\{\begin{array}{*{4}{c}} -2\hspace{0.05cm} {\rm V} & {\rm falls}\hspace{0.1cm} x(t)<-2\hspace{0.05cm} {\rm V} , \\ x(t) & {\rm falls}\hspace{0.1cm}-2\hspace{0.05cm} {\rm V} \le x(t)\le +2\hspace{0.05cm} {\rm V}, \\ +2\hspace{0.05cm} {\rm V} & {\rm falls}\hspace{0.1cm} {\it x}({\it t})>+2\hspace{0.05cm} {\rm V}, \\\end{array}\right.$$

so entsteht das Signal  $y(t)$  bzw. die neue Zufallsgröße  $y$, die in den beiden letzten Teilfragen  (5)  und  (6)  betrachtet wird.

  • For the subtasks  (1)  and  (2)  apply  $x_{\rm max} = 2\hspace{0.05cm} {\rm V} $.
  • For all other subtasks, set  $x_{\rm max} = 4\hspace{0.05cm} {\rm V} $ .




Hints:

  • The topic of this chapter is illustrated with examples in the (German) learning video  Wahrscheinlichkeit und WDF $\Rightarrow$ Probability and PDF.


Questions

1

Let  $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  Calculate the parameter  $A = f_x(0)$.

$A \ = \ $

$\ \rm 1/V$.

2

Further, let  $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  With what probability is  $|x(t)|$  less than  $x_{\rm max}/2$?

${\rm Pr}(|\hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}| < 2\hspace{0.05cm} {\rm V}) \ = \ $

3

Now let  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  What is the probability that  $x$  lies between  $+1\hspace{0.05cm} {\rm V}$  and  $+3\hspace{0.05cm} {\rm V}$  ?

${\rm Pr}(1\hspace{0.05cm} {\rm V} < x <3\hspace{0.05cm} {\rm V}) \ = \ $

4

Let further  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  What is the probability that  $x$  is exactly equal to $+2\hspace{0.05cm} {\rm V}$ ?

${\rm Pr}(x =2\hspace{0.05cm} {\rm V})\ = \ $

5

Let further  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  Which of the following statements is true?

$y$  is a continuous random variable.
$y$  is a discrete random variable.
$y$  is a mixed continuous-discrete random variable.

6

What is the probability with  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$ that  $y$  is exactly equal  $+2\hspace{0.05cm} {\rm V}$ ?

${\rm Pr}(y =2\hspace{0.05cm} {\rm V})\ = \ $


Solution

Height and area of triangular PDF

(1)  The area under the PDF must always yield the value  $1$ . It follows that:

$${A}/{ 2}\cdot {4\hspace{0.05cm}\rm V}=1\hspace{0.5cm}\Rightarrow\hspace{0.5cm} A \hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.5\;{1}/{V}}.$$


(2)  With  $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$  the PDF is obtained according to the left graph.

  • The shading marks the probability we are looking for.
  • One obtains by simple geometric considerations:
$${\rm Pr}(|x|<\rm 1\hspace{0.05cm} V)\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.75}.$$


(3)  With  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$ one obtains the PDF shown on the right.

  • The maximum value is now   $A = 1/(3\hspace{0.05cm} {\rm V})$.
  • The shaded area again indicates the probability we are looking for, which can be determined, for example, using the rectangle of equal area:
$${\rm Pr}(1\hspace{0.05cm} {\rm V}< x<3\hspace{0.05cm} {\rm V})=\rm \frac{1}{6\hspace{0.05cm} {\rm V}}\cdot 2\hspace{0.05cm} {\rm V}=\hspace{0.15cm}\underline{0.333}.$$


(4)  Since  $x$  represents a continuous random variable, this probability is by definition zero   ⇒   ${\rm Pr}(x =2\hspace{0.05cm} {\rm V}) \;\underline {= 0}$.


Mixed continuous/discrete PDF

(5)  Only the last statement of the given answers is true:

  • The PDF  $f_y(y)$  includes a continuous component (drawn in blue),
  • but also the (red) Dirac function at  $y = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$  with weight  ${\rm Pr}(x >2\hspace{0.05cm} {\rm V})$.


(6)  Opposite is the probability density of the random variable  $y$ .

  • From the right figure for the subtask  (3)  one can see the relation:
$${\rm Pr}( y=2\hspace{0.05cm} {\rm V}) = {\rm Pr}( x> 2\hspace{0.05cm} {\rm V}) = \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{6\hspace{0.05cm} {\rm V}}\cdot2{\hspace{0.05cm} {\rm V}} = {1}/{6}\hspace{0.15cm}\underline{=0.167}.$$