Exercise 4.6: Coordinate Rotation

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Wir betrachten in der Aufgabe eine zweidimensionale Gaußsche Zufallsgröße $(x, y)$ mit statistisch unabhängigen Komponenten. Die Streuungen der beiden Komponenten seien $\sigma_x = 1$ und $\sigma_y = 2$.

Berechnet werden soll die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die zweidimensionale Zufallsgröße $(x, y)$ innerhalb des grün schraffiert eingezeichneten Bereichs liegt:

$$-C \le x + y \le C.$$

Führen Sie zur Lösung eine Koordinatentransformation durch:

$$\xi = \hspace{0.4cm} x +y,$$

$$\eta= -x +y .$$

Dies entspricht einer Drehung des Koordinatensystems um $45^\circ$. Aus $x+y= \pm C$ folgt damit $\xi\pm C$. Die beiden zweidimensionalen Dichtefunktionen lauten dann:

$$f_{xy} (x,y) = \frac{1}{4 \pi} \cdot \exp \left [ - ( x^2\hspace {-0.1cm} /2 + y^2\hspace {-0.1cm} /8) \right ] ,$$

$$f_{\xi\eta} (\xi, \eta) = \frac{1}{2 \pi \cdot \sigma_\xi \cdot \sigma_\eta \cdot \sqrt{1 - \rho_{\xi\eta}^2}} \cdot \exp \left [ - \frac{1}{2 \cdot (1 - \rho_{\xi\eta}^2)} \cdot ( \frac {\xi^2}{\sigma_\xi^2} + \frac {\eta^2}{\sigma_\eta^2 }- 2 \rho_{\xi\eta}\cdot \frac {\xi \cdot \eta}{\sigma_\xi \cdot \sigma_\eta}) \right ] .$$

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel Zweidimensionale Gaußsche Zufallsgrößen.
• Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite Drehung des Koordinatensystems.
• Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
• Gegeben sind die Näherungen ${\rm Q}(2.3) \approx 0.01$ und ${\rm Q}(2.6) \approx 0.005$ für das komplementäre Gaußsche Fehlerintegral.
• Nachfolgend gibt es Hyperlinks zu zwei Lernvideos, die diese Thematik behandeln:

Gaußsche Zufallsgrößen ohne statistische Bindungen

Gaußsche Zufallsgrößen mit statistischen Bindungen

Fragebogen

1

Ermitteln Sie durch Koeffizientenvergleich das Verhältnis der beiden Streuungen der neuen Zufallsgröße $(\xi, \eta)$.

$\sigma_\xi/\sigma_\eta \ = $

2

Berechnen Sie die Streuung $\sigma_\xi$ und den Korrelationskoeffizienten $\rho_{\xi\eta}$ zwischen den neuen Zufallsgrößen $\xi$ und $\eta$.

$\sigma_\xi \ = $

$\rho_{\xi\eta} \ = $

3

Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass $ |x+y| \le C$ gilt. Wie groß ist $C$ zu wählen, damit $99\%$ aller Größen im schraffierten Bereich liegen?

$C_{99\%} \ = $

Musterlösung

Solution

(1)  Aus $\xi = x + y$ und $\eta = -x + y$ folgt direkt:

$$x = {1}/{2} \cdot ( \xi - \eta ) ,\hspace{0.5cm}y = {1}/{2}\cdot ( \xi +\eta ) .$$

Setzt man diese Werte für den negativen Exponenten ein, so erhält man:

$$\frac{x^2}{2} + \frac{y^2}{8} = \frac{1}{8} \cdot ( \xi - \eta )^2 + \frac{1}{32} \cdot ( \xi + \eta )^2.$$

Ausmultipliziert ergibt dies:

$$\frac{5}{32} \cdot \xi^2 + \frac{5}{32} \cdot \eta^2 - \frac{3}{16} \cdot \xi \cdot \eta .$$

Da die Koeffizienten bei $\xi^2$ und $\eta^2$ gleich sind, gilt $\sigma_\xi = \sigma_\eta$ Der gesuchte Quotient ist somit 1.

(2)  Durch Koeffizientenvergleich erhält man für $\sigma_\xi = \sigma_\eta$ das Gleichungssystem:

$$2 \cdot \sigma_\xi^2 \cdot (1 - \rho_{\xi\eta}^2)= \frac{32}{5},\hspace{0.5cm} \frac{\sigma_\xi^2 \cdot (1 - \rho_{\xi\eta}^2)}{\rho_{\xi\eta}}= \frac{16}{3}.$$

Setzt man die erste Gleichung in die zweite ein, so ergibt sich $\rho_{\xi\eta}\hspace{0.15cm}\underline {= 0.6}$ und $\sigma_{\xi} = \sqrt{5}\hspace{0.15cm}\underline {= 2.236}$.

(3)  Nach Koordinatentransformation kann man für diese Wahrscheinlichkeit schreiben:

$${\rm Pr} ( | x + y | \le C ) = {\rm Pr} ( | \xi | \le C ) = 1 - 2 \cdot {\rm Pr} ( \xi >C ).$$

Mit dem komplementären Gaußschen Fehlerintegral folgt daraus weiter:

$${\rm Pr} ( | x + y | \le C ) = 1 - 2 \cdot {\rm Q} ( {C}/{\sigma_\xi}) = 0.99 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q} ( {C}/{\sigma_\xi}) = 0.005.$$

Mit dem angegebenen Wert ${\rm Q}(2.6) \approx 0.005$ erhält man somit das Ergebnis: $C \approx 2.6 \cdot \sigma_{\xi}\hspace{0.15cm}\underline {= 5.814}$.