Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.15Z: Statements of the Covariance Matrix"

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P ID664 Sto Z 4 15.png
Gegeben seien die beiden Gaußschen Zufallsgrößen u und υ, jeweils mittelwertfrei und mit Varianz σ2 = 1. Daraus werden durch Linearkombination drei neue Zufallsgrößen gebildet:
$$x_1 = A_1 \cdot u + B_1 \cdot v,$$
$$x_2 = A_2 \cdot u + B_2 \cdot v,$$
$$x_3 = A_3 \cdot u + B_3 \cdot v.$$
Vorausgesetzt wird, dass in allen Fällen (i = 1, 2, 3) gilt:
$$A_i^2 + B_i^2 =1.$$
In der Grafik sehen Sie drei Signalverläufe x1(t), x 2(t) und x3(t) entsprechend den Parametern
  • A1 = B2 = 1,
  • B1 = A2 = 0,
  • A3 = 0.8, B3 = 0.6.
Dieser Parametersatz wird für die Teilaufgabe (3) vorausgesetzt.
Der Korrelationskoeffizient ρij zwischen den Zufallsgrößen xi und xj wird wie folgt angegeben:
$$\rho_{ij} = \frac{A_i \cdot A_j + B_i \cdot B_j}{\sqrt{(A_i^2 + B_i^2)(A_j^2 + B_j^2)}} = A_i \cdot A_j + B_i \cdot B_j.$$
Unter der hier implizit getroffenen Annahme σ12 = σ22 = σ32 = 1 lautet die Kovarianzmatrix K, die bei mittelwertfreien Zufallsgrößen identisch mit der Korrelationsmatrix R ist:
$${\mathbf{K}} =\left[ K_{ij} \right] = \left[ \begin{array}{ccc} 1 & \rho_{12} & \rho_{13} \\ \rho_{12} & 1 & \rho_{23} \\ \rho_{13} & \rho_{23} & 1 \end{array} \right] .$$
Hinweis: Die Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von Kapitel 4.7. Einige Grundlagen zur Anwendung von Vektoren und Matrizen finden sich auf den folgenden Seiten:
     Determinante einer Matrix,
     Inverse einer Matrix.


Fragebogen

1

Welche der nachfolgenden Aussagen sind zutreffend? Begründung.

K kann geeigneter Wahl von A1, ... , B3 eine Diagonalmatrix sein. Oder anders ausgedrückt: ρ12 = ρ13 = ρ23 = 0 ist möglich.
Bei geeigneter Wahl der Parameter A1, ... , B3 kann genau einer der Korrelationskoeffizienten ρij gleich 0 sein.
Bei geeigneter Wahl der Parameter A1, ... , B3 können genau zwei der Korrelationskoeffizienten ρij gleich 0 sein.
Bei geeigneter Wahl der Parameter A1, ... , B3 können alle drei Korrelationskoeffizienten ρij ungleich 0 sein.

2

Wie lauten die Matrixelemente mit A1 = A2 = –A3 und B1 = B2 = –B3?

$\rho_\text{12}$ =

$\rho_\text{13}$ = -

$\rho_\text{23}$ = -

3

Berechnen Sie die Koeffizienten ρij für den in der Grafik dargestellten Fall, also für    A1 = 1, B 1 = 0; A2 = 0, B2 = 1; A3 = 0.8, B3 = 0.6.

$\rho_\text{12}$ =

$\rho_\text{13}$ =

$\rho_\text{23}$ =


Musterlösung

1.  Die zweite und die letzte Aussage treffen zu. Aussage 2 beschreibt den in der Grafik betrachteten Fall, dass zwei Größen (hier: x1 und x2) unkorreliert sind, während x3 statistische Bindungen bezüglich x1 (über die Größe u) und auch in Bezug zu x2 (bedingt durch die Zufallsgröße v) aufweist.
Die Kombination ρ12 = ρ13 = ρ23 = 0 ist bei der hier gegebenen Struktur dagegen nicht möglich. Dazu würde man eine dritte statistisch unabhängige Zufallsgröße w benötigen und es müsste beispielsweise x1 = u, x2 = υ und x3 = w gelten.
Die dritte Aussage ist ebenfalls nicht zutreffend: Sind x1 und x2 unkorreliert und gleichzeitig auch x1 und x3, so können auch zwischen x2 und x3 keine statistischen Bindungen bestehen.
Im Allgemeinen werden allerdings sowohl ρ12 als auch ρ13 und ρ23 von 0 verschieden sein. Ein ganz einfaches Beispiel hierfür wird in der Teilaufgabe 2) betrachtet.
2.  In diesem Fall sind die Größen x1 = x2 vollständig (zu 100%) korreliert. Mit A2 = A1 und B2 = B1 erhält man für den gemeinsamen Korrelationskoeffizienten:
$$\rho_{12} = A_1 \cdot A_2 + B_1 \cdot B_2 = A_1^2 + B_1^2 \hspace{0.15cm}\underline{=1}.$$
In gleicher Weise gilt mit A3 = –A1 und B3 = –B1:
$$\rho_{13} = A_1 \cdot A_3 + B_1 \cdot B_3 = -(A_1^2 + B_1^2) \hspace{0.15cm}\underline{=-1 \hspace{0.1cm}(= \rho_{23})}.$$
3.  Mit diesem Parametersatz ist x1 identisch mit der Zufallsgröße u, während x2 = υ gilt. Da u und υ statistisch voneinander unabhängig sind, ergibt sich ρ12 = 0. Demgegenüber gilt für die beiden weiteren Korrelationskoeffizienten:
$$\rho_{13} = A_1 \cdot A_3 + B_1 \cdot B_3 = 1 \cdot 0.8 + 0 \cdot 0.6 \hspace{0.15cm}\underline{ = 0.8}.$$
Für ein (sehr gut) geschultes Auge ist aus der Grafik auf der Angabenseite zu erkennen, dass das Signal x3(t) mehr Ähnlichkeiten mit x1(t) aufweist als mit x2(t). Diese Tatsache drücken auch die berechneten Korrelationskoeffizienten aus.