Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.16Z: Bounds for the Gaussian Error Function"

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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Schranken für die Blockfehlerwahrscheinlichkeit}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Channel_Coding/Limits_for_Block_Error_Probability}}
  
[[File:P_ID2415__KC_A_1_15.png|right|frame|${\rm Q}(x)$ und verwandte Funktionen]]
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[[File:P_ID2415__KC_A_1_15.png|right|frame|Function&nbsp; ${\rm Q}(x)$&nbsp; and approximations;<br>it holds:&nbsp; ${\rm Q_u}(x)\le{\rm Q}(x)\le{\rm Q_o}(x)$]]
  
Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Gaußsche Zufallsgröße $n$ mit Streuung $\sigma$ → Varianz $\sigma^2$ betragsmäßig größer ist als ein vorgegebener Wert $A$, ist gleich
+
The probability that a zero-mean Gaussian random variable&nbsp; $n$&nbsp; with standard deviation&nbsp; $\sigma$ &nbsp; &rArr; &nbsp; variance&nbsp; $\sigma^2$&nbsp; is greater in magnitude than a given value&nbsp; $A$&nbsp; is equal to
  
 
:$${\rm Pr}(n > A) = {\rm Pr}(n < -A) ={\rm Q}(A/\sigma) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm Pr}(n > A) = {\rm Pr}(n < -A) ={\rm Q}(A/\sigma) \hspace{0.05cm}.$$
 
   
 
   
Hierbei verwendet ist eine der wichtigsten Funktionen für die Nachrichtentechnik (in der Grafik rot eingezeichnet): die [[Stochastische_Signaltheorie/Gaußverteilte_Zufallsgrößen#.C3.9Cberschreitungswahrscheinlichkeit|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktion]]
+
Here is used one of the most important functions for Communications Engineering&nbsp; (drawn in red in the diagram): &nbsp;<br>the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables#Exceedance_probability|"complementary Gaussian error function"]]
  
 
:$${\rm Q} (x) = \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}}\int_{\it x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}/\rm 2}\,d \it u \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm Q} (x) = \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}}\int_{\it x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}/\rm 2}\,d \it u \hspace{0.05cm}.$$
 
   
 
   
${\rm Q}(x)$ ist eine monoton fallende Funktion mit ${\rm Q}(0) = 0.5$. Für große Werte von $x$ tendiert ${\rm Q}(x) \to 0$.
+
${\rm Q}(x)$&nbsp; is a monotonically decreasing function with&nbsp; ${\rm Q}(0) = 0.5$.&nbsp; For very large values of&nbsp; $x$ &nbsp; &rArr; &nbsp;  ${\rm Q}(x)$ tends $\to 0$.
  
Das Integral der ${\rm Q}$–Funktion ist analytisch nicht lösbar und wird meist in Tabellenform angegeben.
 
  
Aus der Literatur bekannt sind aber handhabbare Näherungen bzw. Schranken für positive $x$–Werte:
+
The integral of the ${\rm Q}$&ndash;function is not analytically solvable and is usually given in tabular form.&nbsp; From the literature,&nbsp; however,&nbsp; manageable approximations or bounds for positive&nbsp; $x$&nbsp; values are known:
  
*die obere Schranke (obere blaue Kurve in nebenstehender Grafik, nur gültig für $x > 0$):
+
*the&nbsp;  "upper bound" &nbsp; &rArr; &nbsp; upper &nbsp; $($German:&nbsp; "obere" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript: "o"$)$&nbsp; blue curve in adjacent graph,&nbsp; valid for&nbsp; $x > 0$:
 
   
 
   
 
:$$ {\rm Q_o}(x)=\frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot x}\cdot {\rm e}^{-x^{\rm 2}/\rm 2}\hspace{0.15cm} \ge \hspace{0.15cm} {\rm Q} (x) \hspace{0.05cm},$$
 
:$$ {\rm Q_o}(x)=\frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot x}\cdot {\rm e}^{-x^{\rm 2}/\rm 2}\hspace{0.15cm} \ge \hspace{0.15cm} {\rm Q} (x) \hspace{0.05cm},$$
  
*die untere Schranke (untere blaue Kurve in der Grafik, nur gültig für $x > 1$):
+
*the&nbsp;  "lower bound" &nbsp; &rArr; &nbsp; upper &nbsp; $($German:&nbsp; "untere" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript: "u"$)$&nbsp; blue curve in adjacent graph,&nbsp; valid for&nbsp; $x > 1$:  
+
:$$ {\rm Q_u}(x)=\frac{\rm 1-{\rm 1}/{\it x^{\rm 2}}}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot x}\cdot \rm e^{-x^{\rm 2}/\rm 2} \hspace{0.15cm} \le \hspace{0.15cm}  {\rm Q} (x) \hspace{0.05cm},$$
:$$ {\rm Q_u}(x)=\frac{\rm 1-{\rm 1}/{\it x^{\rm 2}}}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot x}\cdot \rm e^{-\x^{\rm 2}/\rm 2} \hspace{0.15cm} \le \hspace{0.15cm}  {\rm Q} (x) \hspace{0.05cm},$$
 
  
*die Chernoff–Rubin–Schranke (grüne Kurve in der Grafik, gezeichnet für $K = 1$):
+
*the&nbsp; "Chernoff-Rubin bound"&nbsp; $($green curve in the graph, drawn for&nbsp; $K = 1)$:
 
   
 
   
 
:$${\rm Q_{CR}}(x)=K \cdot {\rm e}^{-x^{\rm 2}/\rm 2} \hspace{0.15cm} \ge \hspace{0.15cm} {\rm Q} (x) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm Q_{CR}}(x)=K \cdot {\rm e}^{-x^{\rm 2}/\rm 2} \hspace{0.15cm} \ge \hspace{0.15cm} {\rm Q} (x) \hspace{0.05cm}.$$
  
In der Aufgabe ist zu untersuchen, in wie weit diese Schranken als Näherungen für ${\rm Q}(x)$ herangezogen werden können und welche Verfälschungen sich dadurch ergeben.
+
In the exercise it is to be investigated to what extent these bounds can be used as approximations for&nbsp; ${\rm Q}(x)$&nbsp; and what corruptions result.
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Hints:
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* This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Channel_Coding/Bounds_for_Block_Error_Probability|"Bounds for block error probability"]].
  
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*Reference is also made to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables|"Gaussian distributed random variables"]]&nbsp; in the book&nbsp; "Stochastic Signal Theory".
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*The exercise provides some important hints for solving&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_1.16:_Block_Error_Probability_Bounds_for_AWGN|"Exercise 1.16"]],&nbsp; in which&nbsp; ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$&nbsp; is used to derive the &nbsp; [[Channel_Coding/Limits_for_Block_Error_Probability#The_upper_bound_according_to_Bhattacharyya|"Bhattacharyya Bound"]]&nbsp; for the AWGN channel.
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* Further we refer to the interactive HTML5/JavaScript applet&nbsp; [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen| "Complementary Gaussian error functions"]].
  
''Hinweise:''
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* Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel [[Kanalcodierung/Schranken_für_die_Blockfehlerwahrscheinlichkeit|Schranken für die Blockfehlerwahrscheinlichkeit]].
 
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Gaußverteilte_Zufallsgrößen|Gaußverteilte Zufallsgrößen]] im Buch „Stochastische Signaltheorie”.
 
* Die Aufgabe bietet auch einige wichtige Hinweise zur Lösung der [[Aufgaben:Aufgabe_1.16:_Fehlerwahrscheinlichkeitsschranken_für_AWGN|Aufgabe 1.16]], in der die Funktion ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$ zur Herleitung der [[Kanalcodierung/Schranken_für_die_Blockfehlerwahrscheinlichkeit#Die_obere_Schranke_nach_Bhattacharyya|Bhattacharyya–Schranke]] für den AWGN–Kanal benötigt wird.
 
*Weiter verweisen wir auf das interaktive Applet [[Applets:QFunction|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]].
 
* Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
  
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Welche Werte liefern die obere und die untere Schranke für $x = 4$?
+
{What values do the upper and lower bounds for&nbsp; $x = 4$&nbsp; provide?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Q}_{o}(x = 4) \ = \ $ { 3.346 3% }$\ \cdot 10^{-5} $
+
${\rm Q_{o}}(x = 4) \ = \ $ { 3.346 3% }$\ \cdot 10^{-5} $
${\rm Q}_{u}(x = 4) \ = \ $ { 3.137 3% }$\ \cdot 10^{-5} $
+
${\rm Q_{u}}(x = 4) \ = \ $ { 3.137 3% }$\ \cdot 10^{-5} $
  
{Welche Aussagen gelten für die Funktionen ${\rm Q}_{o}(x = 4)$ und ${\rm Q}_{u}(x = 4)$?
+
{What statements hold for the functions&nbsp; ${\rm Q_{o}}(x)$&nbsp; and&nbsp; ${\rm Q_{u}}(x)$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Für $x ≥ 2$ sind die beiden Schranken brauchbar.
+
+ For&nbsp; $x ≥ 2$:&nbsp; Both bounds are usable.
+ Für $x < 1$ ist ${\rm Q}_{u}(x)$ unbrauchbar (wegen ${\rm Q}_{u}(x) < 0$).
+
+ For&nbsp; $x < 1$:&nbsp;  ${\rm Q_{u}}(x)$&nbsp; is unusable &nbsp; $($because&nbsp; ${\rm Q_{u}}(x)< 0)$.
- Für $x < 1$ ist ${\rm Q}_{o}(x)$ unbrauchbar (wegen ${\rm Q}_{o}(x) > 1$).
+
- For&nbsp; $x < 1$:&nbsp;  ${\rm Q_{o}}(x)$&nbsp; is unusable&nbsp; $($because&nbsp; ${\rm Q_{o}}(x)> 1)$.
  
  
{Um welchen Faktor liegt die Chernoff–Rubin–Schranke oberhalb von ${\rm Q}_{o}(x)$?
+
{By what factor is the Chernoff-Rubin Bound above&nbsp; ${\rm Q_{o}}(x)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Q}_{\rm CR}(x)/{\rm Q}_{o}(x) \text{:} \hspace{0.2cm} x =2 \ = \ $ { 5 3% }
+
${\rm Q}_{\rm CR}(x = 2)/{\rm Q_{o}}(x = 2 \ = \ $ { 5 3% }
$x =4 \ = \ $ { 10 3% }
+
${\rm Q}_{\rm CR}(x = 4)/{\rm Q_{o}}(x = 4 )  \ = \ $ { 10 3% }
$x =6 \ = \ $ { 15 3% }
+
${\rm Q}_{\rm CR}(x = 6)/{\rm Q_{o}}(x = 6 \ = \ $ { 15 3% }
  
{Bestimmen Sie $K$ derart, dass $K \cdot {\rm Q}_{\rm CR}(x)$ möglichst nahe bei ${\rm Q}(x)$ liegt und gleichzeitig im gesamten Bereich ${\rm Q}(x) ≤ K · {\rm Q}_{\rm CR}(x)$ eingehalten wird.
+
{Determine&nbsp; $K$&nbsp; such that&nbsp; $K \cdot {\rm Q}_{\rm CR}(x)$&nbsp; is as close as possible to&nbsp; ${\rm Q}(x)$&nbsp; and at the same time&nbsp; ${\rm Q}(x) ≤ K · {\rm Q}_{\rm CR}(x)$&nbsp; is observed for all &nbsp;$x > 0$&nbsp;.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$K \ = \ $ { 0.5 3% }
 
$K \ = \ $ { 0.5 3% }
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Die obere Schranke lautet:
+
'''(1)'''&nbsp; The upper bound is:
  
 
:$${\rm Q_o}(x)=\frac{1}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot x}\cdot {\rm e}^{-x^{\rm 2}/\rm 2} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q_o}(4 )=\frac{1}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot 4}\cdot {\rm e}^{-8 }\hspace{0.15cm}\underline{\approx 3.346 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm Q_o}(x)=\frac{1}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot x}\cdot {\rm e}^{-x^{\rm 2}/\rm 2} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q_o}(4 )=\frac{1}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot 4}\cdot {\rm e}^{-8 }\hspace{0.15cm}\underline{\approx 3.346 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
 
   
 
   
Die untere Schranke kann wie folgt umgewandelt werden:
+
*The lower bound can be converted as follows:
 
   
 
   
 
:$${\rm Q_u}( x)=(1-1/x^2) \cdot {\rm Q_o}(x) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q_u}(4 ) \hspace{0.15cm}\underline{\approx 3.137 \cdot 10^{-5}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm Q_u}( x)=(1-1/x^2) \cdot {\rm Q_o}(x) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q_u}(4 ) \hspace{0.15cm}\underline{\approx 3.137 \cdot 10^{-5}} \hspace{0.05cm}.$$
  
Die relativen Abweichungen gegenüber dem „echten” Wert ${\rm Q}(4) = 3.167 · 10^{–5}$ sind $+5%$ bzw. $–1%.$
+
*The relative deviations from the&nbsp; actual&nbsp; value&nbsp; ${\rm Q}(4) = 3.167 · 10^{–5}$&nbsp; are&nbsp; $+5\%$&nbsp; resp.&nbsp; $–1\%$.
 +
 
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind <u>Antwort 1 und 2</u>. Für $x = 2$ wird der tatsächliche Funktionswert ${\rm Q}(x) = 2.275 · 10^{–2}$ begrenzt durch ${\rm Q}_{o}(x) = 2.7 · 10^{–2}$ bzw. ${\rm Q}_{u}(x) = 2.025 · 10^{–2}$. Die relativen Abweichungen betragen $18.7%$ bzw. $–11%.$ Die letzte Aussage ist falsch. Erst für $x < 0.37$ gilt ${\rm Q}_{o}(x) > 1.$
+
'''(2)'''&nbsp; Correct are the&nbsp; <u>solutions 1 and 2</u>:
 +
*For&nbsp; $x = 2$,&nbsp; the actual function value&nbsp; ${\rm Q}(x) = 2.275 \cdot 10^{-2}$&nbsp; is bounded by&nbsp; ${\rm Q_{o}}(x) = 2.7 \cdot 10^{-2}$&nbsp; and&nbsp; ${\rm Q_u}(x) = 2.025 \cdot 10^{-2}$, respectively.
 +
 +
*The relative deviations are therefore&nbsp; $18.7\%$&nbsp;resp.&nbsp; $-11\%,$.
  
 +
*The last statement is wrong: &nbsp; Only for&nbsp; $x < 0.37$ &nbsp; &rArr; &nbsp;  ${\rm Q_o}(x) > 1$&nbsp; is valid.
  
'''(3)'''&nbsp; Für den Quotienten aus ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$ und ${\rm Q}_{o}(x)$ gilt nach den vorgegebenen Gleichungen:
+
 
 +
 
 +
 
 +
'''(3)'''&nbsp; For the quotient of&nbsp; ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$&nbsp; and&nbsp; ${\rm Q_o}(x)$,&nbsp; according to the given equations:
  
 
:$$q(x) = \frac{{\rm Q_{CR}}(x)}{{\rm Q_{o}}(x)} = \frac{{\rm exp}(-x^2/2)}{{\rm exp}(-x^2/2)/({\sqrt{2\pi} \cdot x})} = {\sqrt{2\pi} \cdot x}$$
 
:$$q(x) = \frac{{\rm Q_{CR}}(x)}{{\rm Q_{o}}(x)} = \frac{{\rm exp}(-x^2/2)}{{\rm exp}(-x^2/2)/({\sqrt{2\pi} \cdot x})} = {\sqrt{2\pi} \cdot x}$$
 
    
 
    
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} q(x) \approx 2.5 \cdot x \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} q(x =2) = 5\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}q(x =4) = 10\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}q(x =6) = 15\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} q(x) \approx 2.5 \cdot x \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} q(x =2) \hspace{0.15cm}\underline{=5}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}q(x =4)\hspace{0.15cm}\underline{=10}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}q(x =6) \hspace{0.15cm}\underline{=15}\hspace{0.05cm}.$$
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*The larger the abscissa value&nbsp; $x$&nbsp; is,&nbsp; the more inaccurately&nbsp; ${\rm Q}(x)$&nbsp; is approximated by&nbsp; ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$.
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*When looking at the graph in the information section,&nbsp; I first had the impression that&nbsp; ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$&nbsp; results from&nbsp; ${\rm Q}(x)$&nbsp; by shifting to the right or shifting up.&nbsp;
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*But this is only an optical illusion and does not correspond to the facts.
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Je größer der Abszissenwert x, um so ungenauer wird ${\rm Q}(x)$ durch ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$ angenähert. Bei Betrachtung der Grafik auf der Angabenseite hat man (hatte ich) den Eindruck, dass ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$ sich aus ${\rm Q}(x)$ durch Verschieben nach unten bzw. Verschieben nach oben ergibt. Das ist aber nur eine optische Täuschung und entspricht nicht dem Sachverhalt.
 
  
  
'''(4)'''&nbsp; Mit <u>K = 0.5</u> stimmt die neue Schranke $0.5 · {\rm Q}_{\rm CR}(x)$ für $x = 0$ exakt mit ${\rm Q}(x=0) = 0.500$ überein. Für größere Abszissenwerte wird damit auch die Verfälschung $q = 1.25 · x$ nur halb so groß.
+
'''(4)'''&nbsp; With&nbsp; $\underline{K = 0.5}$&nbsp; the new bound&nbsp; $0.5 \cdot {\rm Q}_{\rm CR}(x)$&nbsp; for&nbsp; $x = 0$&nbsp; agrees exactly with ${\rm Q}(x=0) = 0.500$.  
 +
*For larger abscissa values,&nbsp; the falsification&nbsp; $q \approx 1.25 \cdot x$&nbsp; thus also becomes only half as large.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu  Kanalcodierung|^1.6 Fehlerwahrscheinlichkeitsschranken^]]
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[[Category:Channel Coding: Exercises|^1.6 Error Probability Bounds^]]

Latest revision as of 18:03, 23 January 2023

Function  ${\rm Q}(x)$  and approximations;
it holds:  ${\rm Q_u}(x)\le{\rm Q}(x)\le{\rm Q_o}(x)$

The probability that a zero-mean Gaussian random variable  $n$  with standard deviation  $\sigma$   ⇒   variance  $\sigma^2$  is greater in magnitude than a given value  $A$  is equal to

$${\rm Pr}(n > A) = {\rm Pr}(n < -A) ={\rm Q}(A/\sigma) \hspace{0.05cm}.$$

Here is used one of the most important functions for Communications Engineering  (drawn in red in the diagram):  
the  "complementary Gaussian error function"

$${\rm Q} (x) = \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}}\int_{\it x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}/\rm 2}\,d \it u \hspace{0.05cm}.$$

${\rm Q}(x)$  is a monotonically decreasing function with  ${\rm Q}(0) = 0.5$.  For very large values of  $x$   ⇒   ${\rm Q}(x)$ tends $\to 0$.


The integral of the ${\rm Q}$–function is not analytically solvable and is usually given in tabular form.  From the literature,  however,  manageable approximations or bounds for positive  $x$  values are known:

  • the  "upper bound"   ⇒   upper   $($German:  "obere"   ⇒   subscript: "o"$)$  blue curve in adjacent graph,  valid for  $x > 0$:
$$ {\rm Q_o}(x)=\frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot x}\cdot {\rm e}^{-x^{\rm 2}/\rm 2}\hspace{0.15cm} \ge \hspace{0.15cm} {\rm Q} (x) \hspace{0.05cm},$$
  • the  "lower bound"   ⇒   upper   $($German:  "untere"   ⇒   subscript: "u"$)$  blue curve in adjacent graph,  valid for  $x > 1$:
$$ {\rm Q_u}(x)=\frac{\rm 1-{\rm 1}/{\it x^{\rm 2}}}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot x}\cdot \rm e^{-x^{\rm 2}/\rm 2} \hspace{0.15cm} \le \hspace{0.15cm} {\rm Q} (x) \hspace{0.05cm},$$
  • the  "Chernoff-Rubin bound"  $($green curve in the graph, drawn for  $K = 1)$:
$${\rm Q_{CR}}(x)=K \cdot {\rm e}^{-x^{\rm 2}/\rm 2} \hspace{0.15cm} \ge \hspace{0.15cm} {\rm Q} (x) \hspace{0.05cm}.$$

In the exercise it is to be investigated to what extent these bounds can be used as approximations for  ${\rm Q}(x)$  and what corruptions result.



Hints:

  • The exercise provides some important hints for solving  "Exercise 1.16",  in which  ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$  is used to derive the   "Bhattacharyya Bound"  for the AWGN channel.




Questions

1

What values do the upper and lower bounds for  $x = 4$  provide?

${\rm Q_{o}}(x = 4) \ = \ $

$\ \cdot 10^{-5} $
${\rm Q_{u}}(x = 4) \ = \ $

$\ \cdot 10^{-5} $

2

What statements hold for the functions  ${\rm Q_{o}}(x)$  and  ${\rm Q_{u}}(x)$?

For  $x ≥ 2$:  Both bounds are usable.
For  $x < 1$:  ${\rm Q_{u}}(x)$  is unusable   $($because  ${\rm Q_{u}}(x)< 0)$.
For  $x < 1$:  ${\rm Q_{o}}(x)$  is unusable  $($because  ${\rm Q_{o}}(x)> 1)$.

3

By what factor is the Chernoff-Rubin Bound above  ${\rm Q_{o}}(x)$?

${\rm Q}_{\rm CR}(x = 2)/{\rm Q_{o}}(x = 2 ) \ = \ $

${\rm Q}_{\rm CR}(x = 4)/{\rm Q_{o}}(x = 4 ) \ = \ $

${\rm Q}_{\rm CR}(x = 6)/{\rm Q_{o}}(x = 6 ) \ = \ $

4

Determine  $K$  such that  $K \cdot {\rm Q}_{\rm CR}(x)$  is as close as possible to  ${\rm Q}(x)$  and at the same time  ${\rm Q}(x) ≤ K · {\rm Q}_{\rm CR}(x)$  is observed for all  $x > 0$ .

$K \ = \ $


Solution

(1)  The upper bound is:

$${\rm Q_o}(x)=\frac{1}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot x}\cdot {\rm e}^{-x^{\rm 2}/\rm 2} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q_o}(4 )=\frac{1}{\sqrt{\rm 2\pi}\cdot 4}\cdot {\rm e}^{-8 }\hspace{0.15cm}\underline{\approx 3.346 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
  • The lower bound can be converted as follows:
$${\rm Q_u}( x)=(1-1/x^2) \cdot {\rm Q_o}(x) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q_u}(4 ) \hspace{0.15cm}\underline{\approx 3.137 \cdot 10^{-5}} \hspace{0.05cm}.$$
  • The relative deviations from the  actual  value  ${\rm Q}(4) = 3.167 · 10^{–5}$  are  $+5\%$  resp.  $–1\%$.


(2)  Correct are the  solutions 1 and 2:

  • For  $x = 2$,  the actual function value  ${\rm Q}(x) = 2.275 \cdot 10^{-2}$  is bounded by  ${\rm Q_{o}}(x) = 2.7 \cdot 10^{-2}$  and  ${\rm Q_u}(x) = 2.025 \cdot 10^{-2}$, respectively.
  • The relative deviations are therefore  $18.7\%$ resp.  $-11\%,$.
  • The last statement is wrong:   Only for  $x < 0.37$   ⇒   ${\rm Q_o}(x) > 1$  is valid.



(3)  For the quotient of  ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$  and  ${\rm Q_o}(x)$,  according to the given equations:

$$q(x) = \frac{{\rm Q_{CR}}(x)}{{\rm Q_{o}}(x)} = \frac{{\rm exp}(-x^2/2)}{{\rm exp}(-x^2/2)/({\sqrt{2\pi} \cdot x})} = {\sqrt{2\pi} \cdot x}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} q(x) \approx 2.5 \cdot x \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} q(x =2) \hspace{0.15cm}\underline{=5}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}q(x =4)\hspace{0.15cm}\underline{=10}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}q(x =6) \hspace{0.15cm}\underline{=15}\hspace{0.05cm}.$$
  • The larger the abscissa value  $x$  is,  the more inaccurately  ${\rm Q}(x)$  is approximated by  ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$.
  • When looking at the graph in the information section,  I first had the impression that  ${\rm Q}_{\rm CR}(x)$  results from  ${\rm Q}(x)$  by shifting to the right or shifting up. 
  • But this is only an optical illusion and does not correspond to the facts.



(4)  With  $\underline{K = 0.5}$  the new bound  $0.5 \cdot {\rm Q}_{\rm CR}(x)$  for  $x = 0$  agrees exactly with ${\rm Q}(x=0) = 0.500$.

  • For larger abscissa values,  the falsification  $q \approx 1.25 \cdot x$  thus also becomes only half as large.