Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.2Z: Discrete Random Variables"

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[[File:P_ID84__Sto_Z_2_2.png|right|frame|Verschiedene  Rechtecksignale]]
 
Gegeben seien drei diskrete Zufallsgrößen  $a$,  $b$  und  $c$,  die als die Momentanwerte der dargestellten Signale definiert seien.  Diese besitzen folgende Eigenschaften:
 
  
*Die Zufallsgröße  $a$  kann die Werte  $+1$  und  $-1$  mit gleicher Wahrscheinlichkeit annehmen.
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[[File:P_ID84__Sto_Z_2_2.png|right|frame|Different rectangular signals]]
*Auch die Zufallsgröße  $b$  ist zweipunktverteilt, aber  mit  ${\rm Pr}(b = 1) = p$  und  ${\rm Pr}(b = 0) = 1 - p$.
 
*Die Wahrscheinlichkeiten von  $c$  seien  ${\rm Pr}(c = 0) = 1/2$  und  ${\rm Pr}(c = +1) = Pr(c = -1) =1/4$.
 
*Zwischen den drei Zufallsgrößen  $a$,  $b$  und  $c$  bestehen keine statistischen Abhängigkeiten.
 
*Aus den Zufallsgrößen  $a$,  $b$  und  $c$  wird eine weitere Zufallsvariable  $d=a-2 b+c$   gebildet.
 
 
 
 
 
Die Grafik zeigt Ausschnitte dieser vier Zufallsgrößen.  Es ist zu erkennen, dass  $d$  alle ganzzahligen Werte zwischen  $-4$  und  $+2$  annehmen kann.
 
 
 
 
 
[[File:P_ID84__Sto_Z_2_2.png|right|frame|Discrete rectangular signals]]
 
 
Let be given three discrete random variables  $a$,  $b$  and  $c$,  which are defined as the current values of the represented signals.  These have the following properties:
 
Let be given three discrete random variables  $a$,  $b$  and  $c$,  which are defined as the current values of the represented signals.  These have the following properties:
  
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''Hinweise:''
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Hints:
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Momente_einer_diskreten_Zufallsgröße|Momente einer diskreten Zufallsgröße]].
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*The exercise belongs to the chapter  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Momente_einer_diskreten_Zufallsgröße|Moments of a Discrete Random Variable]].
 
   
 
   
*Eine Zusammenfassung der Theamatik bietet das Lernvideo  [[Momentenberechnung_bei_diskreten_Zufallsgrößen_(Lernvideo)|Momentenberechnung bei diskreten Zufallsgrößen]].
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**The topic of this chapter is illustrated with examples in the&nbsp;  (German language)&nbsp; learning video<br> [[Momentenberechnung_bei_diskreten_Zufallsgrößen_(Lernvideo)|Momentenberechnung bei diskreten Zufallsgrößen]]&nbsp; $\Rightarrow$ &nbsp; Calculating Moments for Discrete-Valued Random Variables
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie gro&szlig; ist die Streuung &nbsp;(Standardabweichung)&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $a$?
+
 
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{What is the dispersion (standard deviation) of the random variable $a$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\sigma_a \ = \ $ { 1 3% }
+
$\sigma_a \ = \ $ { 1 3% }
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Streuung der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $b$?&nbsp; Setzen Sie&nbsp; $p = 0.25$.
+
{What is the dispersion of the random variable&nbsp; $b$?&nbsp; Set&nbsp; $p = 0.25$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\sigma_b \ = \ $ { 0.433 3% }
 
$\sigma_b \ = \ $ { 0.433 3% }
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Streuung der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $c$?
+
{What is the spread of the random variable $c$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\sigma_c \ = \ $ { 0.707 3% }
 
$\sigma_c \ = \ $ { 0.707 3% }
  
  
{Berechnen Sie den Mittelwert&nbsp; $m_d$&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $d$&nbsp; f&uuml;r $p = 0.25$.
+
{Calculate the mean&nbsp; $m_d$&nbsp; of the random variable&nbsp; $d$&nbsp; for $p = 0.25$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$m_d\ = \ $ { -0.515--0.485 }
 
$m_d\ = \ $ { -0.515--0.485 }
  
  
{Wie groß ist der quadratische Mittelwert&nbsp; $m_{2d}$&nbsp; dieser Zufallsgr&ouml;&szlig;e?
+
{What is the root mean square value&nbsp; $m_{2d}$&nbsp; of this random variable?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$m_{2d}\ = \ $ { 2.5 3% }
 
$m_{2d}\ = \ $ { 2.5 3% }
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Streuung&nbsp; $\sigma_d$?
+
{What is the dispersion&nbsp; $\sigma_d$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\sigma_d\ = \ $ { 1.5 3% }
 
$\sigma_d\ = \ $ { 1.5 3% }
  
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</quiz>
  
</quiz>
 
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
 
'''(1)'''&nbsp; Aufgrund der Symmetrie gilt:
 
'''(1)'''&nbsp; Aufgrund der Symmetrie gilt:

Revision as of 22:25, 3 December 2021


Different rectangular signals

Let be given three discrete random variables  $a$,  $b$  and  $c$,  which are defined as the current values of the represented signals.  These have the following properties:

  • The random variable  $a$  can take the values  $+1$  and  $-1$  with equal probability.
  • The random variable  $b$  is also two-point distributed, but with  ${\rm Pr}(b = 1) = p$  and  ${\rm Pr}(b = 0) = 1 - p$.
  • The probabilities of  $c$  be  ${\rm Pr}(c = 0) = 1/2$  and  ${\rm Pr}(c = +1) = Pr(c = -1) =1/4$.
  • There are no statistical dependencies between the three random variables  $a$,  $b$  and  $c$  .
  • Another random variable  $d=a$,  $b$  and  $c$  is formed from the random variables  $d=a-2 b+c$ .


The graph shows sections of these four random variables.  It can be seen that  $d$  can take all integer values between  $-4$  and  $+2$ .




Hints:


Questions

1

What is the dispersion (standard deviation) of the random variable $a$?

$\sigma_a \ = \ $

2

What is the dispersion of the random variable  $b$?  Set  $p = 0.25$.

$\sigma_b \ = \ $

3

What is the spread of the random variable $c$?

$\sigma_c \ = \ $

4

Calculate the mean  $m_d$  of the random variable  $d$  for $p = 0.25$.

$m_d\ = \ $

5

What is the root mean square value  $m_{2d}$  of this random variable?

$m_{2d}\ = \ $

6

What is the dispersion  $\sigma_d$?

$\sigma_d\ = \ $


Solution

(1)  Aufgrund der Symmetrie gilt:

$$\rm \it m_{\it a}=\rm 0; \hspace{0.5cm}\it m_{\rm 2\it a}=\rm 0.5\cdot (-1)^2 + 0.5\cdot (1)^2{ = 1}.$$
  • Daraus erhält man mit dem Satz von Steiner:
$$\it\sigma_a^{\rm 2} = \rm\sqrt{1-0^2}=1 \hspace{0.5cm}bzw. \hspace{0.5cm}\it\sigma_a\hspace{0.15cm} \underline{=\rm 1}.$$


(2)  Allgemein gilt für das Moment  $k$–ter Ordnung:

$$ m_{k}=(1-p)\cdot 0^{ k} + p\cdot 1^{k}= p.$$
  • Daraus folgt mit  $p = 1/4$:
$$m_{b}= m_{2b}= p, \hspace{0.5cm} \sigma_{\it b}=\sqrt{p\cdot (1- p)}\hspace{0.15cm} \underline{=\rm 0.433} .$$


(3)  Für die Zufallsgröße  $c$  gilt:

$$m_{\it c} = 0\hspace{0.3cm} ({\rm symmetrisch\hspace{0.1cm}um\hspace{0.1cm}0)},$$
$$ m_{2\it c}= {1}/{4}\cdot(-1)^2+{1}/{2}\cdot 0^2+{1}/{4}\cdot (1)^2={1}/{2} \hspace{0.5cm}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.5cm}\sigma_{\it c}=\rm \sqrt{1/2}\hspace{0.15cm} \underline{=0.707}.$$


(4)  Nach den allgemeinen Regeln für Erwartungswerte gilt mit  $p = 0.25$:

$$m_{\it d} = {\rm E}\big[a-2 b+c\big]= {\rm E}\big[a\big] \hspace{0.1cm} -\hspace{0.1cm}\rm 2 \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} {\rm E}\big[ b\big]\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} {\rm E}\big[ c\big] = m_{ a}\hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}2\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} m_{\it b}\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} m_{\it c} = 0-2\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} p + 0 \hspace{0.15cm} \underline{= -0.5}.$$


(5)  Analog zur Teilaufgabe  (4)  erhält man für den quadratischen Mittelwert:

$$m_{2d}= {\rm E}\big[( a-2b+c)^{\rm 2}\big] = {\rm E}\big[a^{\rm 2}\big]\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}4\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} {\rm E}\big[ b^{\rm 2}\big]\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} {\rm E}\big[c^{\rm 2}\big]\hspace{0.1cm} - \hspace{0.1cm}4\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} {\rm E}\big[a\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}b\big]\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm} 2\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}{\rm E}\big[ a\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}c\big]\hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm} 4\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}{\rm E}\big[ b\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}c\big].$$
  • Da aber  $a$  und  $b$  statistisch voneinander unabhängig sind,  gilt auch:
$${\rm E}\big[a\cdot b\big] = {\rm E}\big[ a\big] \cdot {\rm E}\big[ b\big]= m_{ a}\cdot m_{ b} = 0, \hspace{0.2cm} {\rm da}\hspace{0.2cm} m_{ a}=\rm 0.$$
  • Gleiches gilt für die anderen gemischten Terme.  Daher erhält man mit  $p = 0.25$:
$$ m_{2 d}=m_{2 a}+4\cdot m_{ 2 b}+m_{ 2 c}=1+4\cdot p+0.5\hspace{0.15cm} \underline{=\rm 2.5}.$$


(6)  Für allgemeines  $p$  bzw.  für  $p = 0.25$  ergibt sich:

$$\sigma_{\it d}^{\rm 2}=1.5+4\cdot p - 4 \cdot p^{\rm 2}=2.25 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} \sigma_{d}\hspace{0.15cm} \underline{=\rm 1.5}.$$
  • Die maximale Varianz ergäbe sich für  $p = 0.50$   zu  $\sigma_{\it d}^{\rm 2}=2.50$.