Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.8Z: Circle (Ring) Area"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Exponentialverteilte Zufallsgrößen
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Exponentially_Distributed_Random_Variables
 
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[[File:P_ID133__Sto_Z_3_8.png|right|]]
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[[File:P_ID133__Sto_Z_3_8.png|right|frame|About the circular ring area]]
:Wir betrachten unterschiedlich große Kreise. Der Radius $r$ und die Fläche $A$ lassen sich als Zufallsgrößen auffassen. Es wird vorausgesetzt, dass der Radius auf den Bereich 6&nbsp;&#8804;&nbsp;<i>r</i>&nbsp;&#8804;&nbsp;8 beschr&auml;nkt ist.
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We consider circles of different sizes:  
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*The radius&nbsp; $r$&nbsp; and the area&nbsp; $A$&nbsp; can be thought of as interdependent random variables.
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*It is assumed that the radius is restricted to the area&nbsp; $6 \le r \le 8$&nbsp; .
  
:Im oberen Bild ist der Bereich, in dem solche Kreise (alle mit Mittelpunkt im Koordinatenursprung) liegen k&ouml;nnen, gelb markiert. Weiterhin kann davon ausgegangen werden, dass der Radius in diesem Intervall gleichverteilt ist:
 
:$$\it f_r(r)=\left\{ \begin{array}{*{4}{c}} 0.5 & \rm f\ddot{u}r\hspace{0.2cm}{\rm 6\le \it r \le \rm 8}, \\\rm 0 & \rm sonst. \end{array} \right.$$
 
  
:Ab der Teilaufgabe (e) werden schmale Kreisringe mit dem Mittelradius <i>r</i> und der Breite <i>b</i> betrachtet (unteres Bild). Die Fl&auml;che eines solchen Kreisrings wird mit <i>R</i> bezeichnet. Die m&ouml;glichen Mittelradien <i>r</i> seien wieder gleichverteilt zwischen 6 und 8, und die Kreisringbreite beträgt <i>b</i> = 0.1.
+
In the sketch above,&nbsp; the area in which such circles&nbsp; $($all with center at coordinate origin$)$&nbsp; can lie is marked in yellow.&nbsp; Furthermore,&nbsp; it can be assumed that the radius in this interval is uniformly distributed:
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:$$f_r(r)=\left\{ \begin{array}{*{4}{c}} 0.5 & \rm for\hspace{0.2cm}{\rm 6\le \it r \le \rm 8}, \\\rm 0 & \rm else. \end{array} \right.$$
  
:&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
 
  
:<b>Hinweis:</b> Die Aufgabe bezieht sich auf die Theorieseite Transformation von Zufallsgr&ouml;&szlig;en im Kapitel 3.6.
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From subtask&nbsp; '''(5)'''&nbsp; narrow circular rings with center radius&nbsp; $r$&nbsp; and width&nbsp; $b$&nbsp; are considered&nbsp; $($lower sketch$)$:  
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*The area of such a circular ring is denoted by&nbsp; $R$.
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*The possible center radii&nbsp; $r$&nbsp; are again uniformly distributed between&nbsp; $6$&nbsp; and&nbsp; $8$.
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*The circular ring width is&nbsp; $b = 0.1$.
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Exponentially_Distributed_Random_Variables|Exponentially distributed random variables]].
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*In particular, reference is made to the page&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Exponentially_Distributed_Random_Variables#Transformation_of_random_variables|Transformation of random variables]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Geben Sie die Transformationskennlinie <i>A</i> = <i>g</i>(<i>r</i>) analytisch an. Wie gro&szlig; ist der Minimalwert der Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>A</i>?
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{Give the transformation characteristic curve&nbsp; $A = g(r)$&nbsp; analytically.&nbsp; What is the minimum value of the random variable $A$?
 
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$A_\text{min}$ = { 113.09 3% }
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$A_\text{min} \ = \ $ { 113.09 3% }
  
  
{Wie gro&szlig; ist der Maximalwert der Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>A</i>?
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{What is the maximum value of the random variable $A$?
 
|type="{}"}
 
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$A_\text{max}$ = { 201.06 3% }
+
$A_\text{max} \ = \ $ { 201.06 3% }
  
  
{Welcher Wert <i>m</i><sub>A</sub> = <i>E</i>[<i>A</i>] ergibt sich f&uuml;r die &bdquo;mittlere&rdquo; Kreisfl&auml;che?
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{What value&nbsp; $m_{A} = {\rm E}\big[A\big]$&nbsp; results for the&nbsp; "mean"&nbsp; circular area?
 
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|type="{}"}
$m_A$ = { 154.98 3% }
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$m_{ A} \ = \ $ { 154.98 3% }
  
  
{Berechnen Sie die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>A</i>. Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Fl&auml;che <i>A</i> gr&ouml;&szlig;er als 150 ist?
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{Calculate the probability density function of the random variable $A$.&nbsp; What is the probability that the area&nbsp; $A> 150$&nbsp;?
 
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$Pr(A > 150)$ = { 0.545 3% }
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${\rm Pr}(A > 150) \ = \ $ { 54.5 3% } $\ \%$
  
  
{Welche WDF besitzt die Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>R</i> (Fl&auml;che der Kreisringe gemäß der unteren Skizze)? Wie groß ist deren Minimalwert? Es gelte <i>b</i> = 0.1.
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{What is the PDF of the random variable&nbsp; $R$&nbsp; $($area of the circular rings according to the sketch below$)$?&nbsp; What is its minimum value?&nbsp; Let&nbsp; $b = 0.1$.
 
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$b=0.1:\ R_\text{min}$ = { 3.77 3% }
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$R_\text{min} \ = \ $ { 3.77 3% }
  
  
{Welchen Maximalwert besitzt die Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>R</i>?
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{It continues to apply&nbsp; $b = 0.1$.&nbsp; What is the maximum value of the random variable&nbsp; $R$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$b=0.1:\ R_\text{max}$ = { 5.03 3% }
+
$R_\text{max} \ = \ $ { 5.03 3% }
  
  
{Wie groß ist der Erwartungswert der Zufallsgröße <i>R</i>?
+
{What is the expected value of the random variable&nbsp; $R$&nbsp; for&nbsp; $b = 0.1$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$b=0.1:\ E[R]$ = { 4.4 3% }
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${\rm E}\big[R\big] \ = \ $ { 4.4 3% }
 
 
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Die Gleichung der Kreisfl&auml;che ist gleichzeitig die Transformationskennlinie: <i>A</i> = &pi; &middot; <i>r</i><sup>2</sup>. Daraus ergibt sich mit <i>r</i> = 6 f&uuml;r den Minimalwert: &nbsp; <i>A</i><sub>min</sub> <u>= 113.09</u>.
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'''(1)'''&nbsp; The equation of the circular area is at the same time the transformation characteristic: &nbsp; $A = \pi \cdot r^2$.
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*From this,&nbsp; with&nbsp; $r = 6$&nbsp; for the minimum value: &nbsp;  
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:$$A_\text{min} \hspace{0.15cm}\underline {= 113.09}.$$
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'''(2)'''&nbsp; Correspondingly,&nbsp; with&nbsp; $r = 8$&nbsp; for the maximum value: &nbsp;
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:$$A_\text{max} \hspace{0.15cm}\underline {= 201.06}.$$
  
:<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Entsprechend gilt mit <i>r</i> = 8 f&uuml;r den Maximalwert:
 
:&nbsp; <i>A</i><sub>max</sub> <u>= 201.06</u>.
 
  
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Am einfachsten l&ouml;st man diese Aufgabe wie folgt:
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'''(3)'''&nbsp; The simplest way to solve this problem is as follows:
:$$m_{A}=\rm E[\it A]=\rm E[\it g(r)]=\int\limits_{\rm -\infty}^{\rm +\infty}g(r)\cdot f_r(r)dr.$$
+
:$$m_{\rm A}={\rm E}\big[A\big]={\rm E}\big[g(r)\big]=\int_{ -\infty}^{+\infty}g(r)\cdot f_r(r) {\rm d}r.$$
  
:Mit <i>g</i>(<i>r</i>) = &pi; &middot; <i>r</i><sup>2 </sup>und <i>f<sub>r</sub></i>(<i>r</i>)  = 1/2 im Bereich von 6 ... 8 erh&auml;lt man:
+
*With&nbsp; $g(r) = \pi \cdot r^2$&nbsp; and&nbsp; $f_r(r) = 1/2$&nbsp; in the range of&nbsp; $6$ ... $8$&nbsp; obtains:
:$$m_{A}=\int_{\rm 6}^{\rm 8}\frac{\rm 1}{\rm 2}\cdot\pi\cdot r^{\rm 2}\, \rm d \it r=\frac{\pi}{\rm 6}\cdot(\rm 8^3-6^3)
+
:$$m_{\rm A}=\int_{\rm 6}^{\rm 8}1/2 \cdot\pi\cdot r^{\rm 2}\, {\rm d} \it r=\frac{\pi}{\rm 6}\cdot \rm ( 8^3-6^3)
 
\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 154.98}.$$
 
\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 154.98}.$$
  
:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Die WDF der transformierten Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>A</i> lautet:
 
:$$f_A(A)=\frac{f_r(r)}{|g'(r)|}\Bigg|_{r=h(y) = \sqrt{A/ \pi }}.$$
 
  
:Im Bereich zwischen 113.09 und 201.06 (siehe Teilaufgaben a und b) gilt dann:
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'''(4)'''&nbsp; The PDF of the transformed random variable&nbsp; $A$&nbsp; is:
 +
:$$f_A(A)=\frac{f_r(r)}{|g\hspace{0.05cm}'(r)|}\Bigg|_{r=h(y) = \sqrt{A/ \pi }}.$$
 +
 
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*In the range between&nbsp; $A_\text{min} {= 113.09}$&nbsp; and&nbsp; $A_\text{max} {= 201.06}$&nbsp; then holds:
 
:$$f_A(A)=\frac{\rm 1/2}{\rm 2\cdot \pi\cdot\it r}\Bigg|_{\it r=\sqrt{\it A/\rm \pi}}=\frac{\rm 1}{\rm 4\cdot\sqrt{\it A\cdot\rm \pi}}.$$
 
:$$f_A(A)=\frac{\rm 1/2}{\rm 2\cdot \pi\cdot\it r}\Bigg|_{\it r=\sqrt{\it A/\rm \pi}}=\frac{\rm 1}{\rm 4\cdot\sqrt{\it A\cdot\rm \pi}}.$$
  
:Die gesuchte Wahrscheinlichkeit erh&auml;lt man durch Integration:  
+
*The probability we are looking for is obtained by integration:  
:$$\rm Pr(\it A> \rm 150)=\int_{\rm 150}^{\it A_{\rm max}}\frac{\rm 1}{\rm 4\cdot\sqrt{\it A\cdot\rm \pi}} \; \rm d \it A= \frac{\rm 2\cdot\sqrt{\it A}}{\rm 4\cdot\sqrt{\pi}}\Big|_{\rm 150}^{\it A_{\rm max}}.$$
+
:$${\rm Pr}(A> 150)=\int_{\rm 150}^{\it A_{\rm max}}\frac{\rm 1}{\rm 4\cdot\sqrt{\it A\cdot\rm \pi}} \; \rm d \it A= \frac{\rm 2\cdot\sqrt{\it A}}{\rm 4\cdot\sqrt{\pi}}\Big|_{\rm 150}^{\it A_{\rm max}}.$$
  
:Die obere Integrationsgrenze liefert den Wert 4 und die untere Grenze 3.455. Daraus ergibt sich die gesuchte Wahrscheinlichkeit zu <u>0.545</u>.
+
*The upper limit of integration yields the value&nbsp; $4$&nbsp; and the lower limit&nbsp; $3.455$.&nbsp; This yields the probability we are looking for:
 +
:$${\rm Pr}(A> 150) \hspace{0.15cm}\underline {=54.5\%}.$$
  
:<b>5.</b>&nbsp;&nbsp;F&uuml;r die Kreisringfl&auml;che <i>R</i> gilt bei gegebenem Radius <i>r</i>:
 
:$$R=\left (r+{b}/{\rm 2} \right)^{\rm 2}\cdot \rm\pi-\left (r-{\it b}/{\rm 2} \right)^{\rm 2}\cdot \rm\pi= \rm2\cdot\pi\cdot\it r \cdot b.$$
 
  
:Zwischen <i>R</i> und <i>r</i> besteht also ein linearer Zusammenhang. &nbsp;&#8658;&nbsp; <i>R</i> ist ebenfalls gleichverteilt und zwar unabh&auml;ngig von der Breite <i>b</i>, solange <i>b</i> sehr viel kleiner als <i>r</i> ist. F&uuml;r den Minimalwert gilt:
+
'''(5)'''&nbsp; For the circular ring area&nbsp; $R$&nbsp; holds for a given radius&nbsp; $r$:
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:$$R=\left (r+{b}/{\rm 2} \right)^{\rm 2}\cdot \rm\pi-\left ({\it r}-{\it b}/{\rm 2} \right)^{\rm 2}\cdot \rm\pi= \rm2\cdot\pi\cdot\it r \cdot b.$$
 +
 
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*There is thus a linear relationship between&nbsp; $R$&nbsp; and&nbsp; $r$&nbsp; .
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*That is:&nbsp; $R$&nbsp; is also uniformly distributed independently of the width&nbsp; $b$&nbsp; as long as&nbsp; $b \ll r$.  
 +
*For the minimum value holds:
 
:$$R_{\rm min}=\rm 2\pi\cdot 6\cdot 0.1\hspace{0.15cm}\underline{\approx3.77}. $$
 
:$$R_{\rm min}=\rm 2\pi\cdot 6\cdot 0.1\hspace{0.15cm}\underline{\approx3.77}. $$
  
:<b>6.</b>&nbsp;&nbsp;Entsprechend ist der Maximalwert:
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'''(6)'''&nbsp; Accordingly,&nbsp; the maximum value is:
 
:$$R_{\rm max}=\rm 2\pi\cdot 8\cdot 0.1\hspace{0.15cm}\underline{\approx 5.03}.$$
 
:$$R_{\rm max}=\rm 2\pi\cdot 8\cdot 0.1\hspace{0.15cm}\underline{\approx 5.03}.$$
  
:<b>7.</b>&nbsp;&nbsp;Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen der Kreisringfl&auml;che <i>R</i> und des Radius <i>r</i> führt der mittlere Radius <i>r</i> = 7 auch zur mittleren Kreisringfl&auml;che:
 
:$$\rm E[R]=\rm 2\pi\cdot 7\cdot 0.1\hspace{0.15cm}\underline{\approx 4.4}.$$
 
  
 +
'''(7)'''&nbsp; Due to the linear relationship between&nbsp; $R$&nbsp; and&nbsp; $r$&nbsp; the mean radius&nbsp; $r = 7$&nbsp; also leads to the mean circular ring area:
 +
:$${\rm E}\big[R\big]=\rm 2\pi\cdot 7\cdot 0.1\hspace{0.15cm}\underline{\approx 4.4}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^3.6 Exponentialverteilte Zufallsgrößen^]]
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[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^3.6 Exponentially Distributed Random Variables^]]

Latest revision as of 16:03, 2 February 2022

About the circular ring area

We consider circles of different sizes:

  • The radius  $r$  and the area  $A$  can be thought of as interdependent random variables.
  • It is assumed that the radius is restricted to the area  $6 \le r \le 8$  .


In the sketch above,  the area in which such circles  $($all with center at coordinate origin$)$  can lie is marked in yellow.  Furthermore,  it can be assumed that the radius in this interval is uniformly distributed:

$$f_r(r)=\left\{ \begin{array}{*{4}{c}} 0.5 & \rm for\hspace{0.2cm}{\rm 6\le \it r \le \rm 8}, \\\rm 0 & \rm else. \end{array} \right.$$


From subtask  (5)  narrow circular rings with center radius  $r$  and width  $b$  are considered  $($lower sketch$)$:

  • The area of such a circular ring is denoted by  $R$.
  • The possible center radii  $r$  are again uniformly distributed between  $6$  and  $8$.
  • The circular ring width is  $b = 0.1$.



Hints:



Questions

1

Give the transformation characteristic curve  $A = g(r)$  analytically.  What is the minimum value of the random variable $A$?

$A_\text{min} \ = \ $

2

What is the maximum value of the random variable $A$?

$A_\text{max} \ = \ $

3

What value  $m_{A} = {\rm E}\big[A\big]$  results for the  "mean"  circular area?

$m_{ A} \ = \ $

4

Calculate the probability density function of the random variable $A$.  What is the probability that the area  $A> 150$ ?

${\rm Pr}(A > 150) \ = \ $

$\ \%$

5

What is the PDF of the random variable  $R$  $($area of the circular rings according to the sketch below$)$?  What is its minimum value?  Let  $b = 0.1$.

$R_\text{min} \ = \ $

6

It continues to apply  $b = 0.1$.  What is the maximum value of the random variable  $R$?

$R_\text{max} \ = \ $

7

What is the expected value of the random variable  $R$  for  $b = 0.1$?

${\rm E}\big[R\big] \ = \ $


Solution

(1)  The equation of the circular area is at the same time the transformation characteristic:   $A = \pi \cdot r^2$.

  • From this,  with  $r = 6$  for the minimum value:  
$$A_\text{min} \hspace{0.15cm}\underline {= 113.09}.$$


(2)  Correspondingly,  with  $r = 8$  for the maximum value:  

$$A_\text{max} \hspace{0.15cm}\underline {= 201.06}.$$


(3)  The simplest way to solve this problem is as follows:

$$m_{\rm A}={\rm E}\big[A\big]={\rm E}\big[g(r)\big]=\int_{ -\infty}^{+\infty}g(r)\cdot f_r(r) {\rm d}r.$$
  • With  $g(r) = \pi \cdot r^2$  and  $f_r(r) = 1/2$  in the range of  $6$ ... $8$  obtains:
$$m_{\rm A}=\int_{\rm 6}^{\rm 8}1/2 \cdot\pi\cdot r^{\rm 2}\, {\rm d} \it r=\frac{\pi}{\rm 6}\cdot \rm ( 8^3-6^3) \hspace{0.15cm}\underline{=\rm 154.98}.$$


(4)  The PDF of the transformed random variable  $A$  is:

$$f_A(A)=\frac{f_r(r)}{|g\hspace{0.05cm}'(r)|}\Bigg|_{r=h(y) = \sqrt{A/ \pi }}.$$
  • In the range between  $A_\text{min} {= 113.09}$  and  $A_\text{max} {= 201.06}$  then holds:
$$f_A(A)=\frac{\rm 1/2}{\rm 2\cdot \pi\cdot\it r}\Bigg|_{\it r=\sqrt{\it A/\rm \pi}}=\frac{\rm 1}{\rm 4\cdot\sqrt{\it A\cdot\rm \pi}}.$$
  • The probability we are looking for is obtained by integration:
$${\rm Pr}(A> 150)=\int_{\rm 150}^{\it A_{\rm max}}\frac{\rm 1}{\rm 4\cdot\sqrt{\it A\cdot\rm \pi}} \; \rm d \it A= \frac{\rm 2\cdot\sqrt{\it A}}{\rm 4\cdot\sqrt{\pi}}\Big|_{\rm 150}^{\it A_{\rm max}}.$$
  • The upper limit of integration yields the value  $4$  and the lower limit  $3.455$.  This yields the probability we are looking for:
$${\rm Pr}(A> 150) \hspace{0.15cm}\underline {=54.5\%}.$$


(5)  For the circular ring area  $R$  holds for a given radius  $r$:

$$R=\left (r+{b}/{\rm 2} \right)^{\rm 2}\cdot \rm\pi-\left ({\it r}-{\it b}/{\rm 2} \right)^{\rm 2}\cdot \rm\pi= \rm2\cdot\pi\cdot\it r \cdot b.$$
  • There is thus a linear relationship between  $R$  and  $r$  .
  • That is:  $R$  is also uniformly distributed independently of the width  $b$  as long as  $b \ll r$.
  • For the minimum value holds:
$$R_{\rm min}=\rm 2\pi\cdot 6\cdot 0.1\hspace{0.15cm}\underline{\approx3.77}. $$


(6)  Accordingly,  the maximum value is:

$$R_{\rm max}=\rm 2\pi\cdot 8\cdot 0.1\hspace{0.15cm}\underline{\approx 5.03}.$$


(7)  Due to the linear relationship between  $R$  and  $r$  the mean radius  $r = 7$  also leads to the mean circular ring area:

$${\rm E}\big[R\big]=\rm 2\pi\cdot 7\cdot 0.1\hspace{0.15cm}\underline{\approx 4.4}.$$