Difference between revisions of "Theory of Stochastic Signals/Cumulative Distribution Function"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Kontinuierliche Zufallsgrößen
+
|Untermenü=Continuous Random Variables
|Vorherige Seite=Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF)
+
|Vorherige Seite=Probability Density Function
|Nächste Seite=Erwartungswerte und Momente
+
|Nächste Seite=Expected Values and Moments
 
}}
 
}}
==Zusammenhang zwischen WDF und VTF==
+
==Relationship between PDF and CDF==
Zur Beschreibung von Zufallsgrößen wird neben der [[Stochastische_Signaltheorie/Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion_(WDF)|Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion]] (WDF) auch häufig die Verteilungsfunktion (VTF) herangezogen, die wie folgt definiert ist:  
+
<br>
 +
To describe random variables,&nbsp; in addition to the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Probability_Density_Function|&raquo;probability density function&raquo;]]&nbsp; $\rm (PDF)$,&nbsp; we use the&nbsp; &raquo;cumulative distribution function&laquo;&nbsp; $\rm (CDF)$&nbsp; which is defined as follows:  
  
{{Definition}}
+
{{BlaueBox|TEXT= 
Die '''Verteilungsfunktion''' $F_{\rm x}(r)$ entspricht der Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsgröße $x$ kleiner oder gleich einem reellen Zahlenwert $r$ ist:  
+
$\text{Definition:}$&nbsp; The&nbsp; &raquo;'''cumulative distribution function'''&laquo;&nbsp; $F_{x}(r)$&nbsp; corresponds to the probability that the random variable&nbsp; $x$&nbsp; is less than or equal to a real number&nbsp; $r$:  
$$F_{x}(r) = {\rm Pr}( x \le r).$$
+
:$$F_{x}(r) = {\rm Pr}( x \le r).$$}}
  
Die englische Bezeichnung für die Verteilungsfunktion (VTF) ist ''Cumulative Distribution Function'' (CDF).
 
{{end}}
 
  
 
+
For a value-continuous random variable,&nbsp; the following statements are possible regarding the CDF:  
Bei einer kontinuierlichen Zufallsgröße sind bezüglich der VTF folgende Aussagen möglich:  
+
*The CDF is computable from the probability density function&nbsp; $f_{x}(x)$&nbsp; by integration.&nbsp; It holds:  
*Die Verteilungsfunktion ist aus der WDF $f_{x}(x)$ durch Integration berechenbar. Es gilt:  
 
 
:$$F_{x}(r) = \int_{-\infty}^{r}f_x(x)\,{\rm d}x.$$
 
:$$F_{x}(r) = \int_{-\infty}^{r}f_x(x)\,{\rm d}x.$$
*Da die WDF nie negativ ist, steigt $F_{x}(r)$ zumindest schwach monoton an, und liegt stets zwischen den beiden Grenzwerten $F_{x}(r → \hspace{0.05cm} \hspace{0.05cm} ∞) = 0$ und $F_{x}(r → +∞) = 1$.
+
*Since the PDF is never negative,&nbsp; $F_{x}(r)$&nbsp; increases at least weakly monotonically,&nbsp; and the function always lies between the following limits:
*Umgekehrt lässt sich die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion aus der Verteilungsfunktion durch Differentiation bestimmen:  
+
:$$F_{x}(r → \hspace{0.05cm} - \hspace{0.05cm} ∞) = 0, \hspace{0.5cm}F_{x}(r → +∞) = 1.$$  
$$f_{x}(x)=\frac{{\rm d} F_{x}(r)}{{\rm d} r}\Bigg |_{\hspace{0.1cm}r=x}.$$
+
*Inversely,&nbsp; the probability density function can be determined from the CDF by differentiation:  
:Der Zusatz $„r = x”$ macht deutlich, dass bei unserer Nomenklatur das Argument der WDF die Zufallsgröße selbst ist, während das VTF–Argument eine beliebige reelle Variable $r$ ist.
+
:$$f_{x}(x)=\frac{{\rm d} F_{x}(r)}{{\rm d} r}\Bigg |_{\hspace{0.1cm}r=x}.$$
 +
:The addition&nbsp; &raquo;$r = x$&laquo;&nbsp; makes it clear that in our nomenclature the PDF argument is the random variable&nbsp; $x$&nbsp; itself, while the CDF argument specifies any real variable&nbsp; $r$&nbsp;.
  
  
''Hinweise zur Nomenklatur:''
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Notes on nomenclature:}$&nbsp; If in the definitions of&nbsp; $\rm PDF$&nbsp; and&nbsp; $\rm CDF$&nbsp; we had distinguished
 +
*between the random variable&nbsp; $X$&nbsp;
 
   
 
   
Hätten wir wie bei WDF und VTF zwischen Zufallsgröße $X$ und Realisierungen $x ∈ X$ unterschieden  $f_{X}(x), F_{X}(x),$ so ergäbe sich folgende Nomenklatur:
+
*and the realizations&nbsp; $x ∈ X$&nbsp; &nbsp; &nbsp; $f_{X}(x), F_{X}(x)$,  
$$F_{X}(x) = {\rm Pr}(X \le x) = \int_{-\infty}^{x}f_{x}(\xi)\,{\rm d}\xi.$$
 
  
Leider haben wir uns zu Beginn unseres LNTwww–Projektes (2001) für diese Nomenklatur entschieden, was nun (2017) nicht mehr zu ändern ist, auch im Hinblick auf die realisierten Lernvideos. Wir bleiben also bei $f_{x}(x)$ anstelle von $f_{X}(x)$ sowie $F_{x}(r)$ anstelle von $F_{X}(x).$
 
  
==Verteilungsfunktion bei kontinuierlichen Zufallsgrößen==
+
we would have the following nomenclature:
Die im letzten Abschnitt angegebenen Gleichungen gelten nur für kontinuierliche Zufallsgrößen und sollen hier durch ein Beispiel verdeutlicht werden. Im nächsten Abschnitt wird gezeigt, dass für [[Stochastische_Signaltheorie/Verteilungsfunktion#Verteilungsfunktion_bei_diskreten_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|diskrete Zufallsgrößen]] die Gleichungen etwas modifiziert werden müssen.
+
:$$F_{X}(x) = {\rm Pr}(X \le x) = \int_{-\infty}^{x}f_{x}(\xi)\,{\rm d}\xi.$$
  
 +
Unfortunately,&nbsp; at the beginning of our&nbsp; $\rm LNTwww$ project&nbsp; $(2001)$&nbsp; we decided to use our nomenclature for quite legitimate reasons,&nbsp; which now&nbsp; $(2017)$&nbsp; cannot be changed,&nbsp; also with regard to the realized learning videos. &nbsp; '''So we stick with&nbsp; $f_{x}(x)$&nbsp; instead of&nbsp; $f_{X}(x)$&nbsp; as well as&nbsp; $F_{x}(r)$&nbsp; instead of&nbsp; $F_{X}(x).$}}
  
{{Beispiel}}
+
==CDF for value-continuous random variables==
Das linke Bild zeigt das Foto ''Lena,'' das häufig als Testvorlage für Bildcodierverfahren dient.
+
<br>
*Wird dieses Bild in 256 × 256 Bildpunkte (Pixel) unterteilt, und ermittelt man für jedes einzelne Pixel die Helligkeit, so erhält man eine Folge $〈x_ν〉$ von Grauwerten, deren Länge $N = 256^2 = 65536$ beträgt.
+
The equations given in the last section apply only to value-continuous random variables and will be illustrated here by an example.&nbsp; In the next section it will be shown that for&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Cumulative_Distribution_Function#CDF_for_value-discrete_random_variables|&raquo;value-discrete random variables&laquo;]]&nbsp; the equations must be modified somewhat.
*Der Grauwert $x$ ist dabei eine wertkontinuierliche Zufallsgröße, wobei die Zuordnung zu Zahlenwerten willkürlich erfolgt. Beispielsweise sei „Schwarz” durch den Wert $x = 0$  und „Weiß” durch $x = 1$ charakterisiert. Der Zahlenwert $x =0.5$ kennzeichnet dann eine mittlere Graufärbung.  
 
  
[[File:P_ID617__Sto_T_3_2_S1b_neu.png | WDF und VTF eines wertkontinuierlichen Bildes]]
+
{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 1:}$&nbsp; The left image shows the photo&nbsp; &raquo;Lena&laquo;,&nbsp; which is often used as a test template for image coding procedures.
 +
[[File:P_ID617__Sto_T_3_2_S1b_neu.png |right|frame| PDF and CDF of a value-continuous image]]
 +
 +
*If this image is divided into&nbsp; $256 × 256$&nbsp; pixels,&nbsp;  and the brightness is determined for each pixel,&nbsp; a sequence&nbsp; $〈x_ν〉$&nbsp; of gray values is obtained whose length&nbsp; $N = 256^2 = 65\hspace{0.06cm}536$.
  
Im mittleren Bild ist die WDF $f_{x}(x)$ dargestellt, die in der Literatur auch oft als ''Grauwertstatistik'' bezeichnet wird.  
+
*The gray value&nbsp; $x$&nbsp; is a value-continuous random variable,&nbsp; where the assignment to numerical values is arbitrary.&nbsp; For example,&nbsp; let&nbsp; &raquo;black&laquo;&nbsp; be characterized by&nbsp; $x = 0$&nbsp; and&nbsp; &raquo;white&laquo;&nbsp; by&nbsp; $x = 1$:&nbsp; The value&nbsp; $x =0.5$&nbsp; then characterizes a medium gray coloration.
*Es ist ersichtlich, dass im Originalbild einige Grauwerte bevorzugt sind und die beiden Extremwerte $x =0$ („tiefes Schwarz”) bzw. $x =1$ („reines Weiß”) nur sehr selten auftreten.  
+
 
*Die Verteilungsfunktion $F_{\rm x}(r)$ dieser kontinuierlichen Zufallsgröße ist stetig und steigt, wie das rechte Bild zeigt, von $0$ auf $1$ monoton und stetig an.  
+
 
 +
The middle diagram shows the PDF&nbsp; $f_{x}(x)$&nbsp; which is also often referred to in the literature as&nbsp; &raquo;gray value statistics&laquo;.  
 +
*In the original image some gray values are preferred and the two extreme values&nbsp; $x =0$&nbsp; ("deep black")&nbsp; or&nbsp; $x =1$&nbsp; ("pure white")&nbsp; occur very rarely.
 +
 +
*The cumulative distribution function&nbsp; $F_{x}(r)$&nbsp; is continuous in value and increases monotonically from&nbsp; $0$&nbsp; to&nbsp; $1$&nbsp; as the right figure shows.&nbsp;
 +
 +
*For&nbsp; $r \approx 0$&nbsp; and&nbsp; $r \approx 1$&nbsp; the CDF is horizontal due to the lack of PDF components.
  
''Anmerkung:''
 
  
Genau genommen ist bei einem am Computer darstellbaren Bild – im Gegensatz zu einem „echten” Foto – der Grauwert stets eine diskrete Zufallsgröße. Bei großer Auflösung der Farbinformation („Farbtiefe”) kann man diese Zufallsgröße allerdings näherungsweise als kontinuierlich betrachten.
+
$\text{Note:}$  &nbsp; Strictly speaking,&nbsp; for an image that can be displayed on a computer&nbsp; $($in contrast to an analog photograph$)$:
{{end}}
+
# &nbsp; The gray value is always a discrete in value.&nbsp;
 +
# &nbsp; However,&nbsp; with large resolution of the color information&nbsp; $($&raquo;color depth&laquo;$)$,&nbsp; this random variable can be approximated to be continuous in value. }}
  
  
Die in diesem Abschnitt behandelte Thematik ist im Lernvideo [[Zusammenhang zwischen WDF und VTF]] zusammengefasst.
+
&raquo; &nbsp; The topic of this chapter is illustrated with examples in the&nbsp; (German language)&nbsp; learning video&nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp; &nbsp;[[Zusammenhang_zwischen_WDF_und_VTF_(Lernvideo)|&raquo;Zusammenhang zwischen WDF und VTF&raquo;]]&nbsp; $\Rightarrow$ &raquo;Relationship between PDF and CDF&laquo;.
  
  
==Verteilungsfunktion bei diskreten Zufallsgrößen==
+
==CDF for value-discrete random variables==
Für die Berechnung der Verteilungsfunktion einer diskreten Zufallsgröße $x$ aus deren WDF muss stets von einer etwas allgemeineren Gleichung ausgegangen werden. Hier gilt mit mit der Hilfsvariablen $\varepsilon > 0$:  
+
<br>
$$F_{x}(r)=\lim_{\varepsilon\hspace{0.05cm}\to \hspace{0.05cm}0}\int_{-\infty}^{r+\varepsilon}f_x(x)\,{\rm d}x.$$
+
For the CDF calculation of a value-discrete random variable&nbsp; $x$&nbsp; from its PDF,&nbsp; a more general equation must always be assumed.&nbsp; Here,&nbsp; with the auxiliary variable&nbsp; $\varepsilon > 0$:  
 +
:$$F_{x}(r)=\lim_{\varepsilon\hspace{0.05cm}\to \hspace{0.05cm}0}\int_{-\infty}^{r+\varepsilon}f_x(x)\,{\rm d}x.$$
  
*Die Berechnung der Verteilungsfunktion durch Grenzwertbildung ist aufgrund des „≤”-Zeichens in der [[Stochastische_Signaltheorie/Verteilungsfunktion#Zusammenhang_zwischen_WDF_und_VTF|allgemeinen Definition]] erforderlich.  
+
*Due to the&nbsp; &raquo;less than/equal&raquo;&nbsp; sign in the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Cumulative_Distribution_Function#Relationship_between_PDF_and_CDF|&raquo;general definition&laquo;]], a limit value must be formed for the CDF calculation.&nbsp; If we also take into account that,&nbsp; for a value-discrete random variable,&nbsp; the PDF consists of a sum of weighted&nbsp; [[Signal_Representation/Direct_Current_Signal_-_Limit_Case_of_a_Periodic_Signal#Dirac_.28delta.29_function_in_frequency_domain|&raquo;Dirac delta functions&laquo;]],&nbsp; we obtain:  
*Berücksichtigt man weiterhin, dass bei einer diskreten Zufallsgröße die WDF aus einer Summe von gewichteten [[Signaldarstellung/Allgemeine_Beschreibung/Gleichsignal_-_Grenzfall_eines_periodischen_Signals#Diracfunktion_im_Frequenzbereich|Diracfunktionen]] besteht, so erhält man:  
 
 
:$$F_{x}(r)=\lim_{\varepsilon\hspace{0.05cm}\to \hspace{0.05cm} 0}\int_{-\infty}^{r+\varepsilon}\sum\limits_{\mu= 1}^{ M}p_\mu\cdot \delta(x-x_\mu)\,{\rm d}x.$$
 
:$$F_{x}(r)=\lim_{\varepsilon\hspace{0.05cm}\to \hspace{0.05cm} 0}\int_{-\infty}^{r+\varepsilon}\sum\limits_{\mu= 1}^{ M}p_\mu\cdot \delta(x-x_\mu)\,{\rm d}x.$$
*Vertauscht man in dieser Gleichung Integration und Summation, und berücksichtigt man zudem, dass die Integration über die Diracfunktion die Sprungfunktion ergibt, so erhält man:  
+
*If we interchange integration and summation in this equation,&nbsp; and consider that an integration over the Dirac delta function yields the step function,&nbsp; we obtain:  
:$$F_{x}(r)=\sum\limits_{\mu= \rm 1}^{\it M}p_\mu\cdot \gamma_0 (r-x_\mu),\hspace{0.4cm}{\rm mit} \hspace{0.4cm}\gamma_0(x)=\lim_{\epsilon\hspace{0.05cm}\to \hspace{0.05cm} 0}\int_{-\infty}^{x+\varepsilon}\delta (u)\,{\rm d} u = \left\{ \begin{array}{*{2}{c}}  0 \hspace{0.4cm}  {\rm falls}\hspace{0.1cm} x< 0,\\ 1  \hspace{0.4cm} {\rm falls}\hspace{0.1cm}x\ge 0. \\ \end{array} \right.$$
+
:$$F_{x}(r)=\sum\limits_{\mu= \rm 1}^{\it M}p_\mu\cdot \gamma_0 (r-x_\mu),\hspace{0.4cm}{\rm with} \hspace{0.4cm}\gamma_0(x)=\lim_{\epsilon\hspace{0.05cm}\to \hspace{0.05cm} 0}\int_{-\infty}^{x+\varepsilon}\delta (u)\,{\rm d} u = \left\{ \begin{array}{*{2}{c}}  0 \hspace{0.4cm}  {\rm if}\hspace{0.1cm} x< 0,\\ 1  \hspace{0.4cm} {\rm if}\hspace{0.1cm}x\ge 0. \\ \end{array} \right.$$
Hierzu ist anzumerken:
+
::The function&nbsp; $γ_0(x)$&nbsp; differs from the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Assignment_Theorem|&raquo;unit step function&laquo;]]&nbsp; $γ(x)$&nbsp; often used in systems theory in that at the jump point&nbsp; $x = 0$&nbsp; the right-hand side limit&nbsp; $1$nbsp; is valid&nbsp; $($instead of the mean value&nbsp; $0.5$&nbsp; between left&ndash; and right&ndash;hand side limits$)$.  
* $γ_0(x)$ unterscheidet sich von der in der Systemtheorie üblichen [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Zuordnungssatz|Sprungfunktion]] $γ(x)$ dadurch, dass an der Sprungstelle $x = 0$ der rechtsseitige Grenzwert &bdquo;Eins&rdquo; gültig ist (anstelle des Mittelwertes &bdquo;1/2&rdquo; zwischen links- und rechtsseitigem Grenzwert).  
+
*With the above CDF definition,&nbsp; the following probability equation holds for value-continuous and value-discrete random variables equally,&nbsp; and of course also for&nbsp; mixed random variables&nbsp; with discrete and continuous parts:
*Mit obiger VTF-Definition gilt dann für die Wahrscheinlichkeit von kontinuierlichen und diskreten Zufallsgrößen gleichermaßen, und natürlich auch für ''gemischte Zufallsgrößen'' mit diskreten und kontinuierlichen Anteilen:
 
 
:$${\rm Pr}(x_{\rm u}<x \le x_{\rm o})=F_x(x_{\rm o})-F_x(x_{\rm u}).$$
 
:$${\rm Pr}(x_{\rm u}<x \le x_{\rm o})=F_x(x_{\rm o})-F_x(x_{\rm u}).$$
*Bei rein kontinuierlichen Zufallsgrößen könnten hier das „Kleiner”–Zeichen und das „Kleiner/Gleich”–Zeichen gegenseitig ersetzt werden.  
+
*For purely value-continuous random variables,&nbsp; the&nbsp; &raquo;less than&laquo;&nbsp; sign and the&nbsp; &raquo;less than/equal to&laquo;&nbsp; sign could be substituted for each other here.  
 
:$${\rm Pr}(x_{\rm u}<x \le x_{\rm o}) ={\rm Pr}(x_{\rm u}\le x \le x_{\rm o}) ={\rm Pr}(x_{\rm u}\le x < x_{\rm o}) ={\rm Pr}(x_{\rm u}<x < x_{\rm o}).$$
 
:$${\rm Pr}(x_{\rm u}<x \le x_{\rm o}) ={\rm Pr}(x_{\rm u}\le x \le x_{\rm o}) ={\rm Pr}(x_{\rm u}\le x < x_{\rm o}) ={\rm Pr}(x_{\rm u}<x < x_{\rm o}).$$
  
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp; If the gray value of the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Cumulative_Distribution_Function#CDF_for_continuous-valued_random_variables|&raquo;original Lena photo&laquo;]]&nbsp; is quantized by eight levels,&nbsp; so that each pixel can be represented by three bits and transmitted digitally,&nbsp; the discrete random variable&nbsp; $q$&nbsp; is obtained. &nbsp; However, due to the quantization,&nbsp; a part of the image information is lost,&nbsp; which is reflected in the quantized image by clearly recognizable&nbsp; &raquo;contours&laquo;.
  
{{Beispiel}}
+
[[File:P_ID74__Sto_T_3_2_S2b_neu.png |right|frame| PDF and CDF of a value-discrete image]]
Wird nun der Grauwert des [[Stochastische_Signaltheorie/Verteilungsfunktion#Verteilungsfunktion_bei_kontinuierlichen_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|ursprünglichen Lena–Fotos]] mit acht Stufen quantisiert, so dass jedes einzelne Pixel durch drei Bit dargestellt und digital übertragen werden kann, so ergibt sich die diskrete Zufallsgröße $q$. Durch die Quantisierung geht allerdings ein Teil der Bildinformation verloren, was sich im quantisierten Bild durch deutlich erkennbare „Konturen” auswirkt.
 
  
[[File:P_ID74__Sto_T_3_2_S2b_neu.png | WDF und VTF eines wertdiskreten Bildes]]
+
*The associated PDF&nbsp; $f_{q}(q)$&nbsp; is composed of&nbsp; $M = 8$&nbsp; Dirac delta functions, where,&nbsp; in the quantization chosen here,&nbsp; the possible gray levels are assigned the values&nbsp; $q_\mu = (\mu - 1)/7$&nbsp; with&nbsp; $\mu = 1, 2,$ ... , $8$.
 +
 +
*The weights of the Dirac delta functions can be calculated from the PDF&nbsp; $f_{x}(x)$&nbsp; of the original image.&nbsp; One obtains
 +
:$$p_\mu={\rm Pr}(q = q_\mu ) = {\rm Pr}(\frac{2\mu-\rm 3}{14}< {x} \le\frac{2\it \mu- \rm 1}{14}) $$
 +
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_\mu={\rm Pr}(q = q_\mu ) = \int_{(2\it \mu- \rm 3)/14}^{(2\mu-1)/14}\it f_{x}{\rm (}x{\rm )}\,{\rm d}x.$$
 +
*For the undefined areas&nbsp; $(x<0$, &nbsp;  $x>1)$&nbsp; is to be set&nbsp; $f_{x}(x) = 0$.&nbsp; Since in the original image the gray levels&nbsp; $x ≈0$&nbsp; $($&raquo;very deep black&laquo;$)$&nbsp; or&nbsp; $x ≈1$&nbsp; $($&raquo;almost pure white&laquo;$)$&nbsp; are largely missing,&nbsp; $p_1 ≈ p_8 ≈ 0$ result.
  
*Die dazugehörige Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion $f_{q}(q)$ setzt sich aus $M = 8$  Diracfunktionen zusammen, wobei bei der hier gewählten Quantisierung den möglichen Graustufen die Werte $q_\mu = (\mu – 1)/7$ mit $\mu = 1, 2,$ ... , $8$ zugeordnet sind.
+
* Thus,&nbsp; only six Dirac delta functions are visible in the PDF.&nbsp; The two missing Diracs at&nbsp; $q = 0$&nbsp; and&nbsp; $q =1$&nbsp; are only indicated by dots.
*Die Gewichte der Diracfunktionen kann man aus der WDF $f_{x}(x)$ des Originalbildes berechnen. Man erhält
+
:$$p_\mu={\rm Pr}(q = q_\mu ) = {\rm Pr}(\frac{2\mu-\rm 3}{14}< {x} \le\frac{2\it \mu- \rm 1}{14}) \rm = \int_{(2\it \mu- \rm 3)/14}^{(2\mu-1)/14}\it f_{\rm x}(x)\,{\rm d}x.$$
+
*The step-shaped CDF&nbsp; $F_{q}(r)$&nbsp; sketched on the right thus has six points of discontinuity,&nbsp; where  in each case the right-hand side limit is valid.}}
*Für die undefinierten Randbereiche ($x<0$ bzw.$x>10$) ist hier jeweils $f_{\rm x}(x) = 0$ zu setzen.
 
 
 
Da im Originalbild die Graustufen $x ≈0$ („sehr tiefes Schwarz”) bzw. $x ≈1$ („nahezu reines Weiß”) weitgehend fehlen, sind die Wahrscheinlichkeiten $p_1 ≈ p_8 ≈ 0$, und in der WDF sind tatsächlich nur sechs Diracfunktionen sichtbar. Die beiden fehlenden Diracfunktionen bei $0$ und $1$ sind in der mittleren Grafik durch Punkte angedeutet.  
 
 
 
Die rechts skizzierte Verteilungsfunktion $F_{q}(r)$ weist entsprechend dem oben Gesagten sechs Unstetigkeitsstellen auf, bei denen jeweils der rechtsseitige Grenzwert gültig ist.
 
{{end}}
 
  
  
Die in diesem Abschnitt behandelte Thematik ist im Lernvideo [[Zusammenhang zwischen WDF und VTF]] zusammengefasst.
+
&raquo; &nbsp; The topic of this chapter is illustrated with examples in the&nbsp; (German language)&nbsp; learning video&nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp; &nbsp;[[Zusammenhang_zwischen_WDF_und_VTF_(Lernvideo)|&raquo;Zusammenhang zwischen WDF und VTF&raquo;]]&nbsp; $\Rightarrow$ &raquo;Relationship between PDF and CDF&laquo;.
  
==Aufgaben zum Kapitel==
 
  
[[Aufgaben:3.2 cos²- und Dirac-VTF|Aufgabe 3.2: &nbsp; cos²- und Dirac-VTF]]
+
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_3.2:_CDF_for_Exercise_3.1|Exercise 3.2: CDF for Exercise 3.1]]
  
[[3.2Z Zusammenhang WDF/VTF|Aufgabe 3.2Z: &nbsp; Zusammenhang WDF/VTF]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.2Z:_Relationship_between_PDF_and_CDF|Exercise 3.2Z: Relationship between PDF and CDF]]
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 17:47, 19 February 2024

Relationship between PDF and CDF


To describe random variables,  in addition to the  »probability density function»  $\rm (PDF)$,  we use the  »cumulative distribution function«  $\rm (CDF)$  which is defined as follows:

$\text{Definition:}$  The  »cumulative distribution function«  $F_{x}(r)$  corresponds to the probability that the random variable  $x$  is less than or equal to a real number  $r$:

$$F_{x}(r) = {\rm Pr}( x \le r).$$


For a value-continuous random variable,  the following statements are possible regarding the CDF:

  • The CDF is computable from the probability density function  $f_{x}(x)$  by integration.  It holds:
$$F_{x}(r) = \int_{-\infty}^{r}f_x(x)\,{\rm d}x.$$
  • Since the PDF is never negative,  $F_{x}(r)$  increases at least weakly monotonically,  and the function always lies between the following limits:
$$F_{x}(r → \hspace{0.05cm} - \hspace{0.05cm} ∞) = 0, \hspace{0.5cm}F_{x}(r → +∞) = 1.$$
  • Inversely,  the probability density function can be determined from the CDF by differentiation:
$$f_{x}(x)=\frac{{\rm d} F_{x}(r)}{{\rm d} r}\Bigg |_{\hspace{0.1cm}r=x}.$$
The addition  »$r = x$«  makes it clear that in our nomenclature the PDF argument is the random variable  $x$  itself, while the CDF argument specifies any real variable  $r$ .


$\text{Notes on nomenclature:}$  If in the definitions of  $\rm PDF$  and  $\rm CDF$  we had distinguished

  • between the random variable  $X$ 
  • and the realizations  $x ∈ X$    ⇒   $f_{X}(x), F_{X}(x)$,


we would have the following nomenclature:

$$F_{X}(x) = {\rm Pr}(X \le x) = \int_{-\infty}^{x}f_{x}(\xi)\,{\rm d}\xi.$$

Unfortunately,  at the beginning of our  $\rm LNTwww$ project  $(2001)$  we decided to use our nomenclature for quite legitimate reasons,  which now  $(2017)$  cannot be changed,  also with regard to the realized learning videos.   So we stick with  $f_{x}(x)$  instead of  $f_{X}(x)$  as well as  $F_{x}(r)$  instead of  $F_{X}(x).$

CDF for value-continuous random variables


The equations given in the last section apply only to value-continuous random variables and will be illustrated here by an example.  In the next section it will be shown that for  »value-discrete random variables«  the equations must be modified somewhat.

$\text{Example 1:}$  The left image shows the photo  »Lena«,  which is often used as a test template for image coding procedures.

PDF and CDF of a value-continuous image
  • If this image is divided into  $256 × 256$  pixels,  and the brightness is determined for each pixel,  a sequence  $〈x_ν〉$  of gray values is obtained whose length  $N = 256^2 = 65\hspace{0.06cm}536$.
  • The gray value  $x$  is a value-continuous random variable,  where the assignment to numerical values is arbitrary.  For example,  let  »black«  be characterized by  $x = 0$  and  »white«  by  $x = 1$:  The value  $x =0.5$  then characterizes a medium gray coloration.


The middle diagram shows the PDF  $f_{x}(x)$  which is also often referred to in the literature as  »gray value statistics«.

  • In the original image some gray values are preferred and the two extreme values  $x =0$  ("deep black")  or  $x =1$  ("pure white")  occur very rarely.
  • The cumulative distribution function  $F_{x}(r)$  is continuous in value and increases monotonically from  $0$  to  $1$  as the right figure shows. 
  • For  $r \approx 0$  and  $r \approx 1$  the CDF is horizontal due to the lack of PDF components.


$\text{Note:}$   Strictly speaking,  for an image that can be displayed on a computer  $($in contrast to an analog photograph$)$:

  1.   The gray value is always a discrete in value. 
  2.   However,  with large resolution of the color information  $($»color depth«$)$,  this random variable can be approximated to be continuous in value.


»   The topic of this chapter is illustrated with examples in the  (German language)  learning video 
        »Zusammenhang zwischen WDF und VTF»  $\Rightarrow$ »Relationship between PDF and CDF«.


CDF for value-discrete random variables


For the CDF calculation of a value-discrete random variable  $x$  from its PDF,  a more general equation must always be assumed.  Here,  with the auxiliary variable  $\varepsilon > 0$:

$$F_{x}(r)=\lim_{\varepsilon\hspace{0.05cm}\to \hspace{0.05cm}0}\int_{-\infty}^{r+\varepsilon}f_x(x)\,{\rm d}x.$$
  • Due to the  »less than/equal»  sign in the  »general definition«, a limit value must be formed for the CDF calculation.  If we also take into account that,  for a value-discrete random variable,  the PDF consists of a sum of weighted  »Dirac delta functions«,  we obtain:
$$F_{x}(r)=\lim_{\varepsilon\hspace{0.05cm}\to \hspace{0.05cm} 0}\int_{-\infty}^{r+\varepsilon}\sum\limits_{\mu= 1}^{ M}p_\mu\cdot \delta(x-x_\mu)\,{\rm d}x.$$
  • If we interchange integration and summation in this equation,  and consider that an integration over the Dirac delta function yields the step function,  we obtain:
$$F_{x}(r)=\sum\limits_{\mu= \rm 1}^{\it M}p_\mu\cdot \gamma_0 (r-x_\mu),\hspace{0.4cm}{\rm with} \hspace{0.4cm}\gamma_0(x)=\lim_{\epsilon\hspace{0.05cm}\to \hspace{0.05cm} 0}\int_{-\infty}^{x+\varepsilon}\delta (u)\,{\rm d} u = \left\{ \begin{array}{*{2}{c}} 0 \hspace{0.4cm} {\rm if}\hspace{0.1cm} x< 0,\\ 1 \hspace{0.4cm} {\rm if}\hspace{0.1cm}x\ge 0. \\ \end{array} \right.$$
The function  $γ_0(x)$  differs from the  »unit step function«  $γ(x)$  often used in systems theory in that at the jump point  $x = 0$  the right-hand side limit  $1$nbsp; is valid  $($instead of the mean value  $0.5$  between left– and right–hand side limits$)$.
  • With the above CDF definition,  the following probability equation holds for value-continuous and value-discrete random variables equally,  and of course also for  mixed random variables  with discrete and continuous parts:
$${\rm Pr}(x_{\rm u}<x \le x_{\rm o})=F_x(x_{\rm o})-F_x(x_{\rm u}).$$
  • For purely value-continuous random variables,  the  »less than«  sign and the  »less than/equal to«  sign could be substituted for each other here.
$${\rm Pr}(x_{\rm u}<x \le x_{\rm o}) ={\rm Pr}(x_{\rm u}\le x \le x_{\rm o}) ={\rm Pr}(x_{\rm u}\le x < x_{\rm o}) ={\rm Pr}(x_{\rm u}<x < x_{\rm o}).$$

$\text{Example 2:}$  If the gray value of the  »original Lena photo«  is quantized by eight levels,  so that each pixel can be represented by three bits and transmitted digitally,  the discrete random variable  $q$  is obtained.   However, due to the quantization,  a part of the image information is lost,  which is reflected in the quantized image by clearly recognizable  »contours«.

PDF and CDF of a value-discrete image
  • The associated PDF  $f_{q}(q)$  is composed of  $M = 8$  Dirac delta functions, where,  in the quantization chosen here,  the possible gray levels are assigned the values  $q_\mu = (\mu - 1)/7$  with  $\mu = 1, 2,$ ... , $8$.
  • The weights of the Dirac delta functions can be calculated from the PDF  $f_{x}(x)$  of the original image.  One obtains
$$p_\mu={\rm Pr}(q = q_\mu ) = {\rm Pr}(\frac{2\mu-\rm 3}{14}< {x} \le\frac{2\it \mu- \rm 1}{14}) $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_\mu={\rm Pr}(q = q_\mu ) = \int_{(2\it \mu- \rm 3)/14}^{(2\mu-1)/14}\it f_{x}{\rm (}x{\rm )}\,{\rm d}x.$$
  • For the undefined areas  $(x<0$,   $x>1)$  is to be set  $f_{x}(x) = 0$.  Since in the original image the gray levels  $x ≈0$  $($»very deep black«$)$  or  $x ≈1$  $($»almost pure white«$)$  are largely missing,  $p_1 ≈ p_8 ≈ 0$ result.
  • Thus,  only six Dirac delta functions are visible in the PDF.  The two missing Diracs at  $q = 0$  and  $q =1$  are only indicated by dots.
  • The step-shaped CDF  $F_{q}(r)$  sketched on the right thus has six points of discontinuity,  where in each case the right-hand side limit is valid.


»   The topic of this chapter is illustrated with examples in the  (German language)  learning video 
        »Zusammenhang zwischen WDF und VTF»  $\Rightarrow$ »Relationship between PDF and CDF«.


Exercises for the chapter


Exercise 3.2: CDF for Exercise 3.1

Exercise 3.2Z: Relationship between PDF and CDF