Difference between revisions of "Theory of Stochastic Signals/Linear Combinations of Random Variables"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Zufallsgrößen mit statistischen Bindungen
+
|Untermenü=Random Variables with Statistical Dependence
|Vorherige Seite=Zweidimensionale Gaußsche Zufallsgrößen
+
|Vorherige Seite=Two-Dimensional Gaussian Random Variables
|Nächste Seite=Autokorrelationsfunktion (AKF)
+
|Nächste Seite=Auto-Correlation Function
 
}}
 
}}
==Voraussetzungen und Mittelwerte==
+
==Prerequisites and mean values==
 
<br>
 
<br>
Im gesamten Kapitel "Linearkombinationen von Zufallsgrößen&rdquo; gehen wir von folgenden Annahmen aus:  
+
Throughout the chapter&nbsp; "Linear Combinations of Random Variables"&nbsp; we make the following assumptions:  
*Die Zufallsgrößen&nbsp; $u$&nbsp; und&nbsp; $v$&nbsp; seien jeweils mittelwertfrei &nbsp; &nbsp; $m_u = m_v = 0$&nbsp; und zudem statistisch unabhängig voneinander  &nbsp; ⇒ &nbsp; $ρ_{uv} = 0$.  
+
*The random variables&nbsp; $u$&nbsp; and&nbsp; $v$&nbsp; are zero mean each &nbsp; ⇒ &nbsp; $m_u = m_v = 0$&nbsp; and also statistically independent of each other &nbsp; ⇒ &nbsp; $ρ_{uv} = 0$.  
*Die beiden Zufallsgrößen&nbsp; $u$&nbsp; und&nbsp; $v$&nbsp; besitzen jeweils gleiche Streuung&nbsp; $σ$.&nbsp; Über die Art der Verteilung wird keine Aussage getroffen.  
+
*The two random variables&nbsp; $u$&nbsp; and&nbsp; $v$&nbsp; each have equal standard deviation&nbsp; $σ$.&nbsp; No statement is made about the nature of the distribution.  
*Die beiden Zufallsgrößen&nbsp; $x$&nbsp; und&nbsp; $y$&nbsp; seien Linearkombinationen von&nbsp; $u$&nbsp; und&nbsp; $v$, wobei gilt:  
+
*Let the two random variables&nbsp; $x$&nbsp; and&nbsp; $y$&nbsp; be linear combinations of&nbsp; $u$&nbsp; and&nbsp; $v$,&nbsp; where:  
 
:$$x=A \cdot u + B \cdot v + C,$$
 
:$$x=A \cdot u + B \cdot v + C,$$
 
:$$y=D \cdot u + E \cdot v + F.$$
 
:$$y=D \cdot u + E \cdot v + F.$$
  
Für die (linearen) Mittelwerte der neuen Zufallsgrößen&nbsp; $x$&nbsp; und&nbsp; $y$&nbsp; erhält man somit nach den allgemeinen Rechenregeln für Erwartungswerte:  
+
Thus,&nbsp; for the&nbsp; (linear)&nbsp; mean values of the new random variables&nbsp; $x$&nbsp; and&nbsp; $y$&nbsp; we obtain according to the general rules of calculation for expected values:  
 
:$$m_x =A \cdot m_u + B \cdot m_v + C =C,$$
 
:$$m_x =A \cdot m_u + B \cdot m_v + C =C,$$
 
:$$m_y =D \cdot m_u + E \cdot m_v + F =F.$$
 
:$$m_y =D \cdot m_u + E \cdot m_v + F =F.$$
Die Koeffizienten&nbsp; $C$&nbsp; und&nbsp; $F$&nbsp; geben somit lediglich die Mittelwerte von&nbsp; $x$&nbsp; und&nbsp; $y$&nbsp; an.&nbsp; Beide werden auf den folgenden Seiten stets zu Null gesetzt.  
+
Thus,&nbsp; the coefficients&nbsp; $C$&nbsp; and&nbsp; $F$&nbsp; give only the mean values of&nbsp; $x$&nbsp; and&nbsp; $y$.&nbsp; Both are always set to zero in the following sections.  
 
+
==Resulting correlation coefficient==
==Resultierender Korrelationskoeffizient==
 
 
<br>
 
<br>
Betrachten wir nun die&nbsp; '''Varianzen'''&nbsp; der Zufallsgrößen nach den Linearkombinationen.  
+
Let us now consider the&nbsp; &raquo;'''variances'''&laquo;&nbsp; of the random variables according to the linear combinations.  
*Für die Zufallsgröße&nbsp; $x$&nbsp; gilt unabhängig vom Parameter&nbsp; $C$:
+
*For the random variable&nbsp; $x$&nbsp; holds independently of the parameter&nbsp; $C$:
:$$\sigma _x ^2 = {\rm E}\big[x ^{\rm 2}\big] = A^{\rm 2} \cdot {\rm E}\big[u^{\rm 2}\big] + B^{\rm 2} \cdot {\rm E}\big[v^{\rm 2}\big] + {\rm 2} \cdot A \cdot B \cdot {\rm E}\big[u \cdot v\big].$$
+
:$$\sigma _x ^2 = {\rm E}\big[x ^{\rm 2}\big] = A^{\rm 2} \cdot {\rm E}\big[u^{\rm 2}\big] + B^{\rm 2} \cdot {\rm E}\big[v^{\rm 2}\big] + {\rm 2} \cdot A \cdot B \cdot {\rm E}\big[u \cdot v\big].$$
  
*Die Erwartungswerte von&nbsp; $u^2$&nbsp; und&nbsp; $v^2$&nbsp; sind definitionsgemäß jeweils gleich&nbsp; $σ^2$, weil&nbsp; $u$&nbsp; und&nbsp; $v$&nbsp; mittelwertfrei sind.  
+
*The expected values of&nbsp; $u^2$&nbsp; and&nbsp; $v^2$&nbsp; are by definition equal to&nbsp; $σ^2$,&nbsp;  because&nbsp; $u$&nbsp; and&nbsp; $v$&nbsp; are zero mean.  
*Da&nbsp; $u$&nbsp; und&nbsp; $v$&nbsp; zudem als statistisch unabhängig vorausgesetzt werden, kann man für den Erwartungswert des Produktes auch schreiben:  
+
*Since&nbsp; $u$&nbsp; and&nbsp; $v$&nbsp; are moreover assumed to be statistically independent,&nbsp; one can write for the expected value of the product:  
 
:$${\rm E}\big[u \cdot v\big] = {\rm E}\big[u\big] \cdot {\rm E}\big[v\big] = m_u \cdot m_v = \rm 0.$$
 
:$${\rm E}\big[u \cdot v\big] = {\rm E}\big[u\big] \cdot {\rm E}\big[v\big] = m_u \cdot m_v = \rm 0.$$
*Damit erhält man für die Varianzen der durch Linearkombinationen gebildeten Zufallsgrößen:
+
*Thus,&nbsp; for the variances of the random variables formed by linear combinations,&nbsp; we obtain:
 
:$$\sigma _x ^2 =(A^2 + B^2) \cdot \sigma ^2,$$
 
:$$\sigma _x ^2 =(A^2 + B^2) \cdot \sigma ^2,$$
 
:$$\sigma _y ^2 =(D^2 + E^2) \cdot \sigma ^2.$$
 
:$$\sigma _y ^2 =(D^2 + E^2) \cdot \sigma ^2.$$
  
Die&nbsp; '''Kovarianz'''&nbsp; $μ_{xy}$&nbsp; ist bei mittelwertfreien Zufallsgrößen&nbsp; $x$&nbsp; und&nbsp; $y$   &nbsp; ⇒ &nbsp; $C = F = 0$&nbsp; identisch mit dem gemeinsamen Moment&nbsp; $m_{xy}$:
+
The&nbsp; &raquo;'''covariance'''&laquo;&nbsp; $μ_{xy}$&nbsp; is identical to the joint moment&nbsp; $m_{xy}$ for zero mean random variables&nbsp; $x$&nbsp; and&nbsp; $y$ &nbsp; ⇒ &nbsp; $C = F = 0$:
 
:$$\mu_{xy } = m_{xy } = {\rm E}\big[x \cdot y\big] = {\rm E}\big[(A \cdot u + B \cdot v)\cdot (D \cdot u + E \cdot v)\big].$$  
 
:$$\mu_{xy } = m_{xy } = {\rm E}\big[x \cdot y\big] = {\rm E}\big[(A \cdot u + B \cdot v)\cdot (D \cdot u + E \cdot v)\big].$$  
Beachten Sie hierbei, dass&nbsp; ${\rm E}\big[ \text{...} \big]$&nbsp; einen Erwartungswert bezeichnet, während&nbsp; $E$&nbsp; eine Variable beschreibt.
+
Note here that&nbsp; ${\rm E}\big[ \text{...} \big]$&nbsp; denotes an expected value,&nbsp; while&nbsp; $E$&nbsp; describes a coefficient.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp;Nach Auswertung dieser Gleichung in analoger Weise zu oben folgt daraus:  
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;After evaluating this equation in an analogous manner to above,&nbsp; it follows:  
:$$\mu_{xy } = (A \cdot D + B \cdot E) \cdot \sigma^{\rm 2 }
+
:$$\mu_{xy } = (A \cdot D + B \cdot E) \cdot \sigma^{\rm 2 }
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}
\rho_{xy } = \frac{\rho_{xy } }{\sigma_x \cdot \sigma_y} = \frac {A \cdot D + B \cdot E}{\sqrt{(A^{\rm 2}+B^{\rm 2})(D^{\rm 2}+E^{\rm 2} ) } }. $$}}
+
\rho_{xy } = \frac{\rho_{xy } }{\sigma_x \cdot \sigma_y} = \frac {A \cdot D + B \cdot E}{\sqrt{(A^{\rm 2}+B^{\rm 2})(D^{\rm 2}+E^{\rm 2} ) } }. $$}}
  
  
Wir schließen nun Zwei Sonderfälle aus:
+
We now exclude two special cases:
*$A = B = 0$&nbsp; &rArr; &nbsp; $x ≡ 0$&nbsp; sowie
+
*$A = B = 0$&nbsp; &rArr; &nbsp; $x ≡ 0$,
*$D = E = 0$&nbsp; &rArr; &nbsp; $y ≡ 0$.  
+
*$D = E = 0$&nbsp; &rArr; &nbsp; $y ≡ 0$.  
  
  
Dann liefert die obige Gleichung stets eindeutige Werte für den Korrelationskoeffizienten im Bereich &nbsp;$–1 ≤ ρ_{xy} ≤ +1$.
+
Then the above equation always yields unique values for the correlation coefficient in the range &nbsp;$-1 ≤ ρ_{xy} ≤ +1$.
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;  
Setzen wir&nbsp; $A = E = 0$,&nbsp; so ergibt sich der Korrelationskoeffizient&nbsp; $ρ_{xy} = 0$.&nbsp; Dieses Ergebnis ist einsichtig:  
+
If we set&nbsp; $A = E = 0$,&nbsp; we get the correlation coefficient&nbsp; $ρ_{xy} = 0$.&nbsp; This result is insightful:  
*Nun hängt&nbsp; $x$&nbsp; nur noch von&nbsp; $v$&nbsp; und&nbsp; $y$&nbsp; ausschließlich von&nbsp; $u$&nbsp; ab.  
+
*Now&nbsp; $x$&nbsp; depends only on&nbsp; $v$&nbsp; and&nbsp; $y$&nbsp; depends exclusively on&nbsp; $u$.  
*Da aber&nbsp; $u$&nbsp; und&nbsp; $v$&nbsp; als statistisch unabhängig angenommen wurden, bestehen auch keine Beziehungen zwischen&nbsp; $x$&nbsp; und&nbsp; $y$.   
+
*But since&nbsp; $u$&nbsp; and&nbsp; $v$&nbsp; were assumed to be statistically independent,&nbsp; there are also no relationships between&nbsp; $x$&nbsp; and&nbsp; $y$.   
*Ebenso ergibt sich &nbsp;$ρ_{xy} = 0$&nbsp; für die Kombination&nbsp; $B = D = 0$.}}  
+
*Similarly,&nbsp; &nbsp;$ρ_{xy} = 0$&nbsp; results for the combination&nbsp; $B = D = 0$.}}  
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Die Konstellation &nbsp;$B = E = 0$&nbsp; führt dazu, dass sowohl&nbsp; $x$&nbsp; als auch&nbsp; $y$&nbsp; nur noch von&nbsp; $u$&nbsp; abhängen.&nbsp; Dann ergibt sich für den Korrelationskoeffizienten:  
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; The constellation &nbsp;$B = E = 0$&nbsp; leads to the fact that both&nbsp; $x$&nbsp; and&nbsp; $y$&nbsp; depend only on&nbsp; $u$.&nbsp; Then the following correlation coefficient is obtained:  
:$$\rho_{xy } = \frac {A \cdot D }{\sqrt{A^{\rm 2}\cdot D^{\rm 2} } } = \frac {A \cdot D }{\vert A\vert \cdot \vert D\vert } =\pm 1. $$
+
:$$\rho_{xy } = \frac {A \cdot D }{\sqrt{A^{\rm 2}\cdot D^{\rm 2} } } = \frac {A \cdot D }{\vert A\vert \cdot D\vert } =\pm 1. $$
 
 
*Besitzen&nbsp; $A$&nbsp; und&nbsp; $D$&nbsp; gleiches Vorzeichen, so ist&nbsp; $ρ_{xy} = +1$.
 
*Bei unterschiedlichen Vorzeichen ergibt sich der Korrelationskoeffizient&nbsp; $-1$.
 
*Auch für &nbsp;$A = D = 0$&nbsp; ergibt sich der Koeffizient&nbsp; $ρ_{xy} = ±1$, wenn&nbsp; $B \ne 0$&nbsp; und&nbsp; $E \ne 0$&nbsp; gilt. }}
 
  
==Erzeugung korrelierter Zufallsgrößen==
+
*If&nbsp; $A$&nbsp; and&nbsp; $D$&nbsp; have the same sign,&nbsp; then&nbsp; $ρ_{xy} = +1$.
 +
*For different signs,&nbsp; the correlation coefficient is&nbsp; $-1$.
 +
*Also for &nbsp;$A = D = 0:$&nbsp; The coefficient&nbsp; $ρ_{xy} = ±1$,&nbsp; if&nbsp; $B \ne 0$&nbsp; and&nbsp; $E \ne 0$&nbsp; holds. }}
 +
==Generation of correlated random variables==
 
<br>
 
<br>
Die&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Linearkombinationen_von_Zufallsgrößen#Resultierender_Korrelationskoeffizient|Gleichungen der letzten Seite]]&nbsp; können zur Erzeugung einer zweidimensionalen Zufallsgröße&nbsp; $(x, y)$&nbsp; mit vorgegebenen Kenngrößen&nbsp; $σ_x$,&nbsp; $σ_y$&nbsp; und&nbsp; $ρ_{xy}$&nbsp; genutzt werden.  
+
The&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Linear_Combinations_of_Random_Variables#Resulting_correlation_coefficient|$\text{previously used equations}$]]&nbsp; can be used to generate a two-dimensional random variable&nbsp; $(x,\hspace{0.08cm} y)$&nbsp; with given characteristics&nbsp; $σ_x$,&nbsp; $σ_y$&nbsp; and&nbsp; $ρ_{xy}$.  
  
*Werden außer diesen drei Sollwerten keine weiteren Voraussetzungen getroffen, so ist einer der vier Koeffizienten&nbsp; $A, \ B, \ D$&nbsp; und&nbsp; $E$&nbsp; frei wählbar.  
+
*If no further preconditions are met other than these three nominal values, one of the four coefficients&nbsp; $A, \ B, \ D$&nbsp; and&nbsp; $E$&nbsp; is arbitrary.  
*Im Folgenden wird stets willkürlich&nbsp; $E = 0$&nbsp; gesetzt.  
+
*In the following, we always arbitrarily set&nbsp; $E = 0$&nbsp;.  
*Mit der weiteren Festlegung, dass die statistisch unabhängigen Zufallsgrößen&nbsp; $u$&nbsp; und&nbsp; $v$&nbsp; jeweils die Streuung&nbsp; $σ =1$&nbsp; aufweisen, erhält man:  
+
*With the further specification that the statistically independent random variables&nbsp; $u$&nbsp; and&nbsp; $v$&nbsp; each have standard deviation&nbsp; $σ =1$&nbsp; we obtain:  
 
:$$D = \sigma_y, \hspace{0.5cm} A = \sigma_x \cdot \rho_{xy}, \hspace{0.5cm} B = \sigma_x \cdot \sqrt {1-\rho_{xy}^2}.$$
 
:$$D = \sigma_y, \hspace{0.5cm} A = \sigma_x \cdot \rho_{xy}, \hspace{0.5cm} B = \sigma_x \cdot \sqrt {1-\rho_{xy}^2}.$$
*Bei&nbsp; $σ ≠ 1$&nbsp; sind diese Werte jeweils noch durch&nbsp; $σ$&nbsp; zu dividieren.  
+
*For&nbsp; $σ ≠ 1$&nbsp; these values must still be divided by&nbsp; $σ$&nbsp; in each case.  
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp;  
+
$\text{Example 3:}$&nbsp;  
Wir gehen stets von mittelwertfreien Gaußschen Zufallsgrößen&nbsp; $u$&nbsp; und&nbsp; $v$&nbsp; aus.&nbsp; Beide besitzen die Varianz&nbsp; $σ^2 = 1$.
+
We always assume zero mean Gaussian random variables&nbsp; $u$&nbsp; and&nbsp; $v$.&nbsp; Both have variance&nbsp; $σ^2 = 1$.
  
$(1)$ &nbsp; Zur Erzeugung einer 2D–Zufallsgröße mit den gewünschten Kennwerten&nbsp; $σ_x =1$,&nbsp; $σ_y = 1.55$&nbsp; und&nbsp; $ρ_{xy} = -0.8$&nbsp; eignet sich zum Beispiel der Parametersatz
+
$(1)$ &nbsp; To generate a two-dimensional random variable with desired characteristics &nbsp; $σ_x =1$,&nbsp; $σ_y = 1.55$&nbsp; and&nbsp; $ρ_{xy} = -0.8$ &nbsp; the parameter set is suitable, for example:
[[File:P_ID419__Sto_T_4_3_S3_neu.png|right |frame| Per Linearkombination erzeugte 2D-Zufallsgrößen]]
+
[[File:EN_Sto_T_4_3_S3_v1.png|right |frame| Two-dimensional random variables generated by linear combination]]
:$$A = -0.8, \; B = 0.6, \; D = 1.55, \; E = 0.$$  
+
:$$A = -0.8, \; B = 0.6, \; D = 1.55, \; E = 0.$$  
*Dieser Parametersatz liegt der linken Grafik zugrunde.   
+
*This parameter set underlies the left graph.   
*Die Korrelationsgerade&nbsp; $K(x)$&nbsp; ist rot dargestellt.  
+
*The regression line&nbsp; $(\rm RL)$&nbsp; is shown in red.  
*Sie verläuft unter einem Winkel von etwa&nbsp; $-50^\circ$.  
+
*It runs at an angle of about&nbsp; $-50^\circ$.  
*Violett eingezeichnet ist die Ellipsenhauptachse, die etwas oberhalb der Korrelationsgeraden liegt.  
+
*Drawn in purple is the ellipse major axis, which lies slightly above the regression line.  
  
  
  
$(2)$ &nbsp; Der Parametersatz für die rechte Grafik lautet:  
+
$(2)$ &nbsp; The parameter set for the right graph is:  
:$$A = -0.625,\; B = 0.781,\; D = 1.501,\; E = -0.390.$$
+
:$$A = -0.625,\; B = 0.781,\; D = 1.501,\; E = -0.390.$$
*Im statistischen Sinne erhält man das gleiche Resultat, auch wenn sich die beiden Punktwolken im Detail unterscheiden.
+
*In a statistical sense,&nbsp; the same result is obtained even though the two point clouds differ in detail.
*Insbesondere ergibt sich bezüglich Korrelationsgerade und Ellipsenhauptachse kein Unterschied zum Parametersatz&nbsp; $(1)$.  }}
+
*With respect to regression line&nbsp; $(\rm RL)$&nbsp; and ellipse major axis&nbsp; $(\rm EA)$,&nbsp; there is no difference with respect to the parameter set&nbsp; $(1)$.  }}
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
 
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[[Aufgaben:4.7 Gewichtete Summe und Differenz|Aufgabe 4.7: Gewichtete Summe und Differenz]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.7:_Weighted_Sum_and_Difference|Exercise 4.7: Weighted Sum and Difference]]
  
[[Aufgaben:4.7Z Erzeugung einer 2D–WDF|Aufgabe 4.7Z: Erzeugung einer 2D–WDF]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.7Z:_Generation_of_a_joint_PDF|Exercise 4.7Z: Generation of a Joint PDF]]
  
[[Aufgaben:4.8 Rautenförmige 2D-WDF|Aufgabe 4.8: Rautenförmige 2D-WDF]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.8:_Diamond-shaped_Joint_PDF|Exercise 4.8: Diamond-shaped Joint PDF]]
  
[[Aufgaben:4.8Z AWGN-Kanal|Aufgabe 4.8Z: AWGN-Kanal]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.8Z:_AWGN_Channel|Exercise 4.8Z: AWGN Channel]]
  
  
 
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Latest revision as of 16:02, 21 December 2022

Prerequisites and mean values


Throughout the chapter  "Linear Combinations of Random Variables"  we make the following assumptions:

  • The random variables  $u$  and  $v$  are zero mean each   ⇒   $m_u = m_v = 0$  and also statistically independent of each other   ⇒   $ρ_{uv} = 0$.
  • The two random variables  $u$  and  $v$  each have equal standard deviation  $σ$.  No statement is made about the nature of the distribution.
  • Let the two random variables  $x$  and  $y$  be linear combinations of  $u$  and  $v$,  where:
$$x=A \cdot u + B \cdot v + C,$$
$$y=D \cdot u + E \cdot v + F.$$

Thus,  for the  (linear)  mean values of the new random variables  $x$  and  $y$  we obtain according to the general rules of calculation for expected values:

$$m_x =A \cdot m_u + B \cdot m_v + C =C,$$
$$m_y =D \cdot m_u + E \cdot m_v + F =F.$$

Thus,  the coefficients  $C$  and  $F$  give only the mean values of  $x$  and  $y$.  Both are always set to zero in the following sections.

Resulting correlation coefficient


Let us now consider the  »variances«  of the random variables according to the linear combinations.

  • For the random variable  $x$  holds independently of the parameter  $C$:
$$\sigma _x ^2 = {\rm E}\big[x ^{\rm 2}\big] = A^{\rm 2} \cdot {\rm E}\big[u^{\rm 2}\big] + B^{\rm 2} \cdot {\rm E}\big[v^{\rm 2}\big] + {\rm 2} \cdot A \cdot B \cdot {\rm E}\big[u \cdot v\big].$$
  • The expected values of  $u^2$  and  $v^2$  are by definition equal to  $σ^2$,  because  $u$  and  $v$  are zero mean.
  • Since  $u$  and  $v$  are moreover assumed to be statistically independent,  one can write for the expected value of the product:
$${\rm E}\big[u \cdot v\big] = {\rm E}\big[u\big] \cdot {\rm E}\big[v\big] = m_u \cdot m_v = \rm 0.$$
  • Thus,  for the variances of the random variables formed by linear combinations,  we obtain:
$$\sigma _x ^2 =(A^2 + B^2) \cdot \sigma ^2,$$
$$\sigma _y ^2 =(D^2 + E^2) \cdot \sigma ^2.$$

The  »covariance«  $μ_{xy}$  is identical to the joint moment  $m_{xy}$ for zero mean random variables  $x$  and  $y$   ⇒   $C = F = 0$:

$$\mu_{xy } = m_{xy } = {\rm E}\big[x \cdot y\big] = {\rm E}\big[(A \cdot u + B \cdot v)\cdot (D \cdot u + E \cdot v)\big].$$

Note here that  ${\rm E}\big[ \text{...} \big]$  denotes an expected value,  while  $E$  describes a coefficient.

$\text{Conclusion:}$ After evaluating this equation in an analogous manner to above,  it follows:

$$\mu_{xy } = (A \cdot D + B \cdot E) \cdot \sigma^{\rm 2 } \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} \rho_{xy } = \frac{\rho_{xy } }{\sigma_x \cdot \sigma_y} = \frac {A \cdot D + B \cdot E}{\sqrt{(A^{\rm 2}+B^{\rm 2})(D^{\rm 2}+E^{\rm 2} ) } }. $$


We now exclude two special cases:

  • $A = B = 0$  ⇒   $x ≡ 0$,
  • $D = E = 0$  ⇒   $y ≡ 0$.


Then the above equation always yields unique values for the correlation coefficient in the range  $-1 ≤ ρ_{xy} ≤ +1$.

$\text{Example 1:}$  If we set  $A = E = 0$,  we get the correlation coefficient  $ρ_{xy} = 0$.  This result is insightful:

  • Now  $x$  depends only on  $v$  and  $y$  depends exclusively on  $u$.
  • But since  $u$  and  $v$  were assumed to be statistically independent,  there are also no relationships between  $x$  and  $y$.
  • Similarly,   $ρ_{xy} = 0$  results for the combination  $B = D = 0$.


$\text{Example 2:}$  The constellation  $B = E = 0$  leads to the fact that both  $x$  and  $y$  depend only on  $u$.  Then the following correlation coefficient is obtained:

$$\rho_{xy } = \frac {A \cdot D }{\sqrt{A^{\rm 2}\cdot D^{\rm 2} } } = \frac {A \cdot D }{\vert A\vert \cdot D\vert } =\pm 1. $$
  • If  $A$  and  $D$  have the same sign,  then  $ρ_{xy} = +1$.
  • For different signs,  the correlation coefficient is  $-1$.
  • Also for  $A = D = 0:$  The coefficient  $ρ_{xy} = ±1$,  if  $B \ne 0$  and  $E \ne 0$  holds.

Generation of correlated random variables


The  $\text{previously used equations}$  can be used to generate a two-dimensional random variable  $(x,\hspace{0.08cm} y)$  with given characteristics  $σ_x$,  $σ_y$  and  $ρ_{xy}$.

  • If no further preconditions are met other than these three nominal values, one of the four coefficients  $A, \ B, \ D$  and  $E$  is arbitrary.
  • In the following, we always arbitrarily set  $E = 0$ .
  • With the further specification that the statistically independent random variables  $u$  and  $v$  each have standard deviation  $σ =1$  we obtain:
$$D = \sigma_y, \hspace{0.5cm} A = \sigma_x \cdot \rho_{xy}, \hspace{0.5cm} B = \sigma_x \cdot \sqrt {1-\rho_{xy}^2}.$$
  • For  $σ ≠ 1$  these values must still be divided by  $σ$  in each case.


$\text{Example 3:}$  We always assume zero mean Gaussian random variables  $u$  and  $v$.  Both have variance  $σ^2 = 1$.

$(1)$   To generate a two-dimensional random variable with desired characteristics   $σ_x =1$,  $σ_y = 1.55$  and  $ρ_{xy} = -0.8$   the parameter set is suitable, for example:

Two-dimensional random variables generated by linear combination
$$A = -0.8, \; B = 0.6, \; D = 1.55, \; E = 0.$$
  • This parameter set underlies the left graph.
  • The regression line  $(\rm RL)$  is shown in red.
  • It runs at an angle of about  $-50^\circ$.
  • Drawn in purple is the ellipse major axis, which lies slightly above the regression line.


$(2)$   The parameter set for the right graph is:

$$A = -0.625,\; B = 0.781,\; D = 1.501,\; E = -0.390.$$
  • In a statistical sense,  the same result is obtained even though the two point clouds differ in detail.
  • With respect to regression line  $(\rm RL)$  and ellipse major axis  $(\rm EA)$,  there is no difference with respect to the parameter set  $(1)$.

Exercises for the chapter


Exercise 4.7: Weighted Sum and Difference

Exercise 4.7Z: Generation of a Joint PDF

Exercise 4.8: Diamond-shaped Joint PDF

Exercise 4.8Z: AWGN Channel