Aufgaben:Aufgabe 3.9: Kennlinie für Cosinus-WDF: Unterschied zwischen den Versionen

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Gesucht ist eine stetige, monoton steigende nichtlineare Kennlinie $y =g(x)$, die aus einer zwischen $-1$ und $+1$ gleichverteilten Zufallsgröße $x$eine neue Zufallsgröße $y$ mit cosinusförmiger WDF generiert:
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Gesucht ist eine stetige, monoton steigende nichtlineare Kennlinie $y =g(x)$, die aus einer zwischen $-1$ und $+1$ gleichverteilten Zufallsgröße $x$eine neue Zufallsgröße $y$ mit „cosinusförmiger” WDF generiert:
 
:$$f_y(y)=A\cdot\cos({\pi}/{2}\cdot y).$$
 
:$$f_y(y)=A\cdot\cos({\pi}/{2}\cdot y).$$
  
Die Zufallsgröße $y$ kann ebenfalls nur Werte zwischen $-1$ und $+1$ annehmen. Die beiden  Dichtefunktionen $f_x(x)$ und $f_y(y)$ sind nebenstehend skizziert.
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*Die Zufallsgröße $y$ kann ebenfalls nur Werte zwischen $-1$ und $+1$ annehmen.  
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*Insbesondere wird Bezug genommen auf die Seite [[Stochastische_Signaltheorie/Exponentialverteilte_Zufallsgrößen#Transformation_von_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|Transformation von Zufallsgrößen]].
 
*Insbesondere wird Bezug genommen auf die Seite [[Stochastische_Signaltheorie/Exponentialverteilte_Zufallsgrößen#Transformation_von_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|Transformation von Zufallsgrößen]].
 
   
 
   
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+ Außerhalb des Bereichs $-1 \le x \le +1$ kann $g(x)$.
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+ Außerhalb des Bereichs $-1 \le x \le +1$ kann $g(x)$ beliebig sein.
 
- Die Kennlinie muss symmetrisch um $x= 0$  sein:   $g(-x) = g(x)$.
 
- Die Kennlinie muss symmetrisch um $x= 0$  sein:   $g(-x) = g(x)$.
 
+ Die Zufallsgröße $y$ hat eine kleinere Varianz als $x$.
 
+ Die Zufallsgröße $y$ hat eine kleinere Varianz als $x$.
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{Berechnen Sie den $f_y(y)$–Wert bei $y = 0$:    $A = f_y(0)$.
 
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{Berechnen Sie mit dem Ergebnis aus '''(3)''' die Funktion $x = h(y)$ unter der Nebenbedingung $h(0) = 0$. <br>Welcher Wert ergibt sich f&uuml;r $y = 1$?
 
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Version vom 10. August 2018, 15:33 Uhr

Rechteck- und Cosinus-WDF

Gesucht ist eine stetige, monoton steigende nichtlineare Kennlinie $y =g(x)$, die aus einer zwischen $-1$ und $+1$ gleichverteilten Zufallsgröße $x$eine neue Zufallsgröße $y$ mit „cosinusförmiger” WDF generiert:

$$f_y(y)=A\cdot\cos({\pi}/{2}\cdot y).$$
  • Die Zufallsgröße $y$ kann ebenfalls nur Werte zwischen $-1$ und $+1$ annehmen.
  • Die beiden Dichtefunktionen $f_x(x)$ und $f_y(y)$ sind nebenstehend skizziert.



Hinweise:



Fragebogen

1

Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?

Außerhalb des Bereichs $-1 \le x \le +1$ kann $g(x)$ beliebig sein.
Die Kennlinie muss symmetrisch um $x= 0$ sein:   $g(-x) = g(x)$.
Die Zufallsgröße $y$ hat eine kleinere Varianz als $x$.

2

Berechnen Sie den $f_y(y)$–Wert bei $y = 0$:   $A = f_y(0)$.

$A \ = \ $

3

Bestimmen Sie die Steigung $h\hspace{0.05cm}'(y)$ der Umkehrfunktion $x = h(y)$, wobei für $|y| \le 1$ stets $h\hspace{0.05cm}'(y) > 0$ gelten soll?
Welche Steigung gilt bei $y = 0$?

$h'(y = 0) \ = \ $

4

Berechnen Sie mit dem Ergebnis aus (3) die Funktion $x = h(y)$ unter der Nebenbedingung $h(0) = 0$.
Welcher Wert ergibt sich für $y = 1$?

$h(y=1) \ = \ $

5

Ermitteln Sie den Funktionsverlauf $y = g(x)$ der gesuchten Kennlinie.
Welcher Funktionswert ergibt sich an der Stelle $x = 1$?

$g(x = 1) \ = \ $


Musterlösung

(1)  Richtig sind die Aussagen 1 und 3:

  • Da $x$ nur Werte zwischen $\pm 1$ annehmen kann, ist der Verlauf der Kennlinie außerhalb dieses Bereichs für die Zufallsgröße $y$ ohne Belang.
  • Die Bedingung $g(-x) = g(x)$ muss nicht eingehalten werden. Es gibt beliebig viele Kennlinien, die die gewünschte WDF erzeugen können. Die unter Punkt (5) berechnete Kennlinie ist beispielsweise punktsymmetrisch:   $g(-x) = -g(x)$.
  • Schon die grafischen Darstellungen der beiden Dichtefunktionen zeigen, dass $\sigma_y^2 < \sigma_x^2$ ist.


(2)  Das Integral über die WDF muss stets gleich $1$ sein. Daraus folgt: $$\int_{-\rm 1}^{\rm 1}A\cdot \cos({\pi}/{\rm 2}\cdot y)\, {\rm d} y=\frac{A\cdot \rm 4}{\pi}\hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} A=\frac{\pi}{\rm 4} \hspace{0.15cm}\underline{= \rm 0.785}.$$


(3)  Die Transformationsformel kann wie folgt umgeformt werden: $$f_y(y)=\frac{f_x(x)}{| g'(x)|}\Big|_{\, x=h(y)}=f_x(x)\cdot |h'(y)| \Big|_{\, x=h(y)}.$$

Die Umkehrfunktion $x = h(y)$ einer monoton ansteigenden Kennlinie $y = g(x)$ steigt ebenfalls monoton an. Deshalb kann auf die Betragsbildung verzichtet werden und man erhält: $$h'(y)=\frac{f_y(y)}{f_x(x)\Big|_{\, x=h(y)}}={\pi}/{\rm 2}\cdot \rm cos({\pi}/{2}\cdot y).$$

An der Stelle $y = 0$ hat die Steigung den Wert $h'(y= 0)=π/2\hspace{0.15cm}\underline{\approx 1.571}$.

(4)  Man erhält durch (unbestimmte) Integration: $$h(y)=\int h'(y)\, {\rm d} y + \it C = \frac{\rm \pi}{\rm 2}\cdot \frac{\rm 2}{\pi}\cdot \rm sin(\frac{\pi}{\rm 2}\cdot\it y) + \rm \it C.$$

Die Nebenbedingung $h(y= 0) = 0$ führt zur Konstanten $C) = 0$ und damit zum Ergebnis: $$h(y) = \rm sin({\pi}/{\rm 2}\cdot \it y) \hspace{0.5cm} \Rightarrow\hspace{0.5cm} h(y = \rm 1) \hspace{0.15cm}\underline{= \rm 1}.$$

(5)  Die Umkehrfunktion der in der Teilaufgabe (4) ermittelten Funktion $x = h(y)$ lautet: $$y=g(x)={\rm 2}/{\rm \pi}\cdot \rm arcsin({\it x}).$$

Diese Kennlinie steigt im Bereich $-1 \le x \le +1$ von $y = -1$ bis $y = +1$ monoton an. Der gesuchte Wert ist also $g(x= 1) \hspace{0.15cm}\underline{= +1}$.