Tarkastellaan sitten tilastollisesti riippumattomien identtisesti kuten X edellä jakautuneiden muuttujien summaa Y = X i. 1 p p. Muuttujan X PDF.

Samankaltaiset tiedostot
Satunnaismuuttujat Satunnaismuuttuja kuvaa kokeen tuloksen reaaliakselille Satunnaismuuttuja on siis funktio X(s) joka saa reaalisia arvoja Koe s

TIEDONSIIRRON MATEMAATTISET MENETELMÄT S. Harri Saarnisaari. Centre for Wireless Communications (CWC) University of Oulu, Finland

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Nämä ovat siis minimivaatimukset, enemmänkin saa ja suositellaan

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia: Mitä opimme?

JATKUVAT JAKAUMAT Laplace-muunnos (Laplace-Stieltjes-muunnos)

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Jatkuvia jakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Jatkuvia jakaumia

Lisää Diskreettejä jakaumia Lisää Jatkuvia jakaumia Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

Todennäköisyyden ominaisuuksia

2 exp( 2u), kun u > 0 f U (u) = v = 3 + u 3v + uv = u. f V (v) dv = f U (u) du du f V (v) = f U (u) dv = f U (h(v)) h (v) = f U 1 v (1 v) 2

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Esimerkki 19. Esimerkissä 16 miniminormiratkaisu on (ˆx 1, ˆx 2 ) = (1, 0).

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

6. laskuharjoitusten vastaukset (viikot 10 11)

Tehtäväsarja I Tehtävät 1-5 perustuvat monisteen kappaleisiin ja tehtävä 6 kappaleeseen 2.8.

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Tilastomatematiikka Kevät 2008

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Diskreetin satunnaismuuttujan odotusarvo, keskihajonta ja varianssi

Olkoon R S otosavaruuksien R ja S karteesinen tulo: Satunnaismuuttujien X ja Y järjestetty pari (X, Y) määrittelee kaksiulotteisen satunnaismuuttujan:

3.6 Su-estimaattorien asymptotiikka

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

Lause 4.2. Lineearinen pienimmän keskineliövirheen estimaattoi on lineaarinen projektio.

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A. Moniulotteiset jakaumat. Avainsanat:

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

1. Kuusisivuista noppaa heitetään, kunnes saadaan silmäluku 5 tai 6. Olkoon X niiden heittojen lukumäärä, joilla tuli 1, 2, 3 tai 4.

Tilastotieteen kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Esimerkkikokoelma 3

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 2

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

Numeeriset menetelmät

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Johdatus tn-laskentaan torstai

Käänteismatriisi 1 / 14

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Tilastollinen aineisto Luottamusväli

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia

Esimerkki 4.4. Esimerkki jatkoa. Määrää matriisin ominaisarvot ja -vektorit. Ratk. Nyt

1. Jatketaan luentojen esimerkkiä 8.3. Oletetaan kuten esimerkissä X Y Bin(Y, θ) Y Poi(λ) λ y. f X (x) (λθ)x

031021P Tilastomatematiikka (5 op) viikko 3

5 Tärkeitä yksiulotteisia jakaumia

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

Generointi yksinkertaisista diskreeteistä jakaumista

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 1A

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Kertymäfunktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2007) 1

Similaarisuus. Määritelmä. Huom.

5. laskuharjoituskierros, vko 8, ratkaisut

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

MS-A0004/MS-A0006 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6 / vko 42

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

Todennäköisyyslaskun kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Matematiikka B2 - TUDI

Satunnaismuuttujien summa ja keskiarvo

Insinöörimatematiikka D

tilastotieteen kertaus

4.0.2 Kuinka hyvä ennuste on?

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

Odotusarvo. Odotusarvon ominaisuuksia Satunnaismuuttujien ominaisuuksia 61

Moniulotteiset satunnaismuuttujat ja jakaumat

l (φ; y) = l(θ(φ); y) Toinen derivaatta saadaan tulon derivaatan laskusäännöllä Uudelleenparametroidun mallin Fisherin informaatio on

Ennakkotehtävän ratkaisu

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Tilastollinen päättömyys, kevät 2017 Harjoitus 6B

V ar(m n ) = V ar(x i ).

Insinöörimatematiikka D

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

P (X B) = f X (x)dx. xf X (x)dx. g(x)f X (x)dx.

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

k S P[ X µ kσ] 1 k 2.

Todennäköisyyslaskun kertaus. Heliövaara 1

10 Moniulotteinen normaalijakauma

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Kertymäfunktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Koska ovat negatiiviset. Keskihajontoja ei pystytä laskemaan mutta pätee ¾.

Tilastotieteen kertaus. Kuusinen/Heliövaara 1

Sallitut apuvälineet: MAOL-taulukot, kirjoitusvälineet, laskin sekä itse laadittu, A4-kokoinen lunttilappu. f(x, y) = k x y, kun 0 < y < x < 1,

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 4: Testi suhteelliselle osuudelle

Transkriptio:

Jakaumia Seuraavassa esitellään digitaalisessa tietoliikenteessäuseinkäytettyjä jakaumia Esitellään jakaumien CDF, PDF ja karakteristiset funktiot sekä joitain momentteja kuten keskiarvo, 2. momentti ja varianssi Ensimmäisenä tarkastellaan yksi diskreettien muuttujien jakauma ja sen jälkeen keskitytään jatkuvien muuttujien jakaumiin 107

Binomijakauma Olkoon X diskreetti muuttuja joka voi saada kaksi eri arvoa X = 1 tai X = 0 (kuten bittijonon alkiot), todennäköisyyksillä p ja 1 p. Tämän PDF on esitetty alla olevassa kuvassa 1 p p 0 1 x Muuttujan X PDF Tarkastellaan sitten tilastollisesti riippumattomien identtisesti kuten X edellä jakautuneiden muuttujien summaa n Y = i=1 tavoitteena määrätä summan PDF X i 108

Selvästi 0 Y n Arvon 0 summa saa jos kaikki arvot ovat nollia. Tämä tapahtuu todennäköisyydellä P(Y =0)=(1 p) n koska muuttujat ovat identtisiä ja riippumattomia Arvon 1 summa saa jos yksi muuttuja X i = 1 ja muut nollia. Tämä tapahtuma voi tapahtua n:llä eri tavalla joten P(Y =1)=n }{{} p (1 p) }{{ n 1 } 1 ykkönen n 1 nollaa 109

Jotta Y = k, niin k:n muuttujan täytyy saada arvo 1 ja muiden nolla. Koska tämä voi tapahtua ( ) n n! = (binomikerroin) k k!(n k)! tavalla, niin haluttu todennäköisyys on ( ) n P(Y = k) = p k (1 p) n k (61) k Vastaava PDF on p(y) = = n P(Y = k)δ(y k) k=0 n k=0 ( ) n p k (1 p) n k δ(y k) (62) k 110

CDF on taas F (y) =P(Y y) [y] ( ) n = p k (1 p) n k (63) k k=0 jossa merkintä [y] tarkoittaa suurinta kokonaislukua jolle pätee m y Ensimmäiset momentit ovat E{Y } = np (64a) E{Y 2 } = np(1 p)+n 2 p 2 (64b) σ 2 = np(1 p) (64c) Binomijakauman karakteristinen funktio on ψ(jv)=(1 p + pe jv ) n (65) 111

Tasajakauma Tasajakaumassa muuttuja voi saada yhtä suurella todennökäisyydellä kaikkia arvoja joltain väliltä [a, b]. Sen PDF on p(x) = { 1 b a a x b 0 muutoin Kuvassa on esitetty ko. PDF ja vastava CDF p(x) 1/(b a) 1 F (x) (66) a b x a b PDF CDF x 112

Ensimmäiset momentit ovat E{Y } = 1 2 (a + b) (67a) E{Y 2 } = 1 3 (a2 + b 2 + ab) σ 2 = 1 12 (a b)2 (67c) Tasajakauman karakteristinen funktio on ψ(jv)= ejvb e jva jv(b a) (67b) (68) 113

Gaussin eli normaalijakauma Digitaalisten tietoliikennejärjestelmien analyysissä ehkäpäuseimmiten (ainakin perinteisesti) käytetty jakauma. Yksi syy on se että Gaussin jakauma johtaa suhteellisen järkeviin vastaanotinrakenteisiin joiden on usein havaittu toimivan myös käytännössä Normaalijakauman PDF on p(x) = 1 e (x m x) 2 /2σ 2 (69) 2πσ jossa m x on muuttujan keskiarvo ja σ 2 varianssi Tämä on siis normalisoidun normaalijakauman p(x) = 1 e x2 /2 2π siirros (m x )jalevitys(σ 2 ). 114

Useat taulukot ja funktiot, varsinkin normaalijakautuneen muuttujan todennäköisyydelle, on esitetty normalisoidulle muuttujalle. Niin myös seuraavassa Normaalijakauman CDF on F (x) = x p(u) du = 1 2πσ x e (u m x) 2 /2σ 2 du Suoritetaan muuttujanvaihdos t =(u m x )/ 2σ, jolloin du = 2σdt ja jos u = tai u = x niin t = ja t =(x m x )/ 2σ 115

Tällöin jossa F (x) = 2 2 }{{} =1 1 (x mx )/ 2σ π = 1 [ 2 0 e t2 dt 2 π } {{} =1 = 1 2 + 1 ( x 2 erf mx ) 2σ erf(x) = 2 π x 0 e t2 dt + 2 (x mx )/ 2σ π 0 ] e t2 dt (70) e t2 dt (71) joka on ns. virhefunktio (error function) PDF ja CDF on hahmoteltu seuraavissa kuvissa 116

0.5 0.45 1 normalisoitu 0.4 normalisoitu PDF 1/ 2πσ 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 m x =2 σ =2 CDF 0.8 0.6 1/2 0.4 m x =2 σ =2 0.1 0.2 0.05 0 10 5 0 5 10 x m x 0 10 5 0 5 10 x m x 117

CDF voidaan esittää myös komplementaarisen virhefunction erfc(x) =1 erf(x) = 2 π e t2 dt (72) avulla, jolloin F (x) =1 1 2 erfc ( x m x ) 2σ x (73) Havaitaan, että erf( x) = erf(x), erfc( x) =2 erfc(x), erf(0) = erfc( ) =0jaerf( ) = erfc(0) = 1. Jos x>m x, niin komplementaarinen virhefunktio esittää Gaussin jakauman hännän alaa Suurille x:n arvoille pätee approksimaatio ( erfc(x) = e x2 x 1 1 π 2x + 1 3 2 2 2 x 1 3 5 ) 4 2 3 x6 + (74) jossa virhe on pienempi kuin viimeisin käytetty termi 118

Toinen usein käytetty Gaussin jakauman hännän alaa esittävä funktio on Q-funktio Q(x) = 1 e t2 /2 dt, x 0 (75) 2π x Vertaamalla tätä komplementaariseen virhefunktioon havaitaan, että Q(x) = 1 2 erfc ( x 2 ) Gaussin jakauman karakteristinen funktio on ψ(jv)= e jvx [ 1 2π e (x m x) 2 /2σ 2] dx = e jvm x (1/2)v 2 σ 2 (76) 119

Gaussin jakauman kaikki keskeismomentit ovat { E{(X m x ) k 1 3 (k 1)σ k (parillinen k) } µ k = 0 (pariton k) (77) eli parillisia keskeismomentteja ei ole Tavalliset momentit voidaan esittää keskeismomenttien µ k avulla seuraavasti k ( ) k E{X} = m i i xµ k i (78) i=0 Gaussinjakauma onerittäinusein käytetty mm. siksi, ettäkeskeisen raja-arvolauseen nojalla satunnaismuuttujien summa tuppaa olemaan Gaussin jakautunut jos muuttujia on paljon ja mikään niistä ei dominoi. 120

Tällä perusteella esim. taustakohina (joka tulee useista lähteistä) mallinnetaan usein Gaussin jakautuneeksi Gaussin jakaumalla on mm. se kiva ominaisuus että riippumattomien Gaussin muuttujien summa on Gaussin jakautunut (ei siis tarvita edes keskeistä raja-arvo lausetta) Mistäs tämä johtuu? Käytetään selittämiseen karakteristista funktiota jolloin riippumattomien muuttujien summan karakteristinen funktio on erillisten karakterististen funktioiden tulo Tarkastellaan siis summaa Y = n i=1 X i, jossa muuttujat X i ovat riippumattomia Gaussin jakautuneita satunnaismuuttujia keskiarvolla m i ja varianssilla σi 2 121

Silloin summan karakteristinen funktio on n ψ Y (jv)= ψ Xi (jv) = i=1 n i=1 =exp ( jv e jvm i v 2 σ 2 i /2 n m i i=1 }{{} =m y = e jvm y v 2 σ 2 y/2 v 2 /2 n σi 2 i=1 }{{} =σ 2 y ) (79) joka on Gaussin jakauman karakteristinen funktio eli summa Y on Gaussin jakautunut keskiarvolla m y ja varianssilla σ 2 y 122

Chi-neliö jakauma (Chi-Square) Liittyy läheisesti Gaussin jakaumaan Sitäkäytettään analysoitaessa vastaanottimia jotka neliöivät vastaanotetun Gaussin jakautuneen signaalin eli laskevat vastaanotetun signaalin tehoa tai energiaa Näitä ovat mm. epäkoherentit vastaanottimet tietoliikenteessäja radiometri signaalitiedustelussa 123

Olkoon X Gaussin jakautunut satunnaismuuttuja Silloin Y = X 2 on chi-neliö jakautunut Eri tyypit: keskinen chi-neliö jakauma nollakeskiarvoisille X epäkeskinen chi-neliö jakauma yleiselle X (X:llä voi olla keskiarvo) 124

Tarkastellaan ensin keskistä chi-neliö jakaumaa Olkoon X nollakeskiarvoinen normaalijakautunut muuttuja, jonka varianssi on σ 2 Aiemmassa esimerkissä laskettiin muuttujan Y = ax 2 + b jakauma, joka pätee nyt jos a =1jab =0.Y :n PDF oli p Y (y) = p ( ) X (y b)/a 2a (y b)/a + p ( ) X (y b)/a 2a (y b)/a Siitä seuraa, että p Y (y) = 1 2πyσ e y/2σ2, y 0 (80) 125

CDF saadaan integroimalla eli F Y (y) = y 0 p Y (u) du = 1 2πσ y 0 1 u e u/2σ2 du (81) jolle ei ole olemassa ratkaisua suljetussa muodossa Karakteristinen funktio on 1 ψ(jv)= (82) (1 j2vσ 2 ) 1/2 Entäs sitten jos meillä on usean neliöidyn Gaussin muuttujan summa eli summa n Y = i=1 X 2 i 126

jossa X i ovat tilastollisesti riippumattomia, identtisesti jakautuneita nollakeskiarvoisia Gaussin muuttujia varianssilla σ 2. Karakteristinen funktio on nyt yhden karakteristisen funktion n:s potenssi eli 1 ψ(jv)= (1 j2vσ 2 ) n/2 (83) Tämän käänteismuunnos antaa PDF:n 1 p(y) = σ n 2 n/2 Γ( 1 2 n) yn/2 1 e y/2σ2, y 0 (84) jossa Γ(p) = 0 t p 1 e t dt, p 0 (gammafunktio) Γ(p) =(p 1)! jos p on kokonaisluku, p>0 Γ( 1 2 )= π, Γ( 3 2 )=1 2 π 127

Jakaumaa (84) kutsutaan keskiseksi chi-neliö (tai gamma) jakaumaksi n:llä vapausasteella Sen ensimmäiset momentit ovat E{Y } = nσ 2 E{Y 2 } =2nσ 4 + n 2 σ 4 σ 2 y =2nσ 4 Jakauman CDF on y 1 F (y) = σ n 2 n/2 Γ( 1 2 n) un/2 1 e u/2σ2 du, y 0 (85) 0 Tämä voidaan esittää (muuttujanvaihdosten jälkeen) epätäydellisen gammafunktion (incomplete gamma function) avulla, joka on taulukoitu ja löytyy esim. Matlabista 128

Epätäydellinen gammafunktio on γ(a, x) = x 0 e t t a 1 dt, Re{a} > 0 eli tarvittava muuttujanvaihdos olisi t = u/2σ 2 Jos a on positiivinen kokonaisluku m niin m 1 γ(m, x) =(m 1)! (1 e x s=0 x s ) s! Tästä seuraa, että josm = 1 2n on positiivinen kokonaisluku, niin chi-neliöjakauman CDF (85) on m 1 F (y) =1 e y/2σ2 k=0 1 ( y ) k, y 0 (86) k! 2σ 2 129

Esimerkki: kompleksinen muuttuja Z = X + jy jossa X ja Y identtisesti jakautuneita riippumattomia nollakeskiarvoisia Gaussin muuttujia Nyt Z 2 = ZZ =(X +jy )(X jy )=X 2 jxy +jy X jjy 2 = X 2 + Y 2 eli kyseessä on kahden neliöidyn Gaussin muuttujan summa eli saadaan keskinen chi-neliö jakauma 2:lla vapausasteella Jos tarkastellaan summaa Y = n i=1 Z i 2 = n ( i=1 Xi 2 + Y i 2) niin saadaan keskinen chi-neliö jakauma 2n vapausasteella 130

Epäkeskisessä chi-neliö jakaumassa X ei (välttämättä) ole nollakeskiarvoinen PDF:n määräämisessä voidaan lähteä liikkeelle samasta esimerkistä kuin keskisen chi-neliöjakauman kanssa. Nytkin muunnoksessa Y = ax 2 + b, a =1jab =0 Sijoittamalla ratkaisuun saadaan 1 1( p(y) = e ( y m x ) 2 /2σ 2 + e ( y m x ) 2 /2σ 2 ) 2πyσ 2 Koska cosh(x) =(e x + e x )/2, niin 1 ( ymx ) p(y) = e (y m2 x )/2σ2 cosh, y 0 (87) 2πyσ σ 2 Karakteristiseksi funktioksi tulee 1 ψ(jv)= (1 j2vσ 2 ) 1/2 ejm2 x v/(1 j2vσ2 ) (88) 131

Olkoon meillä sitten usean riippumattoman neliöidyn Gaussin muuttujan summa. Gaussin muuttujien keskiarvot voivat olla erisuuret eli E{X i } = m i mutta niiden varianssi on sama σ 2. Tarkastellaan siis summaa Y = n i=1 X2 i Koska muuttujat ovat riippumattomia, niin summan karakteristinen funktio on muuttujien karakterististen funktioiden tulo, jolloin 1 ( jv n ) ψ(jv)= (1 j2vσ 2 ) exp i=1 m2 i (89) n/2 1 j2vσ 2 Olkoon s 2 = n i=1 m2 i eli keskiarvojen neliöiden summa Silloin PDF, joka on karakteristisen funktion käänteismuunnos, on p(y) = 1 ( y ) (n 2)/4 ( e (y+s 2 )/2σ 2 y s ) I 2σ 2 s 2 n/2 1, y 0 σ 2 (90) 132

jossa I α (x)onα-asteinen modifioitu ensimmäisen asteen Besselin funktio jolle on olemassa sarjaesitys (x/2) α+2k I α (x) = k!γ(α + k +1), x 0 k=0 Tämän n-vapausasteen epäkeskisen chi-neliö jakauman CDF on F (y) = y 0 p(u) du jolle ei ole olemassa suljetussa muodossa olevaa ratkaisua Jos m = n/2 on kokonaisluku, niin CDF voidaan esittää yleistetyn Marcumin Q-funktion Q m (a, b) avulla. Tälle funktiolle on olemassa tietokoneohjelmia, jotka laskevat sen arvon Tällöin ( s y ) F (y) =1 Q m σ, (91) σ 133

Jakauman ensimmäiset momentit ovat E{Y } = nσ 2 + s 2 E{Y 2 } =2nσ 4 +4σ 2 s 2 +(nσ 2 + s 2 ) 2 σ 2 =2nσ 4 +4σ 2 s 2 134

Rayleigh jakauma Rayleigh mallia käytetään kuvaamaan häipyvässä kanavassa vastaanotetun signaalin amplitudia Se on läheisessä suhteessa keskiseen chi-neliö jakaumaan (ja siten Gaussin jakaumaan) Lähdetään liikkeelle 2:n vapausasteen keskisestä chi-neliö jakaumasta (esim. kompleksiluvun neliöstä) p Y (y) = 1 2σ 2 e y/2σ2 joka on siis muuttujan Y = X 2 1 + X 2 2 PDF. 135

Olkoon muuttuja R = Y Suorittamalla muuttujanvaihdos y = r jolloin y = r 2.Koska r 0 kuvaus y = r 2 on yksikäsitteinen ja Jacobiaani on 2r. Muuttujan R PDF on täten p R (r) = r σ 2e r2 /2σ 2, r 0 (92) Vastaava CDF on F R (r) =1 e r2 /2σ 2 (93) Muuttujan R momentit ovat E{R k } =(2σ 2 ) k/2 Γ(1 + 1 2 k) σ 2 r =(2 1 2 π)σ2 Karakteristinen funktio voidaan esittää konfluenttisen hypergeometrisen funktion avulla kts. kirja 136

Jos kyseessä on useamman nollakeskiarvoisen identtisesti Gaussin jakautuneen riippumattoman muuttujan neliöiden summan neliöjuuri eli muuttuja R = n i=1 X2 i, niin sen jakauma on yleistetty Rayleigh jakauma Sen PDF on r n 1 /2σ2 p(r) = 2 (n 2)/2 σ n Γ( 1 e r2 (94) 2n) Jos m = n/2 on kokonaisluku, niin jakauman CDF voidaan esittää suljetussa muodossa (kuten chi-neliö jakauman tapauksessa) ja se on m 1 F (y) =1 e r2 /2σ 2 k=0 1 ( r 2 ) k (95) k! 2σ 2 137

Yleistetyn Rayleigh muuttujan momentit ovat E{R k } =(2σ 2 ) k/2γ( 1(n + k)) 2 Γ( 1 2 n) (96) joka pätee kokonaisluvuille n 138

Rice jakauma Rice jakauma liittyy epäkeskiseen chi-neliö jakaumaan ja Gaussin muuttujiin joiden keskiarvo ei välttämättä ole nolla Se on neliöiden summan neliöjuuri Aloitetaan tarkastelemalla tilannetta Y = X1+X 2 2 2 eli epäkeskistä chi-neliö jakaumaa 2:lla vapausasteella. Nyt siis riippumattomilla Gaussin muuttujilla X i on keskiarvo m i ja varianssi σ 2.Epäkeskisyysparametri s 2 = m 2 1 + m 2 2 Muuttujan Y PDF on p(y) = 1 2σ 2e (s2 +y)/2σ 2 I 0 ( y s σ 2 ), y 0 139

Muuttujan R = Y PDF saadaan muuttujanvaihdoksella r = y jolloin y = r 2. Koska ko. kuvaus on yksikäsitteinen (r 0) ja sen Jacobiaani on 2r, niin p(r) = r ( +r 2 )/2σ 2 rs ) I 0, r 0 (97) σ 2e (s2 σ 2 Tämä on Rice jakautuneen muuttujan PDF. Se kuvaa mm. vastaanotetun signaalin verhokäyrän PDF:ää jo- on kompleksimuuttujan Z = X 1 + jx 2 itseisarvo ZZ = ka X 2 1 + Xs 2.Tällöin deterministinen tietoliikennesignaali (keskiarvo) on enemmän tai vähemmän hautautunut Gaussin kohinaan. Tähän törmätään DTS:än kurssilla. Se kuvaa myös kanavan, jossa on suora etenemistie (keskiarvo) ja useita muita etenemisteitä, amplitudia ZZ 140

Yleisessä tapauksessa meillä on n:nnän neliöidyn Gaussin muuttujan X i neliöiden summan neliöjuuri eli Y = n i=1 X2 i. Muuttujien keskiarvo on m i ja varianssi σ 2 Haluttu PDF on r n/2 ( p(r) = σ 2 s (n 2)/2 e (r2 +s 2 )/2σ 2 rs ) I n/2 1, r 0 (98) σ 2 Vastaava CDF on F R (r) =P(Y r 2 )=F Y (r 2 )eliepäkeskisen chi-neliö jakauman CDF, joka erikoistapauksessa m = n/2 on kokonaisluku on ( s F R (r) =1 Q m σ, r ) (99) σ Rice jakauman k:s momentti on esitettävissä konfluenttisen hypergeometrisen funktion avulla, kts. oppikirja 141

Nakagami m-jakauma Nakagami m-jakaumaa käytetään kuvaamaan radiokanavasta vastaanotetun signaalin amplitudia R häipyvässä monitiekanavassa (kuten Rayleigh ja Rice jakaumiakin) Sen PDF on p(r) = Γ(m)( 2 m ) m r 2m 1 e mr2 /Ω (100) Ω jossa Ω = E{R 2 } on toinen momentti ja parametri m on momenttien suhde, eli nk. häipymäluku, Ω 2 m = E{(R 2 Ω) 2 }, m 1 2 (101) Nakagami jakauman n:s momentti on E{R n Γ(m + n/2) ( Ω ) n/2 } = Γ(m) m (102) 142

Asettamalla m = 1 saadaan Rayleigh jakauma Jos 1/2 m 1, niin Nakagami jakauman hännät ovat Rayleigh jakauman häntiä suuremmat eli ääriarvot ovat todennäköisempiä kuin Rayleigh jakaumassa Jos m>1niin hännät pienempiä eri ääriarvot epätodennäköisempiä 143

Moniulotteinen normaalijakauma Usein tarvitsee käsitellä usean muuttujan jakaumia eli monimuuttuja tai moniulotteisia jakaumia (multivariate or multidimensional) Näistä useimmiten törmätään moniulotteiseen Gaussin jakaumaan, jota käsitellään tässä Olkoon X =[X 1... X n ] T satunnaivektori jonka elementit X i ovat Gaussin muuttujia keskiarvolla m i, variansseilla σi 2 ja kovariansseilla µ ij (huom. µ ii = σ1) 2 Olkoon m =[m 1... m n ] T keskiarvovektori ja M =E{(X m)(x m) T } n n kovarianssimatriisi 144

Muuttujien X i yhteis PDF on 1 p(x) = (2π) n/2 M exp ( 1 1/2 2 (x m)t M 1 (x m) ) (103) On helppo tarkistaa että tilanteessa n =1tämä palautuu yhden muuttujan Gaussin PDF:ksi Olkoon v =[v 1... v n ] T Silloin moniulotteinen karakteristinen funktio on Laskemalla saadaan ψ(jv) =E{e jvtx } (104) ψ(jv) =e jmt v 1 2 vt Mv (105) 145

Oletetaan seuraavaksi, että muuttujat X i ovat korreloimattomia eli kovarianssit µ ij =0 i j Silloin kovarianssimatriisi M on diagonaalinen eli σ1 2 0 0 0 σ2 2 0 0 M =..... 0 0 σn 1 2 0 0 0 σn 2 jonka determinantti M = n i=1 σ2 i 146

Tällöin moniulotteinen Gaussin jakauma (103) menee muotoon 1 p(x) = (2π) n/2 M exp ( 1 n ) [x m] 2 1/2 i /σi 2 2 i=1 n 1 = exp ( 1 ) 2πσ 2 i 2σi 2 [x m] 2 i (106) i=1 jossa merkintä [x] i tarkoittaa vektorin x i:nettä elementtiä Eli korreloimattomien Gaussin muuttujien yhteis PDF on yksittäisten muuttujien PDF:ien tulo korreloimattomat Gaussin muuttujat ovat riippumattomia Tämä tulos ei ole yleispätevä eli ei ole välttämättä voimassa muille jakaumille 147

Tarkastellaan sitten Gaussin muuttujan muunnosta eli muuttujaa Y = AX, jossa A on ei-singulaarinen Aiemmin laskettiin tämän muunnoksen PDF yleisessä tapauksessa. Sovelletaan sitä nyt jolloin 1 p(y) = (2π) n/2 M 1/2 A exp ( 1 2 (A 1 y m) T M 1 (A 1 y m) ) Huomataan, että(x m) T M 1 (x m) =x T M 1 x x T M 1 m m T M 1 x m T M 1 m Samoin y T A T M 1 A 1 }{{} Q 1 (A 1 y m) T M 1 (A 1 y m) = y y T A} T {{ M 1 } m m T M 1 A 1 y + m T Q 1 A M}{{} 1 m A T Q 1 A 148

Määrittämällä edelleen m y = Am ja vertaamalla kahta edellistä yhtälöä saadaan 1 p(y) = (2π) n/2 Q exp ( 1 1/2 2 (y m y) T Q 1 (y m y ) ) (107) Tämä tarkoittaa, että Gaussisesti yhteisjakautuneiden satunnaismuutujien (X) lineaarinen muunnos (Y = AX) on Gaussisesti yhteisjakautunut Entäjoshalutaan muunnos A joka takaa että muunnetut muuttujat ovat riippumattomia Gaussin jakautuneita muuttujia. Miten muunnos on valittava? Muistetaan, että jos Gaussin muuttujat ovat korreloimattomia, niin ne ovat riippumattomia. Tämä tarkoittaa että muunnoksen kovarianssimatriisin Q = AMA T 149

(sillä (AB) 1 = B 1 A 1 jos käänteismatriisit olemassa) täytyy olla diagonaalinen Eräs ratkaisu on valita muunnosmatriisin sarakkeiksi kovarianssimatriisin M ominaisvektorit, jolloin Q:n diagonaalielementit ovat kovarianssimatriisin M ominaisarvoja Esimerkkinä tästä tarkastellaan kaksiulotteista Gaussin PDF:ää Olkoon kovarianssimatriisi M = [ ] 1 1 2 1 2 1 Määrätään ensin ominaisarvot λ. Nehän toteuttavat yhtälön M λi = 0, jossa I on yksikkömatriisi. Nyt M λi = 1 λ 1 2 1 2 1 λ =(1 λ) 2 1 4 =0 150

josta λ = 3 2 ja λ = 1 2 Seuraavaksi määrätään ominaisvektorit e jotka toteuttavat yhtälöryhmän tai Me = λe (M λi)e =0 Lineaaristen yhtälöryhmien ratkaisuksi saadaan [ ] 1/2 λ = 2 3 e 1 = 1/2 [ ] 1/2 λ = 1 2 e 2 = 1/2 151

Sopiva muunnosmatriisi on siis A =[e 1 e 2 ]= 1/2 Lasketaan AA T joka antaa [ ][ ] 1 1 1 1 1 = 1 2 1 1 1 1 2 joten A 1 = A T ja AMA T = [ ] 1 1 1 1 [ ] 20 02 [ ] 3/2 0 0 1/2 = I 152