Aufgabe 3.1Z: Dreieckförmige WDF

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Dreieck-WDF und Kennlinie  $y(x)$

Wir betrachten eine kontinuierliche Zufallsgröße  $x$  mit der oben skizzierten WDF: 

• Der Minimalwert des Signals ist  $x_{\rm min} = -2\hspace{0.05cm} {\rm V}$. 
• Dagegen ist der maximale Wert  $x_{\rm max}$  ein freier Parameter,  der Werte zwischen  $+2\hspace{0.05cm}\rm V$  und  $+4\hspace{0.05cm} \rm V$  annehmen kann.

Die Zufallsgröße  $x$  soll hier als der Momentanwert eines Zufallssignals aufgefasst werden.  Gibt man dieses Signal  $x(t)$  auf einen Amplitudenbegrenzer mit der Kennlinie  (siehe untere Skizze)

$$y(t)=\left\{\begin{array}{*{4}{c}} -2\hspace{0.05cm} {\rm V} & {\rm falls}\hspace{0.1cm} x(t)<-2\hspace{0.05cm} {\rm V} , \\ x(t) & {\rm falls}\hspace{0.1cm}-2\hspace{0.05cm} {\rm V} \le x(t)\le +2\hspace{0.05cm} {\rm V}, \\ +2\hspace{0.05cm} {\rm V} & {\rm falls}\hspace{0.1cm} {\it x}({\it t})>+2\hspace{0.05cm} {\rm V}, \\\end{array}\right.$$

so entsteht das Signal  $y(t)$  bzw. die neue Zufallsgröße  $y$,  die in den beiden letzten Teilfragen  (5)  und  (6)  betrachtet wird.

• Für die Teilaufgaben  (1)  und  (2)  gelte  $x_{\rm max} = 2\hspace{0.05cm} {\rm V} $.
• Für alle weiteren Teilaufgaben ist  $x_{\rm max} = 4\hspace{0.05cm} {\rm V} $  zu setzen.

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion.

• Eine Zusammenfassung der hier behandelten Thematik bietet das Lernvideo   "Wahrscheinlichkeit und WDF".

Fragebogen

1

Es sei  $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  Berechnen Sie den Parameter  $A = f_x(0)$.

$A \ = \ $ $\ \rm 1/V$

2

Weiterhin sei  $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  Mit welcher Wahrscheinlichkeit ist  $|x(t)|$  kleiner als  $x_{\rm max}/2$?

${\rm Pr}(|\hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}| < 1\hspace{0.05cm} {\rm V}) \ = \ $

3

Nun gelte  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit,  dass  $x$  zwischen  $+1\hspace{0.05cm} {\rm V}$  und  $+3\hspace{0.05cm} {\rm V}$  liegt?

${\rm Pr}(1\hspace{0.05cm} {\rm V} < x <3\hspace{0.05cm} {\rm V}) \ = \ $

4

Es sei weiterhin  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit,  dass  $x$  genau gleich $+2\hspace{0.05cm} {\rm V}$  ist?

${\rm Pr}(x =2\hspace{0.05cm} {\rm V})\ = \ $

5

Es sei weiterhin  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$.  Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?

	$y$  ist eine kontinuierliche Zufallsgröße.
	$y$  ist eine diskrete Zufallsgröße.
	$y$  ist eine gemischt kontinuierlich-diskrete Zufallsgröße.

6

Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit mit  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$,  dass  $y$  genau gleich  $+2\hspace{0.05cm} {\rm V}$  ist?

${\rm Pr}(y =2\hspace{0.05cm} {\rm V})\ = \ $

Musterlösung

Musterlösung

Höhe und Fläche der Dreieck-WDF

(1)  Die Fläche unter der WDF muss stets den Wert  $1$  ergeben.  Daraus folgt:

$${A}/{ 2}\cdot {4\hspace{0.05cm}\rm V}=1\hspace{0.5cm}\Rightarrow\hspace{0.5cm} A \hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.5\;{1}/{V}}.$$

(2)  Mit  $x_{\rm max} = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$  ergibt sich die WDF entsprechend der linken Grafik.

• Die Schraffierung markiert die gesuchte Wahrscheinlichkeit.
• Man erhält durch einfache geometrische Überlegungen:

$${\rm Pr}(|x|<\rm 1\hspace{0.05cm} V)\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 0.75}.$$

(3)  Mit  $x_{\rm max} = +4\hspace{0.05cm} {\rm V}$  erhält  man die rechts dargestellte WDF.

• Den Maximalwert ist nun   $A = 1/(3\hspace{0.05cm} {\rm V})$.
• Die schraffierte Fläche gibt wieder die gesuchte Wahrscheinlichkeit an,  die man zum Beispiel über das flächengleiche Rechteck bestimmen kann:

$${\rm Pr}(1\hspace{0.05cm} {\rm V}< x<3\hspace{0.05cm} {\rm V})=\rm \frac{1}{6\hspace{0.05cm} {\rm V}}\cdot 2\hspace{0.05cm} {\rm V}=\hspace{0.15cm}\underline{0.333}.$$

(4)  Da  $x$  eine kontinuierliche Zufallsgröße darstellt,  ist diese Wahrscheinlichkeit definitionsgemäß gleich Null   ⇒   ${\rm Pr}(x =2\hspace{0.05cm} {\rm V}) \;\underline {= 0}$.

Gemischt kontinuierlich/diskrete WDF

(5)  Nur die letzte Aussage der vorgegebenen Antworten ist zutreffend:

• Die WDF  $f_y(y)$  beinhaltet einen kontinuierlichen Anteil (blau gezeichnet),
• aber auch die (rote) Diracfunktion bei  $y = +2\hspace{0.05cm} {\rm V}$  mit dem Gewicht  ${\rm Pr}(x >2\hspace{0.05cm} {\rm V})$.

(6)  Nebenstehend ist die Wahrscheinlichkeitsdichte der Zufallsgröße  $y$  dargestellt.

• Aus der rechten Abbildung zur Teilaufgabe  (3)  erkennt man den Zusammenhang:

$${\rm Pr}( y=2\hspace{0.05cm} {\rm V}) = {\rm Pr}( x> 2\hspace{0.05cm} {\rm V}) = \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{6\hspace{0.05cm} {\rm V}}\cdot2{\hspace{0.05cm} {\rm V}} = {1}/{6}\hspace{0.15cm}\underline{=0.167}.$$