Culegere de probleme de teoria probabilităţilor si...

Post on 29-Dec-2019

93 views 19 download

Transcript of Culegere de probleme de teoria probabilităţilor si...

1

Culegere de probleme de teoria probabilităţilor si procese aleatoare

Corina Naforniţă

TIMISOARA - 2008

2

Problema 1. Mulţimile A, B, C sunt submulţimi ale mulţimii ( ){ }, : 0 1 si 0 1S x y x y= ≤ ≤ ≤ ≤ . Ele

se definesc prin: ( ){ }, : 1/ 2, 0 1A x y x y= ≤ ≤ ≤ , ( ){ }, : 1/ 2, 0 1B x y x y= ≥ ≤ ≤ şi

( ){ }, : 0 1, 1/ 2 C x y x y= ≤ ≤ ≤ . Determinaţi grafic ( )CA B C∪ ∩ .

Rezolvare

Figura 1.1

***

Problema 2. Dacă mulţimea { }, ,S A B C= conţine trei evenimente elementare, care sunt toate evenimentele posibile? Rezolvare Se ştie că sunt 32 2 8N = = evenimente posibile. Ele sunt:

{ }{ }{ }{ }{ }{ }{ }{ } , , , , ,A B C A B A C B C A B C∅ .

*** Problema 3. Dacă A B⊂ determinaţi { }P B A . Explicaţi rezultatul. Rezolvare

{ } { }{ }

P ABP B A

P A=

3

Aşa cum se vede şi din figură: A B AB A= =∩ şi deci { } { }P AB P A= .

În consecinţă { } 1, daca P B A A B= ⊂ .

Figura 3.1

Dacă evenimentul A s-a produs, cum A B⊂ , rezultă că s-a produs, implicit, şi evenimentul B. De aici { } 1P B A = .

*** Problema 4. Un punct ( )0,1x∈ este ales la întâmplare. Probabilitatea ca el să cadă într-un interval de lungime l este 1l l= . Ştiind că s-a produs evenimentul 1 2x ≥ , determinaţi probabilitatea ca 7 8x ≥ . Rezolvare

7 1 7 77 1 78 2 8 8

11 18 2 422 2

P x x PP x x

P P

⎧ ⎫ ⎧ ⎫≥ ≥⎨ ⎬ ⎨ ⎬⎧ ⎫ ⎩ ⎭ ⎩ ⎭≥ ≥ = = = =⎨ ⎬⎧ ⎫ ⎧ ⎫⎩ ⎭ ⎨ ⎬ ⎨ ⎬⎩ ⎭ ⎩ ⎭

∩.

***

Problema 5. Un sistem de comunicaţii digitale transmite unul din următoarele niveluri continue: -1, 0, 1 . Ca urmare a zgomotului din canal, apar erori. Probabilităţile acestor erori sunt: 1/ 8 când se transmite -1, sau 1 şi 3 / 4 când se transmite 0 .

4

{ } { } { }1 31 1 , 0 .8 4

P eroare P eroare P eroare− = = =

Dacă probabilităţile apriorice de transmitere a celor trei niveluri sunt: { } { }1 1 1 4P P− = =

şi { }0 1 2P = , determinaţi probabilitatea medie statistică a erorii de transmisie. Repetaţi

calculul şi pentru { } { } { }1 0 1 1 3P P P− = = = . Rezolvare

{ } { } { } { } { } { }1 1 0 0 1 1eP P eroare P P eroare P P eroare P− − + += .

Pentru primul caz:

11 1 3 1 1 1 1 3 78 4 4 2 8 4 16 8 16eP ⋅ + ⋅ + ⋅ = + == .

Pentru al doilea caz:

2 11 3 1 1 18 4 8 3 3e eP P⎛ ⎞+ + ⋅ = <⎜ ⎟

⎝ ⎠= .

Se vede că transmiterea unui zero cauzează un număr mare de erori. În al doilea caz probabilitatea de transmitere a unui zero este mai mică, ceea ce explică şi rata mai redusă a erorilor.

*** Problema 6. Arătaţi că avem relaţiile:

{ } { } { } { }{ } { } { }{ } { } { }

) cov , cov , ; cov , cov ,

) cov , cov , cov ,

cov , cov , cov ,

i X cY c X Y cX Y c X Y

ii X X Y X Y X Y

X Y X X Y Y X

= =

+ = +

+ = +

Rezolvare

{ } { }( ) { }( ){ }{ }( ) { }( ){ }{ }( ) { }( ){ }

{ }

,

,

,

) cov ,

cov ,

X Y X Y

X Y X Y

X Y X Y

i X cY E X E X cY E cY

E X E X cY cE Y

cE X E X Y E Y

c X Y

= − −

= − −

= − −

=

La fel se demonstrează şi perechea ei.

5

{ } { }( ) { }( ){ }{ }( ) { }( ) { }{ }{ }( ){ } { }( ) { }( ){ }

{ } { }

, ,

,2

, ,

) cov ,

cov , cov ,

X Y X X Y

X Y X X Y

X Y X X Y X Y

ii X X Y E X E X X Y E X Y

E X E X X E X Y E Y

E X E X E X E X Y E Y

X X X Y

+ = − + − +

= − − + −

= − + − −

= +

La fel se demonstrează şi perechea ei.

*** Problema 7. Două v.a. (variabile aleatoare) X şi Y sunt corelate, având

{ }cov ,X Y cunoscută. Pentru decorelare putem transforma cuplul X ,Y în cuplul W, Z cu:

{ }{ }

1 0 cov ,

1 cov ,W X X Y

aZ a Y X X

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= = −⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦.

Calculaţi { }cov ,W Z şi arătaţi că s-a produs decorelarea. Rezolvare

a) Avem:

{ } { } { } { }{ } { }{ }{ } { } { }

cov , cov , cov , cov ,

cov , cov ,

cov , cov , cov , 0

cov ,

W XZ aX Y

W Z X aX Y X aX X Y

a X X X Y

X YX X X Y

X X

== +

= + = +

= +

= − + =

Cum covarianţa mutuală este nulă, cele două v.a. W şi Z sunt necorelate.

b) Fie: 1 0

, si 1

X WY Z a⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤

= = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

U V G

Avem V U si T= =V GU C GC G

6

{ } { }{ } { }

{ } { }{ } { }

{ } { } { } { }{ } { } { }

{ } { } { } { }2

cov , cov ,1 0 1;

cov , cov ,1 0 1

dar cov , cov ,

cov , cov , 1

cov , cov , cov , cov , 0 1

cov , cov , cov , =

cov , cov , cov , 2 cov , c

X X X Y aY X Y Ya

X Y Y X

X X X Y aa X X X Y Y Y a X Y

X X a X X X Y

a X X X Y a X X a X Y

⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥+ + ⎣ ⎦⎣ ⎦

+

+ + +

=

=

=

V

V

C

C

{ }ov ,Y Y

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

Obţinem:

{ } { } { }cov , cov , cov , 0W Z X Y a X X= + = . Problema 8. Calculaţi pentru v.a. Y :

{ }2

2Y si YY YE Eμ σ

⎧ ⎫⎨ ⎬⎩ ⎭

= = unde Y Y- Y= μ

cunoscând că:

{ }2

2 ; si XXX

XX

XY E X Eμ μ σσ

⎧ ⎫−= = ⎨ ⎬

⎩ ⎭= unde X XX μ−=

Rezolvare

{ } { }1 1 0X X X X

X X X X X XE Y E X E Xμ μ μ μ

σ σ σ σ σ σ⎧ ⎫

= − = − = − =⎨ ⎬⎩ ⎭

,

adică 0Yμ = .

( ){ }222

2

2

X2

X

22 2

X- XY Y-0

1 1 = X 1

X

XX X

E E E E

E

⎧ ⎫⎧ ⎫⎛ ⎞⎧ ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪= = = =⎨ ⎬ ⎨ ⎬ ⎨ ⎬⎜ ⎟⎩ ⎭ ⎝ ⎠⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩ ⎭ ⎩ ⎭

⎧ ⎫= =⎨ ⎬

⎩ ⎭

μσ σ

σσ σ

,

ceeace însemnă că 2 1Yσ = . ***

Problema 9. Arătaţi că dacă , si fiind constanteY aX b a b= + , pentru

,0 1X Ya ρ> = , iar pentru ,0 1X Ya ρ< = − .

Rezolvare. Avem: { } { } { }cov , cov , cov ,X aX b a X X X b+ = + Dar:

7

{ } { }( ) { }( ){ }{ }( )( ){ }

cov ,

0

X b E X E X b E b

E X E X b b

= − −

= − −

=

aşa că rezultă: { } { }{ } { }{ } { } { }2

cov , cov ,

cov ,

X aX b a X X

Disp X X X

Disp Y Disp aX b a Disp X

+ =

=

= + =

Conform definiţiei: { }

{ } { }{ }

{ }{ }{ }

, 2 2

cov , cov ,

cov , sgn

X YX Y a X X

Disp X Disp Y a Disp X

X Xa aa Disp X

ρ =

= ⋅ =

=

Problema 10. In tabel se defineşte un cuplu de v.a. discrete, X şi Y, ce pot lua valorile 0 şi 1 fiecare. Calculaţi: { } { } { } { } { } X,Y, , cov , , , si X YE X E Y X Y Disp X Disp Y ρ .

Y→ X ↓

j=0 j=1 { }XP i

i=0 { },10,08X YP = { },

10,18X YP = + => 1 1 1

8 8 4+ =

i=1 { },11,04X YP = { },

11,12X YP = + => 1 1 3

4 2 4+ =

{ }YP j

1 1 38 4 8

+⇓

+ =

1 1 58 2 8

+⇓

+ =

Rezolvare

{ } { }

{ } { }

1

,0

1

,0

, 0,1

, 0,1

X X Yj

X Yi

Y

P i P i j i

P j P i j j

=

=

= =

= =

Valorile se dau în tabel. Vom verifica corectitudinea sa:

8

{ }

{ }

{ }

1 1

,0 0

1

01

0

1 1 1 1, 1, corect8 8 4 2

1 3 1, corect4 4

3 5 1, corect8 8

X Yi j

Xi

Yj

P i j

P i

P j

= =

=

=

= + + + =

= + =

= + =

∑ ∑

{ } { } { }

{ } { } { }

{ } { } { }

1

01

01 1

, , ,0 0

314

518

1, 1,12

X X Xi

Y Y Yj

X Y X Y X Yi j

E X iP i P

E Y jP j P

E XY ijP i j P

=

=

= =

= = =

= = =

= = =

∑∑

{ } { } { } { },cov , ,

1 3 5 1 2 4 8 32

X Y X YX Y E X Y E X E Y= −

= − ⋅ =

{ } { } { } { }

{ }

212 2 2

0

34

9 3 9 3116 4 16 16

X X Xi

X

Disp X E X E X i P i

P

=

⎛ ⎞= − = − ⎜ ⎟⎝ ⎠

− = − ==

{ } { } { } { }

{ }

212 2 2

0

58

25 5 25 15164 8 64 64

Y Y Yj

Y

Disp Y E Y E Y j P j

P

=

⎛ ⎞= − = − ⎜ ⎟⎝ ⎠

− = − ==

{ }{ } { },

1 1cov , 132 32 0,149

3 15 3 5 3 516 64 32

X YX Y

Disp X Disp Yρ = = = = =

⋅.

***

Problema 11. In tabel se dă repartiţia unui cuplu de v.a. X şi Y ce pot lua doar valorile 0 şi 1. Determinaţi repartiţiile marginale, { } { }, X YP i P j şi coeficientul de corelaţie, ,X Yρ .

9

Y→ X ↓

j=0 j=1

i=0 { },30,08X YP = { },

10,18X YP =

i-1 { },11,08X YP = { },

31,18X YP =

Rezolvare

{ } { } { } { }1 1

, ,0 0

, , 0,1 ; , , 0,1 . X X Y Y X Yj i

P i P i j i P j P i j j= =

= = = =∑ ∑

{ } { }

{ } { }

3 1 1 1 3 10 ; 1 ;8 8 2 8 8 23 1 1 1 3 10 ; 1 ;8 8 2 8 8 2

X X

Y Y

P P

P P

= + = = + =

= + = = + =

{ } { } { } { } { } { }

{ } { } { }

1 1

0 01 1

, , ,0 0

1 11 ; 1 ;2 2

3, 1,18

X X X Y Y Yi j

X Y X Y X Yi j

E X iP i P E Y jP j P

E XY ijP i j P

= =

= =

= = = = = =

= = =

∑ ∑

∑∑

{ } { } { } { },3 1 1cov ,8 4 8X Y X YX Y E XY E X E Y= − = − =

{ } { } { } { } { } { }1 1

2 2 2 2

0 0

1 11 ; 1 ;2 2X X X Y Y Y

i jE X i P i P E Y j P j P

= == = = = = =∑ ∑

{ } { } { }

{ } { } { }

2 22

2 22

1 1 1 ;2 42

1 1 1 ;2 42

X X

Y Y

Disp X E X E X

Disp Y E Y E Y

= − = − =

= − = − =

{ }{ } { },

1cov , 18 ;

21 14 4

X YX Y

Disp X Disp Yρ = = =

Ca verificare:

{ }1 1

,0 0

3 1 1 3, 18 8 8 8X Y

i jP i j

= == + + + =∑∑ , corect.

***

10

Problema 12. In tabel se dă repartiţia a două v.a. X şi Y , ce pot lua fiecare, valorile 1, 2 şi 3. In căsuţe sunt înscrise valorile probabilităţilor { }, ,X YP i j . Determinaţi { }/Y XP j i . Sunt cele două v.a. X şi Y independente statistic?

Y→ X ↓

j=1 j=2 j=3

i=1 110

110

210

i=2 120

120

110

i=3 310

120

120

Rezolvare

Avem:

{ } { }{ }

, ,X YY X

X

P i jP j i

P i=

adică:

{ } { } { }

{ } { }

3

,1

1 1 2 4, , 1, 2,3; 1 ;10 10 10 10

1 1 1 2 3 1 1 4 2 ; 3 ;20 20 10 10 10 20 20 10

X X Y Xj

X X

P i P i j i P

P P

== = = + + =

= + + = = + + =

{ } { }{ } { } { }

{ }

{ } { }{ } { } { }

{ }

, ,/ /

, ,/ /

11, 1,1 1101 , 1,2,3; 11 ;41 1 4

101 2

1,2 1,31 110 10 2 1 ; 3 1 ;4 41 4 1 210 10

X Y X YY X Y X

X X

X Y X YY X Y X

X X

P j PP j j P

P P

P PP P

P P

= = = = =

= = = = = =

11

{ } { }{ } { } { }

{ }

{ } { }{ } { } { }

{ }

, ,/ /

, ,/ /

12, 2,1 1202 , 1,2,3; 1 2 ;22 2 4

101 1

2,2 2,31 120 102 2 ; 3 2 ; 2 22 4 2 210 10

X Y X YY X Y X

X X

X Y X YY X Y X

X X

P j PP j j P

P P

P PP P

P P

= = = = =

= = = = = =

{ } { }{ } { } { }

{ }

{ } { }{ } { } { }

{ }

, ,/ /

, ,/ /

33, 3,1 3103 , 1,2,3; 1 3 ; 43 3 4

101 1

3,2 3,31 120 202 3 ; 3 3 ; 4 43 8 3 810 10

X Y X YY X Y X

X X

X Y X YY X Y X

X X

P j PP j j P

P P

P PP P

P P

= = = = =

= = = = = =

Avem deci:

{ } { } { }

{ } { }

3

,1

1 1 3 9, , j 1,2,3; 1 ;10 20 10 20

1 1 1 4 2 1 1 7 2 ; 3 ;10 20 20 20 10 10 20 20

Y X Y Yi

Y Y

P j P i j P

P P

== = = + + =

= + + = = + + =

Pentru ca cele două v.a. X şi Y să fie statistic independente ar fi necesar ca:

{ } { }/ , 1,2,3.YY XP j i P j i= ∀ =

Dar { }/1 1 11 este , ,4 4 2Y XP j ⎧ ⎫

⎨ ⎬⎩ ⎭

, în timp ce { } 9 4 7 este , ,20 20 20YP j ⎧ ⎫

⎨ ⎬⎩ ⎭

şi deci X şi Y nu

sunt statistic independente.

***

Problema 13. Poate fi

{ }, ,

1 2

1 2 3

1

1 2 3 2

3

0,1,2,3,...1 1 1, , 0,1,2,3,...8 2 4

1,0,1,

k k

X X X

kP k k k k

k

= → ∞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= = → ∞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ = −

12

o funcţie de repartiţie a masei probabiliste pentru vectorul aleator: T

1 2 3 ?X X X⎡ ⎤= ⎣ ⎦X Rezolvare Condiţiile sunt:

1) { }, ,1 2 3 1 2 3 1 2 3, 0, ,, ,X X XP k k k k k k≥ ∀ ∀ ∀ , care este evident indeplinită, şi

2) { }, ,1 2 31 2 3

1 2 3, 1,X X Xk k k

P k k k =∑∑∑ ,

suma fiind efectuată pentru toate valorile posibile ale variabilelor ki .

În cazul de faţă:

1

1 2 1 2

3 1 2 1 2

1

0 0 0 0

1 1 1 1 1 138 2 4 8 2 4

3 1 1 3 4 2 11 18 8 31 12 4

k k k k

k k k k k=−

∞ ∞ ∞ ∞

= = = =

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⋅ =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ =− −

∑ ∑ ∑ ∑ ∑

Concluzia este că { }, ,1 2 3 1 2 3,,X X XP k k k dată poate fi o repartiţie.

Problema 14. Matricea de covarianţă a vectorului 1 2 3, ,T

X X X⎡ ⎤= ⎣ ⎦X este

1 0 10 2 21 2 4

⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

XC . Verificaţi că matricea XC dată poate fi o matrice de covarianţă.

Determinaţi apoi coeficienţii de corelaţie între componentele vectorului:

1 2 2 3 3 1, , ,, , X X X X X Xρ ρ ρ .

***

Rezolvare

XC are o formă de matrice simetrică, cu elementele de pe diagonală (dispersii) pozitive.

Rămâne să vedem dacă este pozitiv semidefinită. Calculăm determinanţii:

1 0 1 1 0 01 0 2 2

2 0, 0 2 2 0 2 2 6 4 2 00 2 2 3

1 2 4 1 2 3= > = = = − = >

13

XC este deci simetrică şi pozitiv definită, deci poate fi matrice de covarianţă. Elementele

de pe diagonală sunt 2 2 21 2 31 2 4, , .σ σ σ= = =

{ }1 2cov 0,X X = (linia 1-a, coloana a 2-a)

1 2, 0X Xρ = (necorelate)

{ }2 3cov 2,X X = (linia 2-a, coloana a 3-a)

{ }

2 3

2 3, 2 2

2 3

cov 2 1 0,7072 4 2

,X X

X Xρ

σ σ= = = =

{ }3 1cov 1,X X = (linia 3-a, coloana a 1-a)

{ }3 1

3 1, 2 2

3 1

cov 1 124

,X X

X Xρ

σ σ= = = .

***

Problema 15. Vectorul aleator 1 2 TX X⎡ ⎤= ⎣ ⎦X are media [ ]3 4 T=Xμ şi matricea de

covarianţă 2 11 2⎡ ⎤

= ⎢ ⎥⎣ ⎦

XC . Vectorul aleator X se transformă în vectorul aleator

1 2 TY Y⎡ ⎤= ⎣ ⎦Y , conform regulii: 1 1 2 1 2; Y YX X X+= = . Determinaţi Yμ , YC şi

1 2Y ,Yρ .

Rezolvare

Avem: 1 1

2 2

1 01 1

Y XY X⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤

=⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦

sau =Y GX .

{ } { }

{ }1 2

Y

Y

1 22 2 3

1 0 3 3 3;

1 1 4 7 7

1 0 2 1 1 1 2 1 1 1 2 3 =

1 1 1 2 0 1 3 3 0 1 3 6

2 6 cov ,

TX

Y X

Y Y Y Y

E E

=

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= = = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

=

= =

Y A X μ

C GGC

σ σ

Rezultă deci: { }1 2

1 2

,1 2

2 23 3 0,866.

22 6cov ,

Y YY Y

Y Y= = = ≅

⋅ρ

σ σ

***

14

Problema 16. Vectorul 1 2, TX X⎡ ⎤= ⎣ ⎦X are matricea de covarianţă

4 11 4⎡ ⎤

= ⎢ ⎥⎣ ⎦

XC .

Determinaţi matricea de transformare G care conduce la decorelarea componentelor vectorului =Y GX .

Rezolvare

Se determină vectorii proprii ai matricei XC .

( ) ( )2

1 1

4 1det 4 1 0

1 4sau 4 1 5 3

λλ λ

λλ λ λ

−− = = − − =

− = ± = =

X uC I

Apoi:

1 1

2 21111 12 11 12

12

v1 1 0 v v si v v 1

v1 1 0

− =⎡ ⎤⎣ ⎦− ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤

= ⇒ = + =⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦

X uC I v 0λ

.

Rezultă

12

12

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

=1v .

Apoi:

2 221 22

212 2

22

21 22 21 22

uv1 1 0

v1 1 0

1 1v v si v +v =1 v v 2 2

λ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤

⎡ ⎤− = =⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦

⇒ = − = = −

XC I v 0.

Matricea modală este:

15

X

1 2

1 11 112 2

1 1 1 122 2

1 111 12

1 1 4 1 1 11 11 1 1 4 1 12 2

5 5 1 11 3 3 1 12

10 0 5 01 0 6 0 32

T

T

⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎡ ⎤

⎡ ⎤ ⎢ ⎥= = = ⎢ ⎥⎣ ⎦ −⎢ ⎥ ⎣ ⎦−⎢ ⎥⎣ ⎦⎡ ⎤⎢ ⎥−⎣ ⎦

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥− −⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎡ ⎤ ⎡ ⎤= ⎢ ⎥ ⎢ ⎥− −⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎡ ⎤ ⎡ ⎤= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦

=

V V V

V

V C V

Considerăm matricea:

1 111 12

T ⎡ ⎤= ⎢ ⎥−⎣ ⎦

=G V

Ea defineşte transformarea care conduce la decorelarea componentelor 1Y şi 2Y :

1 2 1 2

X

2 2,

5 0;

0 3

05 3 Y Y Y Y

⎡ ⎤= = ⎢ ⎥

⎣ ⎦

== =

YC VC V

σ σ ρ

***

Problema 17. Determinaţi constanta c , astfel încât ( ) ( )1 5 , 5g x c x x= − < şi zero în rest, să fie o densitate de probabilitate.

Rezolvare Trebuie ca 0p ≥ , condiţie ce este îndeplinită pentru 0c > , iar aria de sub curbă trebuie să fie unitară. Funcţia ( )g x este reprezentată în figura 17.1, pentru 0c > . Aria aria de sub curbă este 5c . Impunem 5 1c = şi rezultă 1 5c = .

16

Figura 17.1

***

Problema 18. Dacă X este o v.a. cu repartiţie gaussiană, de medie nulă şi dispersie

2 1Xσ = determinaţi { }3P X > . Dacă Y este o v.a. cu distribuţie laplaciană şi dispersie

unitară, 2 1Yσ = , determinaţi { }3P Y > .

Rezolvare

{ } ( )

{ }

3

32 2

3 3

3 2 3

3 3 1,35 10

1 13 222

1 7,18 102

x x

P X Q

P Y e dx e d x

e

∞ ∞− −

− −

> = ≅ ⋅

> = =

= = ⋅

∫ ∫

Se vede că { } { }3 3P Y P X> > > “coada” distribuţiei Laplace fiind mai accentuată ca a distribuţiei normale.

***

Problema 19. Fie ( )2, X μ σ∼ N . Arătaţi că { } b aP a X b Q Qμ μσσ

− −⎛ ⎞ ⎛ ⎞≤ ≤ = − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠.

Rezolvare

17

{ }( )2

2

2

2

2

12

2

1 2

1 2

1 1

b

a

xb

a

xb

a

P a X b e dx

xe d

b ae du

b aQ Q

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

∗ ∗

−−

−−

≤ ≤ =

−⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

− −⎛ ⎞ ⎛ ⎞= = −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

− −⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

∫μ

σ

μσ

μσ

μσ

μ

πσ

μσπ

μ μφ φσ σ

μ μσ σ

a bQ Q− −⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

μ μσ σ

***

Problema 20. Dacă v.a. X este repartizată exponenţial, cu parametrul λ ,

( ) , 00, 0

x

Xe xp x

x

λλ −⎧ ≥⎪= ⎨<⎪⎩

, determinaţi ( )Yp y , dacă 4 1Y X= + .

Rezolvare Transformarea este dată de ( ) 4, 1y g x y x= = + .

Funcţia inversă este ( ) ( )1 41 1x g y y−= = − cu derivata: ( ) ( )1 3

21 14

0.dg yy

dy

−−= − ≥

Avem:

( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

( ) ( )( )

1 34 4

14

34

11

11 14

1

, 1 0 0, 1 0

, 1 4 1

0, 0

Y X

y y

y

Y

dg yp y p g y

dy

e y xy x

e yp y y

y

−−

− − ⋅ −

− −

=

⎧⎪ ≥ ≥= ⎨⎪ < <⎩⎧

>⎪⎪= ⎨ −⎪

≤⎪⎩

λ

λ

λ

λ

***

18

Problema 21. Determinaţi transformarea g, astfel încât ( ) [ ], 0,1X g U U= ∼ U , să aibă densitatea de probabilitate din figură:

Figura 21.1

Rezolvare

( ) ( ) ( )

( )

2 20 0 0

0

2 1 2 2xx x

X Xu

U

F x p t dt t dt t t x x

F u dt u

= = − = − = −

= =

∫ ∫

( ) { } ( ) { } { } { }2 2 2

1,2

2 - - 2 0 11X UF x P X x F u P U u P X x P U u

x x u x x u x u

= ≤ = ≤ ≤ = ≤

= + = −= ±

Dar ( )0,1x∈ şi deci ( )21 1 , 0,1x u u= − − ∈ . Prin urmare, 21 1X U= − − . Dacă se generează un număr aleator uniform distribuit între 0 şi 1, cu relaţia stabilită se generează X cu densitatea de probabilitate, ( ) ,Xp x din figură.

***

Problema 22. Dacă [ ]0,1X ∼ U determinaţi ( )Yp y pentru 3Y X= .

Rezolvare

( ) ( ) [ ] [ ]( )

13 1 3

1 23

0,1 0,1

13

y g x x y y x y

d yy

dy

x gg −

= = = ∈ ⇒ ∈

=

=

19

( ) ( )( ) ( ) ( )1 2

1 323

1 11 0,13

3Y X

d yp y p g y y y

dyy

g− −−= = ⋅ ⋅ = ∈

***

Problema 23. Un detector permite trecerea componentei continue şi a valorilor pozitive. Dacă la intrarea sa se aplică o tensiune ( )2, X μ σ∼ N , care este puterea medie a

semnalului de ieşire?

Figura 23.1

Rezolvare

{ } ( )

( )

{ } { }

2 20

22

0

2 2

2

12

Y

X

E Y y p y dy

x p x dx

E Y E X

σ

=

= =

=

***

Problema 24. O densitate de probabilitate de tipul mixtură între o distribuţie Dirac, ( ) ,xδ şi o distribuţie gaussiană pentru 0x > este:

( ) ( ) ( ) ( )222 1, 01 1 ;

0, 02 2

x

Xx

p x x e x xx

u uσδπσ

− >⎧= + = ⎨ <⎩

Determinaţi puterea medie a v.a. X şi daţi o interpretare fizică pentru X.

Rezolvare

20

{ } ( )22

22

0 0

2 2

212 2

0 2 2 2

xxE X x dx e dxσδ

πσσ σ

∞ ∞ −= +

= + =

∫ ∫

Densitatea de repartiţie este corespunzătoare detectorului, ( )12

xδ fiind componenta

continuă (mai precis repartiţia ei).

***

Problema 25. Pentru mixtura gaussiană X, cu ( )( ) ( )1 12 2

2 21 1 1 12 22 2

x x

Xp x e e− +− −

= +π π

,

determinaţi media şi dispersia. Schiţaţi ( )Xp x .

Rezolvare

( ) ( )1 2 1 21 1 1, 1 si 1, 12 2

X X X X X= −+ ∼ ∼N N

Figura 25.1

( ) { } { }

( )( ) ( )

( ) ( )

2 2

2 2

2 2 2 2

1 2

1 12 2 2 2

1 12 22 2

1 1 1 1

1 1 1 1 02 2 2 2

1 12 2 2 2

1 1 1 1 2 22 2

1 1 2 2 22 2

x x

x x

E X E X E X

E X x e e dx

x e dx x e dx

σ μ σ μ

π π

π π

− +∞ − −

−∞

− +∞ ∞− −

−∞ −∞

+ = + + = +

= + = − =

⎛ ⎞⎜ ⎟= +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

= +

= ⋅ + ⋅ =

∫ ∫

***

21

Problema 26. Dacă [ ],X a a−∼ U determinaţi { }, 0P X γ γ> > . Determinaţi o limită

superioară pentru { }P X γ> folosind inegalitatea lui Cebîşev. Pentru 2a = trasaţi

{ }P X γ> şi limita.

Rezolvare { } { } { } a P X P X P X≤ < = < − + >γ γ γ γ

Figura 26.1

{ }2 3 2

2

0

2 6 3

Xa

a

ax x aE X dxaa a−

=

= = =−∫

μ

Se vede că:

{ } ( ) 1 2 1 , 02

P X a aa a

> = − ⋅ ⋅ = − < ≤γγ γ γ

Cum { } 0 daca X a P X aγ γ≤ ⇒ > = >

{ } 1 , 0

0,

aP X a

a

⎧ − < ≤⎪> = ⎨⎪ >⎩

γ γγ

γ

Conform inegalităţii lui Cebîşev, cu 2 2 / 3X aσ = avem:

{ }2 2

2 23XP X aσ

γγ γ

> ≤ =

22

Figura 26.2

După cum se vede, limita dată de inegalitatea lui Cebîşev este mult acoperitoare.

***

Problema 27. Dacă v.a. X şi Y au repartiţia mutuală ( )2 2

,

1 , 1,

0, in restX Y

x yp x y π

⎧ + ≤⎪= ⎨⎪⎩

schiţaţi ( ), ,X Yp x y şi determinaţi 12

P X⎧ ⎫≤⎨ ⎬⎩ ⎭

.

Rezolvare

Figura 27.1

23

Figura 27.2

( )

2

2 2

2 2

21/2 1 1/2

0 0 01/2

01/2

0

1 1 44 12

11 1 arcsin din tabelele de integrare2 2

1/ 2 1/ 211 1 arcsin0 02 2

1 1 1 1 3 1 arcsin4 4 2 2 8 12

1 4 3 42 8

xP X dx dy x dx

xx dx x x

xx dx x x

P X

−⎧ ⎫≤ = ⋅ = −⎨ ⎬⎩ ⎭

− = − +

− = − +

= − + = +

⎧ ⎫≤ = ⋅ +⎨ ⎬⎩ ⎭

∫ ∫ ∫

π π

π

π1 3 0,61

12 3 2⋅ = + ≅π

π π

***

Problema 28. Determinaţi repartiţiile marginale pentru vectorul aleator [ ] ,TX Y ale

cărui componente au o repartiţie mutuală normală cu media [ ]1 2 T şi matricea de

covarianţă 3 00 2⎡ ⎤

= ⎢ ⎥⎣ ⎦

C .

24

Rezolvare

[ ] ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( )

( )

2 2 2 2

2 2

1 2 1 22 3 2 3 2 3 2 3

,

1 0 1 1 21 1 1 2 131 2 ;212 2 3 2 2 3 20

2 6

1 1 12 6 2 3 2 2

X Y

x y x y

p x p y

X Y

x x yx yx yy

p e e e− − − −

− − − −⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⎡ ⎤⎡ ⎤⎢ ⎥ − − −⎡ ⎤ − −⎡ ⎤− − − = − = ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥− ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦

⎢ ⎥⎣ ⎦=

= = ⋅

C

π π π

Repartiţiile marginale sunt ( ) ( )21,3 si 2,2X ∼N N . Se vede că X şi Y sunt necorelate şi statistic independente.

***

Problema 29. Dacă în vectorul XY⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

, X şi Y au densitatea de repartiţie mutuală

1 2 12 1 2

XY

−⎛ ⎞⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎝ ⎠

∼ N , determinaţi densitatea de repartiţie mutuală pentru WZ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

,

unde 1 12 3

W XZ Y

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤=⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦G

.

Rezolvare Avem:

{ }{ }

1 1 1 32 3 2 8

E WE Z

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤=⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦

şi:

W,Z X,Y

1 1 2 1 1 22 3 1 2 1 3

1 1 1 2 2 51 4 1 3 5 14

T=

−⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

=

= =

C GC G

***

25

Problema 30. Dacă 1 2 11 1 2

XY

⎛ ⎞⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎝ ⎠∼ N , determinaţi media şi dispersia pentru

Z X Y= + .

Rezolvare { } { } { }{ } { } { } { }

, 1 1 2

2cov , 2 2 2 1 6X Y X YE X Y E X E Y

Disp X Y Disp X Disp Y X Y

+ = + = + =

+ = + + = + + ⋅ =

***

Problema 31. Vectorul XY⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

are matricea de covarianţă X,Y2 11 2⎡ ⎤

= ⎢ ⎥⎣ ⎦

C . Găsiţi matricea

G astfel încât GX să aibă componentele decorelate.

Rezolvare

( ) ( )2

1 2

2 12 1 0

1 2 1 3

Detλ

λ λλ

λ λ

−− = = − − =

= =

uC I

11 11 2 21 11 12

12 12

v v1 1 0 v v 1

v v1 1 0λ

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤− = = + =⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦

⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦uC I

Avem:

11 12 11 12

21 21 2 2u2 21 22

22 22

11 1 1v v v v sau 12 2 2

v v1 1 0 v v 1

v v1 1 0

⎡ ⎤= − ⇒ = = − = ⎢ ⎥−⎣ ⎦

−⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤− = = + =⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦

1v

C Iλ

şi:

21 22 21 22 2

2

11 1v v v v sau 12 2

1 11 1 12

⎡ ⎤= ⇒ = = = ⎢ ⎥

⎣ ⎦⎡ ⎤

= =⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎢ ⎥−⎣ ⎦1

v

V v v

unde V este matricea modală. Se ia: 1 111 12

T −⎡ ⎤= ⎢ ⎥

⎣ ⎦=G V

Ca verificare:

26

1 1 2 1 1 1 1 1 1 11 11 1 1 2 1 1 3 3 1 12 2

2 0 1 01 0 6 0 32

T − −⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥− −⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎡ ⎤ ⎡ ⎤

=⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

= =

=

GCG

Noua matrice de covarianţă arată că vectorul GX , cu matricea de covarianţă de mai sus, are componentele necorelate.

***

Problema 32. Dacă 0 2 0

,0 0 2

XY

⎛ ⎞⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎝ ⎠∼ N determinaţi { }2P X Y+ > .

Rezolvare

{ } { } { }

[ ]

[ ] [ ]Z X,Y

0

1 1

2 0 1 11 1 2 2 4

0 2 1 1T

E X Y E X E Y

X XZ X Y

Y Y

+ = + =

⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤

= = = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

G

C GC G

Cum matricea se reduce la un scalar, rezultă că 2 4Zσ = . Prin urmare ( )0, 4Z ∼ N . Avem deci:

{ } ( )2 02 1 0,1592

P Z Q Q−⎛ ⎞> = = =⎜ ⎟⎝ ⎠

***

Problema 33. Pentru a genera două v.a. gaussiene standard (de medie nulă şi dispersie unitară) folosind calculatorul, se pot utiliza transformările Box-Mueller, definite prin:

( )( )

[ ]2ln cos 2

, 0, 12 ln sin 2

W X YX Y

Z X Y

π

π

= −

= −∼ U

X şi Y fiind statistic independente şi uniform distribuite în [ ]0, 1 . Arătaţi că afirmaţia este corectă.

Rezolvare

Punem:

27

2 22 2

2 ln cos 2 ; Z= 2ln sin 2

ZZ = 2ln sau =exp2

W X Y X Y

WW X X

π π= − −

⎧ ⎫++ − −⎨ ⎬

⎩ ⎭

.

Avem:

2 2

2w z

x e+−

= şi 2z tgw

π= , adică 12

zy arctgwπ

= .

şi apoi:

( )( ) 2

2 2 2 2

2 2

2 2

1,1 1,

2 21 1

w z w zwe ze

zx yw ww zz zw w

π π

+ +− −⎡ ⎤− −⎢ ⎥

⎢ ⎥∂ ⎢ ⎥−=⎢ ⎥∂⎢ ⎥⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

( )( )

( ) ( )( ) ( )( )

valoareaabsoluta

determinant

2 2 2 2

2

2 22 2

1

1 1, ,

, 1 1 1det, 2 2

1 1

,, ,

,

w z w z

w z X Y

zx y we ew z z z

w w

x yp p g w z h w z

w z

π π

+ +− −

=

− −

⎡ ⎤⎢ ⎥⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎡ ⎤∂ ⎝ ⎠⎢ ⎥= − + =⎢ ⎥ ⎢ ⎥∂ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎣ ⎦ ⎢ ⎥+ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

⎡ ⎤∂⎢ ⎥∂⎣ ⎦

=

Dar: [ ] [ ]0, 1 si 0, 1X Y∼ ∼U U aşa că ( ), , 1X Yp ⋅ ⋅ = . Rezultă că:

( ) ( ) ( )2 2 2 2

2 2 2,

1 1 1,2 2 2

w z w z

W Z W Zp w z e e e p w p zπ π π

+− − −⋅ == =

Cele două v.a. W şi Z sunt statistic independente şi repartizate normal, standard

( ), 0, 1W Z ∼ N . ***

Problema 34. Repartiţia mutuală a două v.a. X şi Y este:

( )( )

,2 , 0 si 0, 0, in rest

x y

X Ye x y xp x y− +⎧⎪ ≥ ≤ ≤= ⎨

⎪⎩

Determinaţi ( )/Y Xp y x .

28

Rezolvare

( ) ( )( )

,/

,X YY X

X

p x yp y x

p x=

Dar:

( ) ( )

( ) ( ),0 0

0, 2 2

2 1

y yx xX X Y

x xX

x xp x p x y dy e e dy e e

x

p x e e

− −− −

− −

= = =

= −

∫ ∫

Rezultă:

( ) ( )/2 , 0 si 0

12 1

y yx

xY X x xe e ep y x x x y

ee e

− −−

−− −= = ≥ ≥ ≥−−

***

Problema 35. Dacă repartiţia mutuală a v.a. X şi Y este ( ) ( ),

2 , , 0,1 ,

0, in restX Yx x y

p x y⎧ ∈

= ⎨⎩

determinaţi { }1 2 0P Y X> = . Rezolvare

( )1/2

/1 0 02 Y XP Y X p y dy

∞⎧ ⎫> = =⎨ ⎬

⎩ ⎭ ∫

Dar:

( ) ( )( ) ( ) ( )

( )

,,

1

0

/,

; ,

2 2

X YX X Y

X

X

Y Xp x y

p Y X p x p x y dyp x

p x xdy x

−∞= =

= =

şi deci:

( )/2 1 , 0,12Y X

xp x yx= ∈=

Rezultă că: 1

1/2

1 10 12 2

P Y X dy⎧ ⎫> = = ⋅ =⎨ ⎬

⎩ ⎭∫

*** Problema 36. Dacă [ ]0,1X ∼ U şi ( ) [ ]0,Y X x x= ∼ U determinaţi repartiţia mutuală a

celor două v.a. , ( ), , X YP x y precum şi repartiţia marginală ( )YP y .

29

Rezolvare Avem:

( ) ( ) ( )

( )

,

1

/0 11 1, 1 ; 0 1

11 1ln 0 ln ln

X Y X

Y

Y X

y

xp x y p y x p x

yx x

p y dx x yyx y

< <= = ⋅ =

< <

= = = − =∫

***

Problema 37. Pentru v.a. 1 2 3Y X X X= + + , determinaţi: { }a) si b) Disp YYμ , ştiind că pentru vectorul aleator X avem:

( )

[ ]

1 2 3 , cu

1 112 4

1 11 2 3 si 1 2 21 1 14 2

T

T

X X X= ⎡ ⎤⎣ ⎦⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥= =⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

X μ C

μ C

∼ N

. Rezolvare

{ } { } { } { }1 2 3 1 2 3 6E Y E X E X E X= + + = + + =

{ } { }{ }{ }

21 2 3

3 3

1 13 3

1 1

)

cov ,

1 1 1 1 1 1 1 1 12 4 2 2 4 2

11 ,2

i ji j

i ji j

a Disp Y E Y E X X X

E X X

X X

= =

= =

⎧ ⎫⎪ ⎪= = + +⎨ ⎬⎪ ⎪⎩ ⎭

=

=

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + + + + + + + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

=

∑∑

∑∑

suma tuturor elementelor din matricea de covarianţă, C .

30

[ ]

[ ]

1

2

3

) Y= 1 1 1

1 112 4 1

1 1 1 1 1 1 12 2

11 1 14 2

17 7 7 7 11 2 1 24 4 4 4 2

1

TY

Xb X

X

⎡ ⎤⎢ ⎥ =⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

⎡ ⎤⎢ ⎥

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥= = ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦

⎢ ⎥⎣ ⎦⎡ ⎤

⎡ ⎤ ⎢ ⎥= = + + =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦

G

GX

C GCG

şi cum este un singur element, el este dispersia v.a. Y.

***

Problema 38. Dacă ( )1 2

2,

XN

X⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

u0 I∼ σ , determinaţi { }2 2 21 2P X X R+ > .

Rezolvare Din forma matricei de covarianţă, 2σ uI , se deduce necorelarea v.a. 1 2 si X X . Avem:

( )2 2

2

2 21 1 2

1 2 22

2, 2

1 010 1 2

1,2

x y

X Y

x x xx x

x

p x y e+−

⎡ ⎤⎡ ⎤=⎡ ⎤ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣ ⎦

=

+

σ

σ

πσ

31

{ }( ){ }

{ }( )

2 2

2 22

2 2 21 2 1 2

1 2

22

0,2

22

2 2 2 21 2 2

, :

2 2 21 2

2 2 2 21 2 2

2 220

12

cos ; sin ; ;

12

2

r R

x y

x x x x R

r

r

R

P X X R e dxdy

x r x r x x r dxdy rdrd

P X X R e rdrd

d e rdr

⎧ ⎫⎪ ⎪⎨ ⎬⎪ ⎪⎩ ⎭

>∈

+−

+ >

−∞

+ > =

= = + = =

+ > = =

=

∫∫

∫∫

πθ

σ

σ

π σ

πσ

θ θ θ

θπσ

θπσ

22222

22

2

2 12 2

2

rRe e

R

−−

= =⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠

σσπ

πσσ

***

Problema 39. Dacă ( ) { }2 2 2

1 2 3 1 1 1, , unde ,,Y X X X diag σ σ σ= =+ + X 0 C C∼ N ,

determinaţi densitatea de repartiţie pentru Y . Rezolvare Cum 1 2 3 , ,X X X sunt gaussiene şi statistic independente (C are o formă diagonală) iar Y depinde liniar de iX , rezultă că şi Y este repartizată gaussian. Este suficient să-i determinăm media şi matricea de covarianţă. Avem:

{ } { } { }

[ ]

[ ]

1 2 3

1

2

321

22

23

2 2 2 2 2 21 2 3 1 2 3

0

1 1 1

0 0 11 1 1 0 0 1

10 0

1 1

1

Y

TY

E X E X E X

xY x

x

= + + =

⎡ ⎤⎢ ⎥= =⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥= = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦⎡ ⎤⎢ ⎥⎡ ⎤= = + +⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

GX

C GCG

μ

σ

σ

σ

σ σ σ σ σ σ

adică

32

( )2 2 2 2

1 2 32 2 21 2 30,

Y

Y

σ σ σ σ

σ σ σ

= + +

+ +∼ N .

***

Problema 40. Determinaţi media şi dispersia v.a. Y, ( )12

1

1 ; 0,12i i

iY U U

=

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

−∑ ∼ U ,

termenii iU fiind identic distribuiţi şi independenţi statistic (IID).

Rezolvare

( ) { }

( ) ( )

{ }

1 20

12 12

1 112 12 12

1 1 1

1 1 1 1 1 2 4 3 4 12

1 1 1 02 2 2

1 1 12 12

i i

ii i

i ii i i

E U Disp U x dx

E Y E U

Disp Y Disp U DispU

= =

= = =

= = − = − =

⎡ ⎤ ⎡ ⎤= − = − =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎧ ⎫= − = = =⎨ ⎬⎩ ⎭

∑ ∑

∑ ∑ ∑

***

Problema 41. Procesul IID, [ ]X n , are repartiţia ( ) ( )x

Xp x e u x−= . Determinaţi

[ ] [ ] [ ]{ }0 1, 1 1, 2 1P X X X> > > .

Rezolvare Cum eşantioanele [ ] [ ] [ ]0 , 1 , 2X X X sunt statistic independente:

[ ] [ ] [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ }0 1, 1 1, 2 1 0 1 1 1 2 1P X X X P X P X P X> > > = > > >

Cum sunt şi identic distribuite:

[ ] [ ] [ ]{ } { }( )

( )3

31

0 1, 1 1, 2 1 1

1 0,05 x

P X X X P X

e dxe

∞ −

> > > = >

= ≅= ∫

***

Problema 42. Un proces aleator IID, [ ]X n , se transformă în procesul aleator

[ ] [ ]2Y n X n= . Este şi [ ]Y n un proces IID ?

33

Rezolvare

Dacă [ ] [ ] [ ]X 0 , X 1 , X 2 ,....sunt statistic independente, atunci sunt statistic independente şi

[ ]( ) [ ]( ) [ ]( )X 0 , X 1 , X 2g g g . Dacă eşantioanele din X au aceeaşi repartiţie, iar ( )g ⋅ este aceeaşi pentru toate eşantioanele, atunci şi repartiţiile eşantioanelor din Y sunt identice (vezi relaţia de transformare). Răspunsul este, deci, DA !

***

Problema 43. Arătaţi că procesul [ ] [ ], 0 1nX n a n aU= < < , unde [ ]nU este un

zgomot alb, gaussian, de medie nulă şi dispersie 2Uσ , nu este staţionar.

Rezolvare

[ ] [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } 0n nX n E X n E a n a E nU Uμ = = = = ,

deci este o constantă ; staţionaritatea mediei este asigurată.

{ }{ }

1 2

1 2

1 2

1 2 1 2 1 2

1 2

21 2

,

n nX

n n

n nU

C n n E X n X n E a U n a U n

a E U n U n

a n n

+

+

⎡ ⎤= =⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦

= ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦

= −⎡ ⎤⎣ ⎦σ δ

Se observă că 1 2 1 2,X XC n n C n n≠ −⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦ şi deci procesul nu este staţionar.

***

Problema 44. Fie procesul de mediere alunecătoare [ ] [ ]1

0

1 N

iX n U n i

N

== −∑ , unde [ ]U n

este un proces de tip zgomot alb, gaussian, de medie nulă şi dispersie 2Uσ . Determinaţi

coeficientul de corelaţie, 0 , 1X X⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

ρ . Care este comportamentul său asimptotic, adică

atunci când ?N →∞

Rezolvare

34

[ ]{ } [ ]{ }

[ ] [ ]{ } [ ] [ ]{ }

[ ] [ ]

[ ] [ ]{ }1 1

0 02

1

0

1 1

0 0

2

1

1 0

cov 0 , 1 0 , 1

1 1 1

1 1

N N

i jU

N

i

N N

i j

j i

E X n E U n iN

X X E X X

E U i U jN N

E U i U jN

σ δ

− −

= =⎡ ⎤⎣ ⎦

=

− −

= =

− +

= − =

=

⎧ ⎫⎪ ⎪= − −⎨ ⎬⎪ ⎪⎩ ⎭

= − −

∑ ∑

∑∑

[ ]1 1

2

0 0

2

2

21

20, 1 1, 2 2, 3 2, 1

2

1 1

1 1 1 ... 1

1

N N

Ui j

U

U

j i

i j i j i j i N j N

j iN

N

NN

σ δ

σ

σ

− −

= =− +

= = = = = = = − = −

= − +

⎛ ⎞= + + + +⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠−

=

∑∑

[ ]{ } [ ]{ }

[ ] [ ]{ }[ ]{ } [ ]{ }

21 12

2 20 0

0 , 1

22

2

2

1 1

cov 0 , 1

0 1

11

N NU

Un n

X X

U

U

Disp X n Disp U n iNN N

X X

Disp X Disp X

NNN

NN

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦

− −

= == − = =

=

−−

= =

∑ ∑ σσ

ρ

σ

σ

Atunci când N →∞ , 0 , 1 1X Xρ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦

→ , arătând că cele două eşantioane sunt tot mai

puternic corelate.

***

Problema 45. Un proces aleator [ ]Y n este o sumă dintre un proces alb, gaussian, de

medie nulă şi dispersie 2Uσ , [ ]X n , şi o sinusoidă deterministă:

[ ] [ ] ( )0 01sin 2 0,2

Y n X n f n fπ ⎛ ⎞= + ∈⎜ ⎟⎝ ⎠

.

Determinaţi media şi covarianţa pentru procesul [ ]Y n .

Rezolvare

35

[ ]{ } [ ]{ } { }( )( ){ }{ }

0 0

1 2 1 0 1 2 0 2

1 22

2 1

sin 2 sin 2

, sin 2 sin 2

Y

X

E Y n E X n E f n f n

C n n E Y n f n Y n f n

E X n X n

n n

π π

π π

σ δ

= + =

= − −⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

= ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦

= −⎡ ⎤⎣ ⎦

***

Problema 46. Un proces aleator [ ] [ ] [ ]0 1 1X n a U n a U n= + − este definit pentru

n−∞ < < ∞ , 0a şi 1a fiind constante, iar [ ]U n este un proces aleator IID, de medie nulă

şi dispersie 2Uσ . Este [ ]X n un proces aleator în sens larg (WSS) ? Dacă da, determinaţi

pentru el media şi secvenţa de autocorelaţie.

Rezolvare [ ]U n şi [ ]1U n − au aceeaşi distribuţie, deoarece [ ]U n este un proces IID. În consecinţă,

cu 0a şi 1a constante, [ ]X n va fi un proces cu distribuţia identică a eşantioanelor şi deci şi staţionar. Avem:

[ ]{ } [ ]{ } [ ]{ }[ ] [ ]{ } [ ] [ ]( ) [ ] [ ]( ){ }

[ ] [ ] [ ] [ ]{ }[ ] [ ] [ ] [ ]{ }

0 1

0 1 0 1

20 0 1

20 1 1

1 0

1 1

1

1 1 1

E X n a E U n a E U n

E X n X n k E a U n a U n a U n k a U n k

E a U n U n k a a U n U n k

E a a U n U n k a U n U n k

= + − =

+ = + − + + + −

= + + − +

+ + − + − + −

= [ ] [ ] [ ]( ) [ ][ ]{ } ( )

2 2 2 2 20 0 1 1

2 2 20 1

1 1U U U

U

a k a a k k a k

Disp X n a a

σ σ σ

σ

δ δ δ δ+ + + − +

= +

***

Problema 47. Un proces sinusoidal are forma [ ] ( )0 0cos2 , 0, 0.5X n A f n fπ= ∈ iar A

este o v.a. cu repartiţia normală, ( )0,1A ∼ N (amplitudinea odata fixată, procesul se

derulează cu amplitudine constantă; în altă experienţă ea se schimbă însă). Este [ ]X n un proces aleator staţionar în sens larg (WSS)? Dacă da, determinaţi media şi secvenţa de autocorelaţie a procesului.

Rezolvare

36

[ ]{ } { }

{ } { }( ) ( )

02

1 2 0 1 0 2

0 2 1 0 2 1

cos 2 0

cos 2 cos 2

1 cos 2 cos 22

E X n E A f n

E X n X n E A f n f n

f n n f n n

π

π π

π π

= =

=⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎡ ⎤= − + +⎣ ⎦

Cum secvenţa de autocorelaţie a procesului nu este o funcţie numai de ( )2 1n n k− = ,

procesul [ ]X n nu este WSS (staţionar în sens larg). Oricum, media şi autocorelaţia sunt determinate.

***

Problema 48. Un proces aleator staţionar în sens larg, [ ]X n , are [ ]{ }0 1E X = şi

secvenţa de covarianţă 1 2 2 1, 2Xc n n n nδ= −⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦ . Determinaţi secvenţa de autocorelaţie a

procesului. Desenaţi secvenţa [ ]Xr k .

Rezolvare Cum procesul este staţionar în sens larg, e necesar să avem [ ] .E X n cst⎡ ⎤ =⎣ ⎦ ceea ce conduce la:

[ ] [ ]0 1X E X n E Xμ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤= = =⎣ ⎦ ⎣ ⎦

Secvenţa de autocorelaţie se poate determina cunoscând covarianţa: [ ] [ ] [ ]2 12X X Xr k c k kμ δ= + +=

Figura 48.1

***

Problema 49. Procesul aleator [ ]X n constă din două v.a. statistic independente:

37

[ ] ( )( )

0,1 ; par0,1 ; impar

nX n

n⎧⎨⎩

∼NU

Este procesul staţionar în sens larg (WSS) ? Este procesul strict staţionar? Rezolvare

[ ]( )

( ) [ ]

( ){ } ( )( ){ }

2

0,1 0, par, 0 .

3, 3 0, impar

2 33, 3 1; 0,1 1

12

X

E nE X n n const

E n

Disp Disp

μ⎧ =⎡ ⎤⎣ ⎦⎪ = =⎡ ⎤ ⎨⎣ ⎦ ⎡ ⎤− =⎪ ⎣ ⎦⎩

− = = =

∼N

U

U N

Cum eşantioanele sunt necorelate [ ] [ ]Xr k kδ= şi deci procesul [ ]X n este staţionar în

sens larg. Cum 0 1X Xp p⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦

≠ , spre exemplu, [ ]X n nu este strict staţionar.

***

Problema 50. Procesele [ ]X n şi [ ]Y n sunt, fiecare, staţionare în sens larg (WSS).

Fiecare eşantion din [ ]X n este independent de fiecare eşantion din [ ]Y n . Este

[ ] [ ] [ ]Z n X n Y n= + un proces WSS ?

Rezolvare

[ ]{ } [ ]{ } ( )

[ ] [ ]{ } [ ] [ ]( ) [ ] [ ]( ){ }[ ] [ ] [ ] [ ]{ } [ ] [ ]{ }[ ] [ ] [ ] [ ]{ }

. . procesele sunt WSS

.

2

Z

X Y

Z X Y

X Y

X Y

E X n cst E Y n cst

cst

r E Z n Z n k E X n Y n X n k Y n k

r k r k E X n Y n k E Y n X n k

r k r k E X n Y n

μ μ

μ μ μ

= = = =

= + =

= + = + + +

= + + + + +

= + +

[ ] [ ] X Yr k r k= +

Cum Zr este funcţie numai de k şi media este constantă, adică [ ]Z n este un proces WSS.

***

Problema 51. Un proces aleator este definit prin [ ] [ ]X n AU n= unde A este o v.a.

normală, ( )20, AA σ∼ N , iar [ ]U n este un zgomot alb, de medie nulă şi dispersie 2Uσ .

38

Variabila aleatoare A este independentă de toate eşantioanele [ ]U n . Determinaţi

densitatea spectrală de putere (PSD) a procesului [ ]X n .

Rezolvare

[ ]{ } [ ]{ } { } [ ]{ }[ ] [ ] [ ]{ }

[ ] [ ]{ }{ } [ ] [ ]{ }

[ ]

2

2 2

0

X

UA

E X n E AU n E A E U n

r k E X n X n k

E AU n AU n k

E A E U n U n k

kσ σ δ

= = =

= +

= +

= +

=

Dar [ ] ( )1n f↔δF

aşa că [ ] ( ) 2 2 .X X UAr k S f cstσ σ↔ = =F

Procesul este deci un „zgomot alb”, având densitatea spectrală de putere, PSD, constantă cu frecvenţa.

***

Problema 52. Determinaţi densitatea spectrală de putere pentru procesul aleator

[ ] [ ] [ ]1 , , 2

n

X n n n nU U⎛ ⎞= −∞ < < ∞⎜ ⎟⎝ ⎠

fiind un zgomot alb, de medie nulă şi

dispersia 2Uσ .

Rezolvare

[ ]{ } [ ]{ }

[ ] [ ]{ } [ ] [ ] [ ]2

2

1 02

1 1 1 = k 2 2 2

n

n n k n k

U

E X n E n

E X n X n k E n n k

U

U U σ δ+ +

⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠

⎧ ⎫⎪ ⎪⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ = +⎨ ⎬⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎪⎩ ⎭

şi nu depinde numai de k. Procesul nu este staţionar şi deci noţiunea de densitate spectrală de putere nu are sens. Ea există (PSD) numai dacă procesul este WSS.

***

Problema 53. Determinaţi densitatea spectrală de putere a procesului aleator [ ] [ ] [ ]0 1 0 11 unde si X n a U n a U n a a= + − sunt constante, iar [ ]U n este un

zgomot alb, de medie nulă şi dispersie 2Uσ .

Rezolvare

39

[ ]{ } [ ]{ } [ ]{ }[ ] [ ]{ } [ ] [ ]( ) [ ] [ ]( ){ }

[ ] [ ] [ ] [ ]

0 1

0 1 0 12 2 2 2 20 0 1 0 1 1

1 0

1 1

1 1U U U

E X n a E U n a E U n

E X n X n k E a U n a U n a U n k a U n k

a k a a k a a k a kσ δ σ δ σ δ δ

= + − =

+ = + − + + + −

= + + + − +

adică:

[ ] ( ) [ ] [ ] [ ]2 2 2 2 20 1 0 1 0 11 1X U U Ur k a a k a a k a a kσ σ σδ δ δ= + + + −+

Se cunosc perechile Fourier:

[ ] ( )

[ ] ( )

[ ]

2

2

1

1 0.5, 0.5

1

j f

j f

k f

k e f

k e

π

π

δ

δ

δ −

+ ∈ −

F

F

F

Densitatea spectrală de putere este transformata Fourier a procesului staţionar în sens larg (WSS). Se ţine seama de perechile Fourier de mai sus şi rezultă:

( ) ( ) ( )( ) ( )

2 22 2 2 20 1 0 1

2 2 2 20 1 0 1 2 cos2 , 0.5, 0.5

j f j fX U U

U U

S f a a a a e e

a a f a a f

π πσ σ

σ π σ

−= +

= + ∈ −

+ +

+

***

Problema 54. Un proces [ ]X n este definit prin [ ] [ ] , -X n U n n= + ∞ < < ∞μ , unde

[ ]U n este un zgomot alb, de medie nulă şi dispersie 2Uσ . Determinaţi secvenţa de

autocorelaţie şi densitatea spectrală de putere. Reprezentaţi şi grafic autocorelaţia şi PSD.

Rezolvare

[ ]{ } [ ]{ }E X n E U n μ μ= + =

[ ] [ ] [ ]{ } [ ]( ) [ ]( ){ }[ ] [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ }[ ]

2

2 2

X

U

r k E X n X n k E U n U n k

E U n U n k E U n E U n k

k

μ μ

μ μ μ

σ μδ

= + = + + +

= + + + + +

= +

( )

[ ] ( ) ( )[ ] [ ] ( )2 2 2 2

1

1 , 0.5, 0.5

X U U

f

k f f

r k k f

δ

δ

μ δ μ δσ σ↔ ∈ −

= ↔+ +

↔F

F

40

Figura 54.1

***

Problema 55. Un proces aleator are densitatea spectrală de putere ( ) 1 cos 2XS f fπ= + .

Determinaţi [ ]Xr k şi ( )XS f . Reprezentaţi grafic [ ]Xr k şi ( )XS f .

Rezolvare

( )2 2

1 cos 2 12

j f j f

Xe eS f f

π ππ

−+= + = +

Transformata Fourier inversă este funcţia de corelaţie:

[ ] [ ] [ ] [ ]1 11 12 2Xr k k k kδ δ δ= + + + −

41

Figura 55.1

***

Problema 56. Un proces aleator are densitatea spectrală de putere

( )2

2 4112

j f j fXS f e eπ π− −= + + . Determinaţi secvenţa de autocorelaţie a procesului şi

reprezentaţi-o grafic.

Rezolvare Ştim că 2z z z∗= ⋅ . În consecinţă:

( ) 2 4 2 4

2 2 4 4 2 2

4 2 2 4

1 11 12 2

9 1 1 1 1 4 2 2 2 29 1 3 3 1 4 2 2 2 2

j f j f j f j fX

j f j f j f j f j f j f

j f j f j f j f

S f e e e e

e e e e e e

e e e e

π π π π

π π π π π π

π π π π

− −

− − −

− −

⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + + + +⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

= + + + + + +

= + + + +

Luând transformarea Fourier inversă în timp discret, obţinem:

[ ] [ ] [ ] [ ]( ) [ ] [ ]( )9 1 3 2 2 1 14 2 2Xr k n n n n nδ δ δ δ δ= + + − + + −

42

Figura 56.1

***

Problema 57. O sinusoidă definită în timp continuu are ca fază iniţială o v.a. ( ) ( ) ( ) ( )0,2 , cos 2 , ,X t ft fπ πΘ = + Θ ∈ −∞ ∞∼ U (se măsoară în Hz). Determinaţi

funcţiile mediei şi autocorelaţiei procesului ( )X t .

Rezolvare Avem:

( ) ( )1 , 0, 22

pθ θ θ ππ

= ∈

( ) ( ){ } ( ) ( )

( ) ( ) ( ){ } ( ) ( )

( )

2

02

02 2

0 0

21 1cos 2 sin 202 2

1cos 2 cos 22

1 1 1 cos2 cos 2 2 2 cos24 4 2

0X

X

t E X t ft d ft

R E X t X t ft f t d

f d f t d f

= = + = +

= + = + + +⎡ ⎤⎣ ⎦

= + + + =⎡ ⎤⎣ ⎦

=∫

∫ ∫

π

π

π π

πμ π θ θ π θ

π π

τ τ π θ π τ θ θπ

π τ θ π τ θ θ π τπ π

***

Problema 58. Un proces aleator continuu are densitatea spectrală de putere

( ) ( ), unde ,f

XS f e f−

= ∈ −∞ ∞ şi se măsoară în Hz. Determinaţi puterea medie a semnalului, în banda 10 Hz 100 Hz÷ .

43

Rezolvare

( )100

10 100 5

10

102

1002 2 9,08 10 90,8f f

medP e d f e e e W W− − − − −== = − ⋅ =∫ μ

***

Problema 59. Un SLIT având funcţia de transfer ( ) 1 21z z z− −= − −H filtrează un

zgomot alb în timp discret, cu media nulă şi dispersia 2Uσ . Determinaţi secvenţa de

autocorelaţie şi densitatea spectrală de putere pentru semnalul discret de la ieşirea sistemului. Reprezentaţi grafic [ ]Xr k şi ( )XS f .

Rezolvare

Figura 59.1

[ ]U n fiind zgomot alb, are autocorelaţia [ ] [ ]2

U Ur k kσ δ= şi PSD ( ) 2U US f σ= .

( ) ( ) ( )

( ) ( )( )( )( ) ( )

22 2 4 2

2 4 2 4 2

4 4 2

2

1

1 1

3

3 2cos4 , 0.5, 0.5

j f j fX U U

j f j f j f j fX U

j f j fU

U

S f f S f e e

S f e e e e

e e

f f

π π

π π π π

π π

σ

σ

σ

π σ

− −

− −

= = − −

= − − − −

= − −

= − ∈ −

H

Transformata Fourier inversă a PSD este secvenţa de autocorelaţie:

[ ] [ ] [ ] [ ]( ) 23 2 2X Ur k k k kδ δ δ σ= − + − −

44

Figura 59.2 si 59.3

***

Problema 60. Sinusoida [ ] ( ) [ ]cos 2 0,25 , 0,2X n nπ π= ⋅ ⋅ + Θ Θ ∼ U , se aplică la

intrarea sistemului ( ) 1 21 21z b z b z− −= − −H . Determinaţi 1 2, b b astfel încât sinusoida să

fie rejectată de la ieşirea sistemului.

Rezolvare La 0,25f = (frecvenţă digitală) este necesar să avem ( )2 0,25 0je π ⋅ =H . Deoarece

2je j

π= , impunem condiţia 1 2 1 22

1 11 0 1 0 b b b j bj j

− − = ⇒ + + = şi rezultă 1 0b = , şi

2 1. b = − Sistemul ( ) 21z z−= +H va bloca (rejecta) sinusoida de frecvenţă (digitală) 0,25.

***

45

Problema 61. Un proces aleator [ ]X n , staţionar în sens larg, este definit de ecuaţia cu

diferenţe finite [ ] [ ] [ ] [ ]0.5 1 0.5 1X n X n U n U n= − + − − , [ ]U n fiind un zgomot alb de

medie nulă şi dispersie 2Uσ . Determinaţi secvenţa de autocorelaţie şi densitatea spectrală

de putere a procesului [ ]X n .

Rezolvare Dacă se aplică transformarea Z ecuaţiei cu diferenţe finite obţinem:

( ) ( ) ( ) ( )1 10.5 0.5X z X z z z z zU U− −= ⋅ − ⋅+ ,

de unde:

( ) ( )( ) [ ] [ ]

( ) ( )

1

1

2 2

1 0.5 1; 1 0.5

1 si deci , un zgomot alb.X U

X z zz X n U nU z z

f S f

−−

= = = =−

= = σ

H

H

Prin transformare Fourier inversă obţinem autocorelaţia procesului:

[ ] [ ]2X Ur k kσ δ= .

***

Problema 62. La ieşirea unui SLIT se generează procesul [ ] [ ] [ ]1X n U n U n= − − .

Procesul [ ]U n are densitatea spectrală de putere ( ) ( )1 cos 2 , 0.5,0.5US f f fπ= − ∈ − .

Determinaţi secvenţa de autocorelaţie şi densitatea spectrală de putere a procesului [ ]X n . Rezolvare

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )( )

1 1

22 2 2

22 2 2

2

2

1

1 cos2 1 1

2 2 2cos2

2 1 cos2 1 cos2 2 1 cos2

1 cos42 1 2cos2 cos 2 2 1 cos22

3 4cos2 c

j f j f j fU

j f j f j f

X

X

X

X zX z U z z U z z z

U z

S f f e e e

e e e f

S f f f f

fS f f f f

S f f

− −

= − = = −

= − = − −

= − + = −

= − − = −

+⎛ ⎞= − + = − +⎜ ⎟⎝ ⎠

= − +

π π π

π π π

π

π

π π π

ππ π π

π

H

H

H

os4 fπ

Dar, PSD se poate pune sub forma:

46

( ) [ ]cos 2X Xk

S f r k fkπ∞

=−∞= ∑

şi, prin identificare, obţinem:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]4 10 3; 1 1 2; 2 22 2X X X X Xr r r r r= = − = − = − = − =

restul valorilor fiind nule. Se poate deci scrie:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]1 12 2 1 3 2 1 22 2Xr k n n n n nδ δ δ δ δ= + − + + − − + −

***

Problema 63. Un proces aleator care are densitatea spectrală de putere

( ) 22

1

1 0.5X j f

S fe−

=− π

, trebuie filtrat cu un SLIT, pentru a produce un proces aleator

[ ]Y n de tip zgomot alb, cu dispersia 2 4Yσ = . Determinaţi ecuaţia cu diferenţe finite pentru filtrul cerut.

Rezolvare

( ) ( ) ( )

( )

( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )

22 2

2222

2 22 2

2 2 2 2

2 2 2

1

1 0.5

1 0.5

1 0.5 1 0.5

1 0.5

4

4

4

4

2 2

j fY X Y

j fj f

j f j f

j f j f j f j f

j f j f j f

S f e S f

ee

e e

e e e e

e e e

− −

− −

= =

=−

= −

= − −

= − = −

ππ

π π

π π π π

π π π

σH

H

H

H H

H

Rezultă că funcţia de transfer ( )zH a sistemului este:

( ) ( )( )

12 Y zz z

X z−= − =H

se determină acum ecuaţia cu diferenţe finite:

( ) ( ) ( )[ ] [ ] [ ]

1

1 1

22

Y z X z z X z

Y n X n z X n

= −

= − −

***

47

Problema 64. Un SLIT în timp continuu are funcţia pondere ( ) , 00, 0e

h−⎧ ≥

= ⎨<⎩

τ ττ

τ. La

intrarea sistemului se aplică un zgomot alb, de medie nulă şi având dispersia 0 2N . Determinaţi densitatea spectrală de putere de la ieşirea sistemului, ( )YS f . Schiţaţi

( )YS f .

Rezolvare

Zgomot de la intrare fiind alb, funcţia sa de autocorelaţie este ( ) ( )02X

Nr τ δ τ= , şi deci:

( ) ( ) ( )0 02 2X X

N Nr S f= =↔τ δ τ

F

Exponenţiala cauzală are spectrul:

( )

( ) ( )

1, 00, 0

1 , , masurata în Hz.1 2

u

e u fj f

≥⎧= ⎨ <⎩

∈ −∞ ∞+

↔τ

ττ

τ

τπ

F

aşa că:

( )( )

( ) ( ) ( )( )

02 2

2 21 2;

1 2 1 2Y X

N

H f S f H f S fj f f

= = =+ +π π

Figura 64.1

***

48

Problema 65. Un SLIT în timp continuu are răspunsul la impuls ( )1, 00, in rest

t Th t

< <⎧= ⎨⎩

.

La intrarea sa se aplică un zgomot alb cu dispersia 0 2N . Determinaţi şi schiţaţi densitatea spectrală de putere a procesului de ieşire ( )Y t . Rezolvare

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( ) ( ) ( )

0 0

2 2

22 2

222 0

2 2

sin 2 sin22 ; 2

sin

sin adica 2

X X

Tj f j fT

Y X Y

N Nr S f

Tf fTh t u t u t T e T e ff fT

fTH f TfT

N T fTS f H f S f S ffT

− −

= =

= − − ↔ = ∈

=

= =

π π

τ δ τ

π ππ π

ππ

ππ

F

F

Figura 65.1

***

Problema 66. Un circuit RC trece jos, are răspunsul în frecvenţă:

( )1

; 1 2

RCH f fj f

RCπ

= ∈+

49

şi filtrează un zgomot alb având funcţia de autocorelaţie ( ) ( )02X

Nr τ δ τ= . Determinaţi

puterea totală a procesului Y , de la ieşirea filtrului.

Rezolvare Densitatea spectrală de putere a zgomotului alb de la intrarea sistemului este:

( ) 0 2XS f N=

Răspunsul în frecvenţă al sistemului fiind:

( ) ( )00

0 0

2 1 1; , ,2 2 1 2

fH f f f

f j f j f f RCπ

π π π= = = ∈ −∞ ∞

+ +

se determină densitatea spectrală de putere a procesului de la ieşirea filtrului:

( )( )

02

0

121

YN

S ff f

=+

Puterea totală a procesului de la ieşire rezultă integrând PSD:

( )0 0 0 0 0

2 20

0 0 0 0 0 0 0

1 1 v arctgv2 2 21 v1

2

2 2 2 2 4 4

YN N f N f

P df df f

N f N f N f NRC

π ππ π

∞ ∞

−∞ −∞

∞= = =

−∞++

⎛ ⎞= + = = =⎜ ⎟⎝ ⎠

∫ ∫

***