Geschreven door studenten die geslaagd zijn Direct beschikbaar na je betaling Online lezen of als PDF Verkeerd document? Gratis ruilen 4,6 TrustPilot
logo-home
Tentamen (uitwerkingen)

ps5_solution_W19 University of California, San Diego ECE 250

Beoordeling
-
Verkocht
-
Pagina's
13
Cijfer
A+
Geüpload op
17-02-2023
Geschreven in
2022/2023

UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN DIEGO Electrical & Computer Engineering Department ECE 250 - Winter Quarter 2019 Random Processes Solutions to P.S. #5 1. Cauchy–Schwartz inequality. (a) Prove the following inequality: (E(XY ))2 ≤ E(X2 )E(Y 2 ). (Hint: Use the fact that for any real t, E((X + tY ) 2 ) ≥ 0.) (b) Prove that equality holds if and only if X = cY for some constant c. Find c in terms of the second moments of X and Y . (c) Use the Cauchy–Schwartz inequality to show the correlation coefficient |ρX,Y | ≤ 1. (d) Prove the triangle inequality: p E((X + Y ) 2) ≤ p E(X2) + p E(Y 2). Solution: (a) We have, for every t ∈ R, E[(X + tY ) 2 ] ≥ 0, i.e., min t∈R  t 2E[Y 2 ] + 2tE[XY ] + E[X 2 ]  ≥ 0. From calculus, we see that the expression on the left attains its minimum value when t = − E[XY ] E[Y 2 ] , and this minimum value is given by E[X2 ] − (E[XY ])2 E[Y 2] . Thus, since E[Y 2 ] is non-negative, we have E[X 2 ]E[Y 2 ] − (E[XY ])2 ≥ 0, i.e. (E[XY ])2 ≤ E[X 2 ]E[Y 2 ]. (b) For the “if” part, we see that if X = cY for some constant c, then E[X2 ] = c 2E[Y 2 ] and E[XY ] = cE[Y 2 ], thus (E[XY ])2 = c 2 (E[Y 2 ])2 = c 2E[Y 2 ]E[Y 2 ] = E[X2 ]E[Y 2 ]. Thus, equality holds in this case. For the “only if” part, we see from part (a) that equality will hold only if for some real t, E[(X + tY ) 2 ] = 0. Since (X + tY ) 2 is non-negative, this implies that X + tY = 0, i.e., X = −tY . Writing c = −t, the result follows. 1 (c) Writing X1 = X − E[X] and Y1 = Y − E[Y ], we have, from the Cauchy-Schwartz inequality, (E[X1Y1])2 ≤ E[X 2 1 ]E[Y 2 1 ] =⇒ (E[X1Y1])2 E[X2 1 ]E[Y 2 1 ] ≤ 1 =⇒ (E[(X − E[X])(Y − E[Y ])])2 E[(X − E[X])2]E[(Y − E[Y ])2] ≤ 1 =⇒ (Cov(X, Y ))2 Var(X) Var(Y ) ≤ 1 =⇒ ρ 2 X,Y ≤ 1 =⇒ |ρX,Y | ≤ 1. (d) We have (E[XY ])2 ≤ E[X2 ]E[Y 2 ] and thus, E[XY ] ≤ |E[XY ]| ≤ p E[X2]E[Y 2]. Thus, E[(X + Y ) 2 ] = E[X2 ] + E[Y 2 ] + 2E[XY ] ≤ E[X2 ] + E[Y 2 ] + 2p E[X2]E[Y 2] = p E[X2] + p E[Y 2] 2 , and taking square roots, the result follows. 2. Neural net. Let Y = X + Z, where the signal X ∼ U[−1, 1] and noise Z ∼ N(0, 1) are independent. (a) Find the function g(y) that minimizes MSE = E (sgn(X) − g(Y ))2 , where sgn(x) = ( −1 x ≤ 0 +1 x 0. (b) Plot g(y) vs. y. Solution: The minimum MSE is achieved when g(Y ) = E(sgn(X)| Y ). We have g(y) = E(sgn(X)| Y = y) = Z ∞ −∞ sgn(x)fX|Y (x|y) dx . To find the conditional pdf of X given Y , we use fX|Y (x|y) = fY |X(y|x)fX(x) fY (y) , where fX(x) = (1 2 −1 ≤ x ≤ 1 0 otherwise. 2 Since X and Z are independent, fY |X(y|x) = fZ(y − x) ⇒ Y | {X = x} ∼ N (x, 1). To find fY (y) we integrate fY |X(y|x)fX (x) over x : fY (y) = Z ∞ −∞ fY |X(y|x)fX(x) dx = Z 1 −1 1 2 √ 2π e − (y−x) 2 2 dx = 1 2 Z 1 −1 1 √ 2π e − (y−x) 2 2 dx = 1

Meer zien Lees minder
Instelling
Vak

Voorbeeld van de inhoud

UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN DIEGO
Electrical & Computer Engineering Department
ECE 250 - Winter Quarter 2019
Random Processes

Solutions to P.S. #5


1. Cauchy–Schwartz inequality.

(a) Prove the following inequality: (E(XY ))2 ≤ E(X 2 )E(Y 2 ). (Hint: Use the fact that for
any real t, E((X + tY )2 ) ≥ 0.)
(b) Prove that equality holds if and only if X = cY for some constant c. Find c in terms of
the second moments of X and Y .
(c) Use the Cauchy–Schwartz inequality to show the correlation coefficient |ρX,Y | ≤ 1.
p p p
(d) Prove the triangle inequality: E((X + Y )2 ) ≤ E(X 2 ) + E(Y 2 ).

Solution:
 
(a) We have, for every t ∈ R, E[(X + tY )2 ] ≥ 0, i.e., min t2 E[Y 2 ] + 2tE[XY ] + E[X 2 ] ≥ 0.
t∈R

From calculus, we see that the expression on the left attains its minimum value when
E[XY ]
t=− , and this minimum value is given by
E[Y 2 ]
(E[XY ])2
E[X 2 ] − . Thus, since E[Y 2 ] is non-negative, we have
E[Y 2 ]

E[X 2 ]E[Y 2 ] − (E[XY ])2 ≥ 0, i.e.

(E[XY ])2 ≤ E[X 2 ]E[Y 2 ].
(b) For the “if” part, we see that if X = cY for some constant c, then E[X 2 ] = c2 E[Y 2 ] and
E[XY ] = cE[Y 2 ], thus

(E[XY ])2 = c2 (E[Y 2 ])2
= c2 E[Y 2 ]E[Y 2 ]
= E[X 2 ]E[Y 2 ].

Thus, equality holds in this case.

For the “only if” part, we see from part (a) that equality will hold only if for some
real t, E[(X + tY )2 ] = 0.

Since (X + tY )2 is non-negative, this implies that X + tY = 0, i.e., X = −tY . Writing
c = −t, the result follows.

1

, (c) Writing X1 = X − E[X] and Y1 = Y − E[Y ], we have, from the Cauchy-Schwartz
inequality,
(E[X1 Y1 ])2 ≤ E[X12 ]E[Y12 ]
(E[X1 Y1 ])2
=⇒ ≤1
E[X12 ]E[Y12 ]
(E[(X − E[X])(Y − E[Y ])])2
=⇒ ≤1
E[(X − E[X])2 ]E[(Y − E[Y ])2 ]
(Cov(X, Y ))2
=⇒ ≤1
Var(X) Var(Y )
=⇒ ρ2X,Y ≤1
=⇒ |ρX,Y | ≤ 1.

(d) We have (E[XY ])2 ≤ E[X 2 ]E[Y 2 ] and thus,
p
E[XY ] ≤ |E[XY ]| ≤ E[X 2 ]E[Y 2 ].

Thus,
E[(X + Y )2 ] = E[X 2 ] + E[Y 2 ] + 2E[XY ]
≤ E[X 2 ] + E[Y 2 ] + 2 E[X 2 ]E[Y 2 ]
p
p p 2
= E[X 2 ] + E[Y 2 ] ,

and taking square roots, the result follows.

2. Neural net. Let Y = X + Z, where the signal X ∼ U[−1, 1] and noise Z ∼ N(0, 1) are
independent.
(a) Find the function g(y) that minimizes
MSE = E (sgn(X) − g(Y ))2 ,
 

where (
−1 x ≤ 0
sgn(x) =
+1 x > 0.
(b) Plot g(y) vs. y.

Solution: The minimum MSE is achieved when g(Y ) = E(sgn(X) | Y ). We have
Z ∞
g(y) = E(sgn(X) | Y = y) = sgn(x)fX|Y (x|y) dx .
−∞

To find the conditional pdf of X given Y , we use
(1
fY |X (y|x)fX (x) 2 −1 ≤ x ≤ 1
fX|Y (x|y) = , where fX (x) =
fY (y) 0 otherwise.

2

Geschreven voor

Vak

Documentinformatie

Geüpload op
17 februari 2023
Aantal pagina's
13
Geschreven in
2022/2023
Type
Tentamen (uitwerkingen)
Bevat
Vragen en antwoorden

Onderwerpen

$8.49
Krijg toegang tot het volledige document:

Verkeerd document? Gratis ruilen Binnen 14 dagen na aankoop en voor het downloaden kun je een ander document kiezen. Je kunt het bedrag gewoon opnieuw besteden.
Geschreven door studenten die geslaagd zijn
Direct beschikbaar na je betaling
Online lezen of als PDF

Maak kennis met de verkoper

Seller avatar
De reputatie van een verkoper is gebaseerd op het aantal documenten dat iemand tegen betaling verkocht heeft en de beoordelingen die voor die items ontvangen zijn. Er zijn drie niveau’s te onderscheiden: brons, zilver en goud. Hoe beter de reputatie, hoe meer de kwaliteit van zijn of haar werk te vertrouwen is.
Themanehoppe American Intercontinental University Online
Volgen Je moet ingelogd zijn om studenten of vakken te kunnen volgen
Verkocht
347
Lid sinds
4 jaar
Aantal volgers
224
Documenten
3784
Laatst verkocht
1 dag geleden

3.5

55 beoordelingen

5
25
4
7
3
7
2
3
1
13

Recent door jou bekeken

Waarom studenten kiezen voor Stuvia

Gemaakt door medestudenten, geverifieerd door reviews

Kwaliteit die je kunt vertrouwen: geschreven door studenten die slaagden en beoordeeld door anderen die dit document gebruikten.

Niet tevreden? Kies een ander document

Geen zorgen! Je kunt voor hetzelfde geld direct een ander document kiezen dat beter past bij wat je zoekt.

Betaal zoals je wilt, start meteen met leren

Geen abonnement, geen verplichtingen. Betaal zoals je gewend bent via iDeal of creditcard en download je PDF-document meteen.

Student with book image

“Gekocht, gedownload en geslaagd. Zo makkelijk kan het dus zijn.”

Alisha Student

Bezig met je bronvermelding?

Maak nauwkeurige citaten in APA, MLA en Harvard met onze gratis bronnengenerator.

Bezig met je bronvermelding?

Veelgestelde vragen