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通信工学概論 Introduction to Communication Engineering

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Academic year: 2021

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(1)

通信工学概論

Introduction to Communication Engineering

後半第2回講義資料

Second part, Lecture notes 2

離散的な事象の確率

Probability Theory on Discrete Events

豊橋技術科学大学

Toyohashi University of Technology

電気・電子情報工学系

Department of Electrical and Electronic Information Engineering

准教授 竹内啓悟

Associate Professor Keigo Takeuchi

(2)

確率とは何か?

(What is probability?)

確率とは相対頻度である。

(Probability is a relative frequency.)

例2

.

.

(Example 2.2.1)

コインを投げると、確率

1/2

で表が出る。

(A head occurs with probability 1/2 in tossing a coin.)

百万回コインを投げると、約50万回表が出る。

Heads occur approximately half a million times when a coin is tossed one million times.

例2

.

.

(Example 2.2.2)

サイコロを振ると、確率

1/6

で2が出る。

(2 occurs with probability 1/6 in rolling a dice.)

6百万回サイコロを振ると、約百万回2が出る。

2 occurs approximately one million times when a dice is rolled six million times.

(3)

非一様な確率

(Non-uniform probability)

例2

.

.

Example 2.2.3

発生確率は常に等確率というわけではない。

Occurrence probability is not always uniform.

サイコロを振ると、2以下の目が確率

1/3

で出る。

The eyes on the dice are less than 3 with probability 1/3 in rolling a dice.

サイコロを3百万回振ると、2以下の目が約百万回出る。

The eyes become less than 3 approximately one million times when a dice is rolled three million times.

サイコロの目

(Eyes on the dice)

出た回数

(Number of occurrences)

1 498616

2 500986

3 501127

・・・

・・・

(4)

確率変数

(Random variables)

確率変数は、発生する事象に応じて割り当てられた実数値を取る。

A random variable takes real numbers allocated according to occurrence events.

例2

.

.

(Example 2.2.4)

サイコロを振ったときに、出た目に千円をかけた賞金が得られるゲームを行う。

賞金を表す離散確率変数

𝑋

を定義せよ。

In rolling a dice, you get one thousand yen times the number equal to the eye. Define a discrete random variable 𝑋 that represents the prize money in this game.

𝑋 = 1000

となる確率は

1/6

である。

𝑋 = 1000 holds with probability 1/6.

ℙ 𝑋 = 1000 = 1/6

と書く。

We write this as ℙ 𝑋 = 1000 = 1/6.

同様に、

ℙ 𝑋 = 2000 = 1/6

、・・・、

ℙ 𝑋 = 6000 = 1/6

を得る。

Similarly, we have ℙ 𝑋 = 2000 = 1/6, …, ℙ 𝑋 = 6000 = 1/6.

離散確率変数を定義するとは、各値を取る確率を定めることである。

A discrete random variable is defined via determining probabilities with which it takes all possible values.

(5)

離散確率変数

(Discrete random variables)

例2

.

.

(Example 2.2.5)

{−3, −1, 1, 3}

のいずれかを等確率で取る4

PAM

信号を考える。

PAM

信号の振幅を表す離散確率変数

𝑋

を定義せよ。

Consider a 4 PAM signal that takes −3, −1, 1, or 3 with uniform probability. Define a discrete random variable 𝑋 that represents the amplitude of the 4 PAM signal.

ℙ 𝑋 = −3 = 1

4 , ℙ 𝑋 = −1 = 1 4 , ℙ 𝑋 = 1 = 1

4 , ℙ 𝑋 = 3 = 1 4

3 1

−3 −1

デジタル信号は、離散確率変数を使って表現できる。

A digital signal can be represented with a discrete random variable.

(6)

平均とは何か?

(What is mean?)

算術平均

(Arithmetic mean)

実数列

{𝑎 1 , … , 𝑎 𝑁 }

に対して、

(For a real sequence {𝑎

1

, … , 𝑎

𝑁

},)

1 𝑁 ෍

𝑛=1 𝑁

𝑎 𝑛 = 𝑎 1 + 𝑎 2 + ⋯ + 𝑎 𝑁 𝑁

幾何平均

(Geometric mean)

𝑛=1 𝑁

𝑎 𝑛

1/𝑁

=

𝑁

𝑎 1 𝑎 2 ⋯ 𝑎 𝑁

算術平均は統計学における標本平均と同じである。

The arithmetic mean is the same as sample mean in statistics.

確率論で扱う平均は、このいずれでもない。

Mean in probability theory is neither the arithmetic nor geometric mean.

(7)

確率論における平均の例

(Example of mean in probability theory)

例2

.

.

(Example 2.2.6)

例2

.

.

4のゲームを百万回行ったときに、得られる賞金の算術平均を答えよ。

Answer the arithmetic mean of the prize money obtained via one million game trials in Example 2.2.4.

サイコロの目

Eyes on the dice

出た回数

Number of occurrences

賞金総額

Total prize money

1 165740 165740000

2 166951 333902000

3 165564 496692000

4 165918 663672000

5 167749 838745000

6 168078 1008468000

賞金総額の算術平均は、

(The arithmetic mean of the total prize money is)

165740000 + 333902000 + ⋯ + 1008468000

1000000 = 3507.219 ≈ 3.5 × 10 3

(8)

例2

.

.

(Example 2.2.7)

例2

.

.

4のゲームを無限回行ったときに、得られる賞金の算術平均を答えよ。

Answer the arithmetic mean of the prize money obtained via infinite game trials in Example 2.2.4.

ゲームの試行回数を

𝑛

とし、サイコロの目

𝑖

= 1, 2, … , 6

)が出た回数を

𝑛 𝑖

とすると、

For 𝑛 game trials, let 𝑛

𝑖

denote the number of occurrences for the eye 𝑖 (= 1, 2, … , 6) on the dice.

1

𝑛 1000𝑛 1 + 2000𝑛 2 + 3000𝑛 3 + 4000𝑛 4 + 5000𝑛 5 + 6000𝑛 6

極限

𝑛 → ∞

において、相対頻度

𝑛 𝑖 /𝑛

は確率

1/6

に収束するので、

The relative frequency 𝑛

𝑖

/𝑛 tends to probability 1/6 in the limit 𝑛 → ∞. Thus,

= 1000 𝑛 1

𝑛 + 2000 𝑛 2

𝑛 + 3000 𝑛 3

𝑛 + 4000 𝑛 4

𝑛 + 5000 𝑛 5

𝑛 + 6000 𝑛 6 𝑛

→ 1000 1

6 + 2000 1

6 + 3000 1

6 + 4000 1

6 + 5000 1

6 + 6000 1

6 = 3500 ∎

確率論における平均の例

(Example of mean in probability theory)

(9)

例2

.

.

(Example 2.2.8)

サイコロを振ったときに、2以下の目が出たときに千円を、それ以外の場合に

2

千円を獲得できるゲームを考える。このゲームを無限回行ったときに得られ る賞金の算術平均を答えよ。

Suppose that one thousand yen is obtained in rolling a dice when the eye on the dice is smaller than 3.

Otherwise, two thousand yen is obtained. Answer the arithmetic mean of the total prize money obtained in infinite trials of this game.

ゲームの試行回数を

𝑛

とし、千円と二千円が得られた回数をそれぞれ

𝑛 1

𝑛 2

とする。

For 𝑛 game trials, let 𝑛

1

and 𝑛

2

denote the number of events in which one or two thousand yen has been obtained, respectively.

1000𝑛 1 + 2000𝑛 2

𝑛 = 1000 𝑛 1

𝑛 + 2000 𝑛 2

𝑛 → 1000 1

3 + 2000 2

3 = 5000 3

極限は、相対頻度

𝑛 1 /𝑛

𝑛 2 /𝑛

がそれぞれ確率

1/3

2/3

に収束するため。

The limit holds because the relative frequency 𝑛

1

/𝑛 and 𝑛

2

/𝑛 tends to probability 1/3 and 2/3, respectively.

確率論における平均の例

(Example of mean in probability theory)

(10)

確率論における平均

(Mean in probability theory)

𝐾

個の離散値

{𝑥 𝑘 : 𝑘 = 1, … , 𝐾}

をそれぞれ確率

𝑝 𝑘

で取る離散確率変数

𝑋

の平均

𝔼 𝑋

は以下で定義される。

Let 𝑋 denote a discrete random variable that takes 𝐾 discrete values {𝑥

𝑘

: 𝑘 = 1, … , 𝐾} with probability 𝑝

𝑘

, respectively. The mean 𝔼 𝑋 of 𝑋 is defined as follows:

𝔼 𝑋 = ෍

𝑘=1 𝐾

𝑥 𝑘 𝑝 𝑘 = 𝑥 1 𝑝 1 + 𝑥 2 𝑝 2 + ⋯ + 𝑥 𝐾 𝑝 𝐾

実現値にその発生確率をかけた項の総和

Summation of realizations multiplied by the corresponding occurrence probability

期待値

(Expectation)

確率変数を含まない決定論的な実関数を

𝑓

とする。上記の確率変数

𝑋

に対して、

𝑓(𝑋)

の期待値

𝔼[𝑓 𝑋 ]

は以下で定義される。

Let 𝑓 denote a deterministic real function that contains no random variables. For the random variable defined above, the expectation of 𝑓(𝑋) is defined as follows:

𝔼 𝑓(𝑋) = ෍

𝑘=1 𝐾

𝑓(𝑥 𝑘 )𝑝 𝑘 = 𝑓(𝑥 1 )𝑝 1 + 𝑓(𝑥 2 )𝑝 2 + ⋯ + 𝑓(𝑥 𝐾 )𝑝 𝐾

(11)

注意

(Remarks)

恒等写像

𝑓 𝑥 = 𝑥

の場合の期待値

𝔼 𝑓 𝑋 = 𝔼[𝑋]

を平均と呼ぶ。

• 𝑓 𝑥 = 𝑥 − 𝔼 𝑋 2

の場合の期待値

𝕍 𝑋 = 𝔼[ 𝑋 − 𝔼[𝑋] 2 ]

を分散と呼ぶ。

例2

.

.

7の場合

(In the case of Example 2.2.7,)

例2

.

.

8の場合

(In the case of Example 2.2.8,)

For the identity mapping 𝑓 𝑥 = 𝑥, the expectation 𝔼[𝑓 𝑋 ] = 𝔼[𝑋] is called mean.

For 𝑓 𝑥 = 𝑥 − 𝔼 𝑋

2

, the expectation 𝕍 𝑋 = 𝔼[ 𝑋 − 𝔼[𝑋]

2

] is called variance.

𝑥 1 = 1000, 𝑥 2 = 2000, 𝑥 3 = 3000, 𝑥 4 = 4000, 𝑥 5 = 5000, 𝑥 6 = 6000 𝑝 𝑘 = ℙ 𝑋 = 𝑥 𝑘 = 1

6 for 𝑘 = 1, 2, … , 6

𝑥 1 = 1000, 𝑥 2 = 2000 𝑝 1 = ℙ 𝑋 = 𝑥 1 = 1

3 , 𝑝 2 = ℙ 𝑋 = 𝑥 2 = 2

3

(12)

演習

(Exercise)

例2

.

.

5で定義した4

PAM

信号を表す離散確率変数

𝑋

の平均と分散を計算せよ。

Compute the mean and variance of the discrete random variable 𝑋 that represents 4 PAM signals defined

in Example 2.2.5.

参照

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