情報通信システム
(
特)
論II
Information and Communication Systems II
第2回講義資料
Lecture notes 2
複素ガウス分布
Complex Gaussian Distributions
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
実ガウス分布
(Real Gaussian distributions)
実ガウス確率変数
𝑋𝑋
の確率密度関数Probability density function (pdf) of a real Gaussian random variable 𝑋𝑋
𝑝𝑝 𝑋𝑋 𝑥𝑥 = 1
2𝜋𝜋𝜎𝜎 2 𝑒𝑒 − 𝑥𝑥−𝜇𝜇
2
2𝜎𝜎 2 , 𝑥𝑥 ∈ ℝ.
𝑋𝑋 ∼ 𝒩𝒩 (𝜇𝜇, 𝜎𝜎 2 )
𝐼𝐼 = �
−∞
∞ 1
2𝜋𝜋𝜎𝜎 2 𝑒𝑒 − 𝑥𝑥−𝜇𝜇
2
2𝜎𝜎 2 𝑑𝑑𝑥𝑥 = 1.
規格化
(Normalization)
証明
(Proof)
: 二重積分を使って、𝐼𝐼 2 = 1
を証明する。(Prove 𝐼𝐼 2 = 1 with a double integral.)
𝐼𝐼 2 = �
ℝ 2
1
2𝜋𝜋𝜎𝜎 2 𝑒𝑒 − 𝑥𝑥−𝜇𝜇
2 + 𝑦𝑦−𝜇𝜇 2
2𝜎𝜎 2 𝑑𝑑𝑥𝑥𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑥𝑥 = 𝜇𝜇 + 𝑟𝑟 cos 𝜃𝜃
、𝑑𝑑 = 𝜇𝜇 + 𝑟𝑟 sin 𝜃𝜃
と変数変換するために、ヤコビアンを計算する。To perform the change of variables, we compute the Jacobian.
𝐽𝐽 = 𝜕𝜕𝑥𝑥/𝜕𝜕𝑟𝑟 𝜕𝜕𝑥𝑥/𝜕𝜕𝜃𝜃
𝜕𝜕𝑑𝑑/𝜕𝜕𝑟𝑟 𝜕𝜕𝑑𝑑/𝜕𝜕𝜃𝜃 = cos 𝜃𝜃 −𝑟𝑟 sin 𝜃𝜃
sin 𝜃𝜃 𝑟𝑟 cos 𝜃𝜃 = 𝑟𝑟 cos 2 𝜃𝜃 + 𝑟𝑟 sin 2 𝜃𝜃 = 𝑟𝑟.
𝐼𝐼 2 = �
ℝ 2
1
2𝜋𝜋𝜎𝜎 2 𝑒𝑒 − 𝑥𝑥−𝜇𝜇
2 + 𝑦𝑦−𝜇𝜇 2
2𝜎𝜎 2 𝑑𝑑𝑥𝑥𝑑𝑑𝑑𝑑 = 1
2𝜋𝜋𝜎𝜎 2 �
0
∞ 𝑑𝑑𝑟𝑟 �
0
2𝜋𝜋 𝑑𝑑𝜃𝜃 𝑒𝑒 − 𝑟𝑟
2
2𝜎𝜎 2 𝐽𝐽 = 1.
∎
ガウス分布の性質
(Properties of Gaussian distributions)
平均
(Mean)
:� −∞
∞ 𝑥𝑥𝑝𝑝 𝑋𝑋 𝑥𝑥 𝑑𝑑𝑥𝑥 = �
−∞
∞ 𝑥𝑥 1
2𝜋𝜋𝜎𝜎 2 𝑒𝑒 − 𝑥𝑥−𝜇𝜇
2
2𝜎𝜎 2 𝑑𝑑𝑥𝑥 = 𝜇𝜇 + �
−∞
∞ 𝜎𝜎𝜎𝜎 1
2𝜋𝜋 𝑒𝑒 −𝑢𝑢 2 2 𝑑𝑑𝜎𝜎 = 𝜇𝜇 . 𝜎𝜎 = 𝑥𝑥 − 𝜇𝜇 /𝜎𝜎
と変数変換すると、(Using the change of a variable yields)
二番目の等号で、規格化条件を使った。
In the second equality , we have used the normalization condition
最後の等号は、第二項の被積分関数の奇関数性から従う。
The last equality follows from the fact that the integrand in the second term is an even function.
分散
(Variance)
:� −∞
∞ 𝑥𝑥 − 𝜇𝜇 2 𝑝𝑝 𝑋𝑋 𝑥𝑥 𝑑𝑑𝑥𝑥 = 𝜎𝜎 2 .
確かめよ。(Confirm it.)
ヒント
(Hint)
: 平均の場合と同じ変数変換をした後、部分積分と規格化条件を使って積分を評価せよ。
After using the same change of a variable as in the mean case, use the integration
by parts and the normalization condition to evaluate the integral.
行列の基本演算
(Basic operations for matrices)
性質
1 (Property 1)
𝑨𝑨𝑨𝑨 T = 𝑨𝑨 T 𝑨𝑨 T .
性質
3 (Property 3)
𝑨𝑨𝑨𝑨 −1 = 𝑨𝑨 −1 𝑨𝑨 −1 .
性質
4 (Property 4)
det 𝑨𝑨𝑨𝑨 = det 𝑨𝑨 det(𝑨𝑨).
性質
2 (Property 2)
𝑨𝑨𝑨𝑨 H = 𝑨𝑨 H 𝑨𝑨 H . 𝑨𝑨 H = 𝐀𝐀 T ∗ (conjugate transpose)
実正定値行列
(Real positive definite matrices)
𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 > 0 for all non-zero vectors 𝒙𝒙 ∈ ℝ 𝑛𝑛 .
𝑛𝑛
次元実正定値行列( 𝑛𝑛 -dimensional real positive definite matrix) 𝐴𝐴 ∈ ℝ 𝑛𝑛×𝑛𝑛
性質
(Property)
𝑨𝑨
が正定値であるための必要十分条件は、対称行列�𝑨𝑨 = (𝑨𝑨 + 𝑨𝑨 T )/2
が正定値であることである。𝐴𝐴 is positive definite if and only if the symmetric matrix �𝑨𝑨 = (𝑨𝑨 + 𝑨𝑨 T )/2 is positive definite.
𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 > 0
の両辺を転置すると、𝒙𝒙 T 𝑨𝑨 T 𝒙𝒙 > 0
を得る。それゆえ、Taking the transpose of both sides of 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 > 0 yields 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨 T 𝒙𝒙 > 0 . Thus,
必要性の証明
(Proof of the necessity)
𝒙𝒙 T �𝑨𝑨𝒙𝒙 = 1
2 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 + 1
2 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨 T 𝒙𝒙 > 0.
十分性の証明
(Proof of the sufficiency)
𝒙𝒙 T �𝑨𝑨𝒙𝒙 > 0
から、𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 + 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨 T 𝒙𝒙 > 0
を得る。𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 ≤ 0
を仮定すると、𝒙𝒙 T 𝑨𝑨 T 𝒙𝒙 ≤ 0
となり矛盾が生じるので、𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 > 0
である。The condition 𝒙𝒙 T �𝑨𝑨𝒙𝒙 > 0 implies 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 + 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨 T 𝒙𝒙 > 0 . Assume 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 ≤ 0 . Then, we have
𝒙𝒙 T 𝑨𝑨 T 𝒙𝒙 ≤ 0 , which is a contradiction. Thus, 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 > 0 holds.
実正定値対称行列の性質
(Properties of real positive definite symmetric matrices)
命題
2.1 (Proposition 2.1)
直交行列
(Orthogonal matrices) 𝑼𝑼
𝑼𝑼 T 𝑼𝑼 = 𝑰𝑰, 𝑼𝑼𝑼𝑼 T = 𝑰𝑰.
任意の実正定値対称行列
𝑨𝑨
は、正の固有値を持ち、直交行列𝑼𝑼
を 使って対角化できる。Any real positive definite symmetric matrix 𝑨𝑨 has positive eigenvalues, and can be diagonalized with an orthogonal matrix 𝑼𝑼 .
𝑼𝑼 T 𝑨𝑨𝑼𝑼 = 𝜦𝜦, 𝜦𝜦 = diag 𝜆𝜆 1 , … , 𝜆𝜆 𝑛𝑛 𝜆𝜆 𝑖𝑖 > 0 .
証明(Proof)
:任意の対称行列は直交行列を使って対角化できるので、固有値が すべて正であることを確かめればよい。
Since any symmetric matrix can be diagonalized with some orthogonal matrix, it is sufficient to confirm that all eigenvalues are positive.
𝒆𝒆 𝑖𝑖
をℝ 𝑛𝑛
の𝑖𝑖
番目の標準基底( 𝑰𝑰 𝑛𝑛
の𝑖𝑖
番目の列)
とすると、𝒙𝒙 = 𝑼𝑼𝒆𝒆 𝑖𝑖
に対して、Let 𝒆𝒆 𝑖𝑖 denote the 𝑖𝑖 th standard basis of ℝ 𝑛𝑛 ( 𝑖𝑖 th column of 𝑰𝑰 𝑛𝑛 ). For 𝒙𝒙 = 𝑼𝑼𝒆𝒆 𝑖𝑖 ,
0 < 𝒙𝒙 T 𝑨𝑨𝒙𝒙 = 𝒆𝒆 𝑖𝑖 T 𝑼𝑼 T 𝑨𝑨𝑼𝑼𝒆𝒆 𝑖𝑖 = 𝒆𝒆 𝑖𝑖 T 𝜦𝜦𝒆𝒆 𝑖𝑖 = 𝜆𝜆 𝑖𝑖 . ∎
𝑛𝑛
次元実ガウス分布( 𝑛𝑛 -dimensional real Gaussian distributions)
𝑝𝑝 𝑿𝑿 𝒙𝒙 = 1
2𝜋𝜋 𝑛𝑛/2 det 𝚺𝚺 1/2 𝑒𝑒 −12 𝒙𝒙−𝝁𝝁 T 𝚺𝚺 −1 (𝒙𝒙−𝝁𝝁) , 𝒙𝒙 ∈ ℝ 𝑛𝑛 .
同時確率密度関数(Joint pdf)
任意の
𝝁𝝁 ∈ ℝ 𝑛𝑛
と正定値対称行列𝚺𝚺
に対して、For any 𝝁𝝁 ∈ ℝ 𝑛𝑛 and positive definite symmetric matrix 𝚺𝚺 ,
規格化
(Normalization)
� ℝ 𝑛𝑛 𝑝𝑝 𝑿𝑿 𝒙𝒙 𝑑𝑑𝑥𝑥 = 1.
∵
対角化𝑼𝑼 T 𝚺𝚺𝑼𝑼 = 𝜦𝜦
においてdet 𝑼𝑼 = 1
なので、𝒚𝒚 = 𝑼𝑼 T 𝒙𝒙
と変数変換 すると、�𝝁𝝁 = 𝑼𝑼 T 𝝁𝝁
として、Since | det 𝑼𝑼| = 1 holds in the diagonalization 𝑼𝑼 T 𝚺𝚺𝑼𝑼 = 𝜦𝜦 , with �𝝁𝝁 = 𝑼𝑼 T 𝝁𝝁 , the change of variables 𝒚𝒚 = 𝑼𝑼 T 𝒙𝒙 implies
二番目の等号を確かめよ。
(Confirm the second equality .)
� ℝ 𝑛𝑛 𝑝𝑝 𝑿𝑿 𝒙𝒙 𝑑𝑑𝒙𝒙 = �
ℝ 𝑛𝑛 𝑝𝑝 𝑿𝑿 𝑼𝑼𝒚𝒚 𝑑𝑑𝒚𝒚 = �
𝑖𝑖=1
𝑛𝑛 �
ℝ
1
2𝜋𝜋𝜆𝜆 𝑖𝑖 𝑒𝑒 − 𝑦𝑦 𝑖𝑖 −�𝜇𝜇 𝑖𝑖
2
2𝜆𝜆 𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑖𝑖 = 1.
∎
𝑛𝑛
次元実ガウス分布( 𝑛𝑛 -dimensional real Gaussian distributions)
平均
(Mean)
𝔼𝔼 𝒙𝒙 = �
ℝ 𝑛𝑛 𝒙𝒙𝑝𝑝 𝑿𝑿 𝒙𝒙 𝑑𝑑𝒙𝒙 = �
ℝ 𝑛𝑛 (𝝁𝝁 + 𝒚𝒚) 𝑒𝑒 −12𝒚𝒚 T 𝚺𝚺 −1 𝒚𝒚
2𝜋𝜋 𝑛𝑛/2 det 𝚺𝚺 1/2 𝑑𝑑𝒚𝒚 = 𝝁𝝁.
𝔼𝔼 𝒙𝒙 = 𝝁𝝁.
∵ 𝒚𝒚 = 𝒙𝒙 − 𝝁𝝁
と変数変換すると、(The change of variables 𝒚𝒚 = 𝒙𝒙 − 𝝁𝝁 implies)
共分散
(Covariance) 𝔼𝔼 𝒙𝒙 − 𝝁𝝁 𝒙𝒙 − 𝝁𝝁 T = 𝚺𝚺.
∵ 𝒚𝒚 = 𝑼𝑼 T (𝒙𝒙 − 𝝁𝝁)
と変数変換すると、(The change of variables 𝒚𝒚 = 𝑼𝑼 T (𝒙𝒙 − 𝝁𝝁) implies)
𝔼𝔼 𝒙𝒙 − 𝝁𝝁 𝒙𝒙 − 𝝁𝝁 T = �
ℝ 𝑛𝑛 𝑼𝑼𝒚𝒚𝒚𝒚 T 𝑼𝑼 T 𝑒𝑒 −12𝒚𝒚 T 𝚲𝚲 −1 𝒚𝒚
2𝜋𝜋 𝑛𝑛/2 det 𝚲𝚲 1/2 𝑑𝑑𝒚𝒚
= 𝑼𝑼 �
ℝ 𝑛𝑛 𝒚𝒚𝒚𝒚 T �
𝑖𝑖=1
𝑛𝑛 𝑒𝑒 −𝑦𝑦 𝑖𝑖 2 /(2𝜆𝜆 𝑖𝑖 )
2𝜋𝜋𝜆𝜆 𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑖𝑖 𝑼𝑼 T
= 𝑼𝑼𝚲𝚲𝑼𝑼 T = 𝚺𝚺.
円対称複素分布
(Circularly symmetric complex distributions)
複素確率変数
𝑍𝑍
は、任意の𝜃𝜃 ∈ [0, 2𝜋𝜋)
に対して𝑒𝑒 j𝜃𝜃 𝑍𝑍 ∼ 𝑍𝑍
が成り立つとき、円対称と呼ばれる。
A complex random variable 𝑍𝑍 is called circularly symmetric if 𝑒𝑒 j𝜃𝜃 𝑍𝑍 ∼ 𝑍𝑍 holds for any 𝜃𝜃 ∈ [0, 2𝜋𝜋) .
ℜ 𝑍𝑍 = (𝑍𝑍 + 𝑍𝑍 ∗ )/2
とℑ 𝑍𝑍 = (𝑍𝑍 − 𝑍𝑍 ∗ )/(2j)
から、複素確率変数𝑍𝑍
の分布は、𝑍𝑍
と𝑍𝑍 ∗ (
複素共役)
の同時分布によって決定される。From ℜ 𝑍𝑍 = (𝑍𝑍 + 𝑍𝑍 ∗ )/2 and ℑ 𝑍𝑍 = (𝑍𝑍 − 𝑍𝑍 ∗ )/(2j) , the distribution of a complex random variable 𝑍𝑍 is determined by the joint distribution of 𝑍𝑍 and 𝑍𝑍 ∗ (complex conjugate).
補題
2.1 (Lemma 2.1)
任意の円対称確率変数
𝑍𝑍
に対して、(For any circularly symmetric random variable 𝑍𝑍 ,)
𝔼𝔼 𝑍𝑍 𝑚𝑚 𝑍𝑍 ∗ 𝑛𝑛 = 0, for 𝑚𝑚 ≠ 𝑛𝑛.
𝔼𝔼 𝑍𝑍 𝑚𝑚 𝑍𝑍 ∗ 𝑛𝑛 = 𝔼𝔼 𝑒𝑒 j𝜃𝜃 𝑍𝑍 𝑚𝑚 𝑒𝑒 −j𝜃𝜃 𝑍𝑍 ∗ 𝑛𝑛 = 𝑒𝑒 j(𝑚𝑚−𝑛𝑛)𝜃𝜃 𝔼𝔼 𝑍𝑍 𝑚𝑚 𝑍𝑍 ∗ 𝑛𝑛 .
𝑚𝑚 ≠ 𝑛𝑛
のとき、𝑒𝑒 j 𝑚𝑚−𝑛𝑛 𝜃𝜃 ≠ 1
となる𝜃𝜃
が存在するため、𝔼𝔼 𝑍𝑍 𝑚𝑚 𝑍𝑍 ∗ 𝑛𝑛 = 0
を得る。For 𝑚𝑚 ≠ 𝑛𝑛 , there is some 𝜃𝜃 such that 𝑒𝑒 j 𝑚𝑚−𝑛𝑛 𝜃𝜃 ≠ 1. Thus, 𝔼𝔼 𝑍𝑍 𝑚𝑚 𝑍𝑍 ∗ 𝑛𝑛 = 0 holds.
注意
(Remark) 2
次以下( 𝑚𝑚 + 𝑛𝑛 ≤ 2 )
の非零モーメントは、𝔼𝔼[ 𝑍𝑍 2 ]
のみである。𝔼𝔼[ 𝑍𝑍 2 ] is the only non-zero moment up to 2nd order.
∵
円対称複素ガウス分布
(Circularly symmetric complex Gaussian (CSCG) distributions)
円対称確率変数
𝑍𝑍
の実部と虚部が、同時にガウス分布するとき、Z
は円対称 複素ガウス確率変数と呼ばれる。特に、𝜎𝜎 2 = 𝔼𝔼 𝑍𝑍 2
を分散と呼ぶ。A circularly symmetric random variable 𝑍𝑍 is called CSCG if the real and imaginary parts of 𝑍𝑍 are jointly Gaussian-distributed. In particular, 𝜎𝜎 2 = 𝔼𝔼 𝑍𝑍 2 is called variance.
定理
2.1 (Theorem 2.1)
分散
𝜎𝜎 2
の円対称複素ガウス確率変数𝑍𝑍
の実部と虚部は、互いに独立な 平均0
分散𝜎𝜎 2 /2
の実ガウス分布に従う。証明
(Proof)
: 平均0
は、𝔼𝔼 𝑍𝑍 = 0
から従う。(The zero mean follows from 𝔼𝔼 𝑍𝑍 = 0 .)
さらに、
𝑍𝑍 2 = ℜ 𝑍𝑍 2 − ℑ 𝑍𝑍 2 + 2jℜ 𝑍𝑍 ℑ[𝑍𝑍]
と𝔼𝔼 𝑍𝑍 2 = 0
から、実部と虚 部の同一性と無相関性(したがって、独立性)が成り立つ。Furthermore, 𝑍𝑍 2 = ℜ 𝑍𝑍 2 − ℑ 𝑍𝑍 2 + 2jℜ 𝑍𝑍 ℑ[𝑍𝑍] and 𝔼𝔼 𝑍𝑍 2 = 0 imply that the real and imaginary parts are identically distributed and uncorrelated (i.e. independent).
分散
𝜎𝜎 2 /2
は、𝑍𝑍 2 = ℜ 𝑍𝑍 2 + ℑ 𝑍𝑍 2
と𝔼𝔼 𝑍𝑍 2 = 𝜎𝜎 2
から従う。The variance 𝜎𝜎 2 /2 follows from 𝑍𝑍 2 = ℜ 𝑍𝑍 2 + ℑ 𝑍𝑍 2 and 𝔼𝔼 𝑍𝑍 2 = 𝜎𝜎 2 . ∎
複素ガウス分布
(Complex Gaussian distributions)
複素確率変数
𝑍𝑍
は、𝑍𝑍 − 𝜇𝜇
が分散𝜎𝜎 2
の円対称複素ガウス分布するとき、通信 では平均𝜇𝜇
分布𝜎𝜎 2
の複素ガウス分布𝒞𝒞𝒩𝒩 (𝜇𝜇, 𝜎𝜎 2 )
に従うと言う。We say in communications that a complex random variable 𝑍𝑍 follows the complex Gaussian distribution 𝒞𝒞𝒩𝒩(𝜇𝜇, 𝜎𝜎 2 ) with mean 𝜇𝜇 and variance 𝜎𝜎 2 , if 𝑍𝑍 − 𝜇𝜇 is CSCG with variance 𝜎𝜎 2 .
確率密度関数
(Pdf)
𝑝𝑝 𝑍𝑍 𝑧𝑧 = 1
𝜋𝜋𝜎𝜎 2 𝑒𝑒 − 𝑧𝑧−𝜇𝜇
2
𝜎𝜎 2 , 𝑧𝑧 ∈ ℂ.
𝑍𝑍 ∼ 𝒞𝒞𝒩𝒩(𝜇𝜇, 𝜎𝜎 2 )
∵
定理2.1
から、(From Theorem 2.1, we have)
𝑝𝑝 𝑍𝑍 𝑧𝑧 = 1
2𝜋𝜋𝜎𝜎 2 /2 𝑒𝑒 − ℜ 𝑧𝑧 −ℜ 𝜇𝜇 2𝜎𝜎 2 /2 2 1
2𝜋𝜋𝜎𝜎 2 /2 𝑒𝑒 − ℑ 𝑧𝑧 −ℑ 𝜇𝜇 2𝜎𝜎 2 /2 2 = 1
𝜋𝜋𝜎𝜎 2 𝑒𝑒 − 𝑧𝑧−𝜇𝜇
2
𝜎𝜎 2 .
規格化
(Normalization)
� ℂ 𝑝𝑝 𝑍𝑍 𝑧𝑧 𝑑𝑑𝑧𝑧 = 1,
ここで、
𝑑𝑑𝑧𝑧 = 𝑑𝑑ℜ 𝑧𝑧 𝑑𝑑ℑ[𝑧𝑧]
であり、積分はℝ 2
の二重積分として定義される。where the integration is defined as the double integral over ℝ 2 for 𝑑𝑑𝑧𝑧 = 𝑑𝑑ℜ 𝑧𝑧 𝑑𝑑ℑ[𝑧𝑧] .
正定値行列
(Positive definite matrices)
𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 > 0 for all non-zero vectors 𝒛𝒛 ∈ ℂ 𝑛𝑛 .
𝑛𝑛
次元複素正定値行列( 𝑛𝑛 -dimensional complex positive definite matrix) 𝐴𝐴 ∈ ℂ 𝑛𝑛×𝑛𝑛
性質
(Property)
𝑨𝑨
が正定値であるための必要十分条件は、ℑ 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 = 0
かつエルミート 行列�𝑨𝑨 = (𝑨𝑨 + 𝑨𝑨 H )/2
が正定値であることである。𝐴𝐴 is positive definite if and only if ℑ 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 = 0 holds and the Hermitian matrix �𝑨𝑨 = (𝑨𝑨 + 𝑨𝑨 H )/2 is positive definite.
ℑ 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 = 0
は自明である。𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 > 0
の両辺を共役転置すると、𝒛𝒛 H 𝑨𝑨 H 𝒛𝒛 > 0
を得る。それゆえ、ℑ 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 = 0 is trivial. Taking the conjugate transpose of both sides of 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 > 0 yields 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨 H 𝒛𝒛 > 0 . Thus,
必要性の証明
(Proof of the necessity)
𝒛𝒛 H �𝑨𝑨𝒛𝒛 = (𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 + 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨 H 𝒛𝒛)/2 > 0.
十分性の証明
(Proof of the sufficiency)
𝒛𝒛 H �𝑨𝑨𝒛𝒛 > 0
から、𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 + 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨 H 𝒛𝒛 > 0
を得る。ℑ 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 = 0
から𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 ≤ 0
を仮定すると、𝒛𝒛 H 𝑨𝑨 H 𝒛𝒛 ≤ 0
となり矛盾が生じるので、𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 > 0
である。The condition 𝒛𝒛 H �𝑨𝑨𝒛𝒛 > 0 implies 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 + 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨 H 𝒛𝒛 > 0 . Assume 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 ≤ 0 , since ℑ 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 = 0 holds.
Then, we have 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨 H 𝒛𝒛 ≤ 0 , which is a contradiction. Thus, 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 > 0 holds.
正定値エルミート行列の性質
(Properties of positive definite Hermitian matrices)
命題
2.1’ (Proposition 2.1’)
ユニタリ行列
(Unitary matrices) 𝑼𝑼
𝑼𝑼 H 𝑼𝑼 = 𝑰𝑰, 𝑼𝑼𝑼𝑼 H = 𝑰𝑰.
任意の正定値エルミート行列
𝑨𝑨
は、正の固有値を持ち、ユニタリ行列𝑼𝑼
を使って対角化できる。Any positive definite Hermitian matrix 𝑨𝑨 has positive eigenvalues, and can be diagonalized with a unitary matrix 𝑼𝑼 .
𝑼𝑼 H 𝑨𝑨𝑼𝑼 = 𝜦𝜦, 𝜦𝜦 = diag 𝜆𝜆 1 , … , 𝜆𝜆 𝑛𝑛 𝜆𝜆 𝑖𝑖 > 0 .
証明(Proof)
:任意のエルミート行列はユニタリ行列を使って対角化できるので、固 有値がすべて正であることを確かめればよい。
Since any Hermitian matrix can be diagonalized with some unitary matrix, it is sufficient to confirm that all eigenvalues are positive.
𝒆𝒆 𝑖𝑖
をℂ 𝑛𝑛
の𝑖𝑖
番目の標準基底( 𝑰𝑰 𝑛𝑛
の𝑖𝑖
番目の列)
とすると、𝒛𝒛 = 𝑼𝑼𝒆𝒆 𝑖𝑖
に対して、Let 𝒆𝒆 𝑖𝑖 denote the 𝑖𝑖 th standard basis of ℂ 𝑛𝑛 ( 𝑖𝑖 th column of 𝑰𝑰 𝑛𝑛 ). For 𝒛𝒛 = 𝑼𝑼𝒆𝒆 𝑖𝑖 ,
0 < 𝒛𝒛 H 𝑨𝑨𝒛𝒛 = 𝒆𝒆 𝑖𝑖 H 𝑼𝑼 H 𝑨𝑨𝑼𝑼𝒆𝒆 𝑖𝑖 = 𝒆𝒆 𝑖𝑖 H 𝜦𝜦𝒆𝒆 𝑖𝑖 = 𝜆𝜆 𝑖𝑖 . ∎
円対称複素確率ベクトル
(Circularly symmetric complex random vectors)
複素確率ベクトル
𝒁𝒁
は、任意の𝜃𝜃 ∈ [0, 2𝜋𝜋)
に対して𝑒𝑒 j𝜃𝜃 𝒁𝒁 ∼ 𝒁𝒁
が成り立つと き、円対称と呼ばれる。A complex random vector 𝒁𝒁 is called circularly symmetric if 𝑒𝑒 j𝜃𝜃 𝒁𝒁 ∼ 𝒁𝒁 holds for any 𝜃𝜃 ∈ [0, 2𝜋𝜋) .
補題
2.1’ (Lemma 2.1’)
任意の円対称確率ベクトル
𝒁𝒁 = 𝑍𝑍 1 , … , 𝑍𝑍 𝑛𝑛 T
に対して、For any circularly symmetric random vector 𝒁𝒁 ,
𝔼𝔼 � 𝑖𝑖=1
𝑛𝑛 𝑍𝑍 𝑖𝑖 𝑚𝑚 𝑖𝑖 𝑍𝑍 𝑖𝑖 ∗ 𝑛𝑛 𝑖𝑖 = 𝑒𝑒 j ∑ 𝑖𝑖 𝑚𝑚 𝑖𝑖 −𝑛𝑛 𝑖𝑖 𝜃𝜃 𝔼𝔼 �
𝑖𝑖=1
𝑛𝑛 𝑍𝑍 𝑖𝑖 𝑚𝑚 𝑖𝑖 𝑍𝑍 𝑖𝑖 ∗ 𝑛𝑛 𝑖𝑖 .
注意
(Remark) 2
次以下の非零モーメントは、𝔼𝔼[𝑍𝑍 𝑖𝑖 𝑍𝑍 𝑖𝑖 ∗ ′ ]
のみである。𝔼𝔼[𝑍𝑍 𝑖𝑖 𝑍𝑍 𝑖𝑖 ∗
′] is the only non-zero moment up to 2nd order.
∵
𝔼𝔼 � 𝑖𝑖=1
𝑛𝑛 𝑍𝑍 𝑖𝑖 𝑚𝑚 𝑖𝑖 𝑍𝑍 𝑖𝑖 ∗ 𝑛𝑛 𝑖𝑖 = 0 for �
𝑖𝑖=1 𝑛𝑛
𝑚𝑚 𝑖𝑖 ≠ �
𝑖𝑖=1 𝑛𝑛
𝑛𝑛 𝑖𝑖 .
複素ガウス確率ベクトル
(Complex Gaussian random vectors)
円対称確率ベクトル
𝒁𝒁
の実部と虚部が、同時にガウス分布するとき、𝒁𝒁
は円 対称複素ガウス確率ベクトルと呼ばれる。𝚺𝚺 = 𝔼𝔼 𝒁𝒁𝒁𝒁 H
を共分散行列と呼ぶ。A circularly symmetric random vector 𝒁𝒁 is called CSCG if the real and imaginary parts of 𝒁𝒁 are jointly Gaussian-distributed. 𝚺𝚺 = 𝔼𝔼 𝒁𝒁𝒁𝒁 H is called covariance matrix.
定理
2.2 (Theorem 2.2)
𝑝𝑝 𝒁𝒁 𝒛𝒛 = 1
𝜋𝜋 𝑛𝑛 det 𝚺𝚺 𝑒𝑒 − 𝒛𝒛−𝝁𝝁
H 𝚺𝚺 −1 (𝒛𝒛−𝝁𝝁) , 𝒛𝒛 ∈ ℂ 𝑛𝑛 . 𝒁𝒁 ∼ 𝒞𝒞𝒩𝒩(𝝁𝝁, 𝚺𝚺 )
複素確率ベクトル
𝒁𝒁
は、𝒁𝒁 − 𝝁𝝁
が共分散行列𝚺𝚺
の円対称複素ガウス分布すると き、通信では平均𝝁𝝁
共分散行列𝚺𝚺
の複素ガウス分布𝒞𝒞𝒩𝒩(𝝁𝝁, 𝚺𝚺)
に従うと言う。We say in communications that a complex random vector 𝒁𝒁 follows the complex Gaussian distribution 𝒞𝒞𝒩𝒩(𝝁𝝁, 𝚺𝚺) with mean 𝝁𝝁 and covariance matrix 𝚺𝚺 , if 𝒁𝒁 − 𝝁𝝁 is CSCG.
証明
(Proof)
:�𝒁𝒁 = 𝒁𝒁 − 𝝁𝝁
とおくことで、一般性を失うことなく、𝝁𝝁 = 𝟎𝟎
を仮定する。Without loss of generality, we assume 𝝁𝝁 = 𝟎𝟎 by letting �𝒁𝒁 = 𝒁𝒁 − 𝝁𝝁 .
円対称複素ガウス分布が満たすべき性質
𝔼𝔼 𝒁𝒁 = 𝟎𝟎
、𝔼𝔼 𝒁𝒁𝒁𝒁 T = 𝑶𝑶
、𝔼𝔼 𝒁𝒁𝒁𝒁 H = 𝚺𝚺
が成り立つことを示す。We prove the properties 𝔼𝔼 𝒁𝒁 = 0, 𝔼𝔼 𝒁𝒁𝒁𝒁 T = 𝑶𝑶 , and 𝔼𝔼 𝒁𝒁𝒁𝒁 H = 𝚺𝚺 which the CSCG distribution
should satisfy.
定理
2.2
の証明(Proof of Theorem 2.2)
平均
(Mean)
対角化𝚺𝚺 = 𝑼𝑼𝜦𝜦𝑼𝑼 H
に対して、𝒗𝒗 = 𝑼𝑼 H 𝒛𝒛
と変数変換すると、Using the change of variables 𝒗𝒗 = 𝑼𝑼 H 𝒛𝒛 for the diagonalization 𝚺𝚺 = 𝑼𝑼𝜦𝜦𝑼𝑼 H yields
𝔼𝔼 𝒁𝒁 = �
ℂ 𝑛𝑛 𝒛𝒛𝑝𝑝 𝒁𝒁 𝒛𝒛 𝑑𝑑𝒛𝒛 = 𝑼𝑼 �
ℂ 𝑛𝑛 𝒗𝒗 �
𝑖𝑖=1
𝑛𝑛 1
𝜋𝜋𝜆𝜆 𝑖𝑖 𝑒𝑒 − 𝑣𝑣 𝑖𝑖
2
𝜆𝜆 𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑣𝑣 𝑖𝑖 = 𝟎𝟎.
共分散
(Covariance)
𝔼𝔼 𝒁𝒁𝒁𝒁 H = �
ℂ 𝑛𝑛 𝒛𝒛𝒛𝒛 H 𝑝𝑝 𝒁𝒁 𝒛𝒛 𝑑𝑑𝒛𝒛 = 𝑼𝑼 �
ℂ 𝑛𝑛 𝒗𝒗𝒗𝒗 H �
𝑖𝑖=1
𝑛𝑛 1
𝜋𝜋𝜆𝜆 𝑖𝑖 𝑒𝑒 − 𝑣𝑣 𝑖𝑖
2
𝜆𝜆 𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑣𝑣 𝑖𝑖 𝑼𝑼 H
= 𝑼𝑼𝜦𝜦𝑼𝑼 H = 𝚺𝚺.
𝔼𝔼 𝒁𝒁𝒁𝒁 T = �
ℂ 𝑛𝑛 𝒛𝒛𝒛𝒛 T 𝑝𝑝 𝒁𝒁 𝒛𝒛 𝑑𝑑𝒛𝒛 = 𝑼𝑼 �
ℂ 𝑛𝑛 𝒗𝒗𝒗𝒗 T �
𝑖𝑖=1
𝑛𝑛 1
𝜋𝜋𝜆𝜆 𝑖𝑖 𝑒𝑒 − 𝑣𝑣 𝑖𝑖
2
𝜆𝜆 𝑖𝑖 𝑑𝑑𝑣𝑣 𝑖𝑖 𝑼𝑼 T = 𝑶𝑶.
最後の等号の導出で、