1장. 확률변수와 분포함수

확률과 통계 · 1부. 확률변수와 분포

기본 · 약 15분 · 연습문제 5

요약

확률의 공리, 이산·연속 확률변수, 확률질량함수와 확률밀도함수, 누적분포함수, 분위수

주사위 눈처럼 셀 수 있는 결과와, 키나 대기 시간처럼 연속적인 결과는 확률을 주는 방식이 다릅니다. 앞의 것은 각 값에 확률을 붙이고(확률질량함수), 뒤의 것은 구간에 확률을 붙입니다(확률밀도함수의 적분). 이 장에서는 두 경우를 하나의 언어로 묶는 누적분포함수를 중심으로, 이 과목 전체에서 쓸 기호를 정리합니다. 논문의 X∼pX \sim p, P(X≤x)P(X \le x), F−1(0.95)F^{-1}(0.95) 같은 표기가 모두 여기서 나옵니다.

1.1 확률의 공리

정의 1.1 (확률). 표본공간 Ω\Omega의 사건 AA마다 수 P(A)P(A)를 정하되

  1. P(A)≥0P(A) \ge 0
  2. P(Ω)=1P(\Omega) = 1
  3. 서로소인 사건 A1,A2,…A_1, A_2, \dots에 대해 P(A1∪A2∪⋯ )=P(A1)+P(A2)+⋯P(A_1 \cup A_2 \cup \cdots) = P(A_1) + P(A_2) + \cdots

를 만족하면 PP를 확률(probability)이라 합니다.

이산수학 13강의 정의를 무한히 많은 사건까지 허용한 것입니다. 여기서 P(∅)=0P(\varnothing) = 0, P(Ac)=1−P(A)P(A^c) = 1 - P(A), A⊆BA \subseteq B이면 P(A)≤P(B)P(A) \le P(B)가 모두 나옵니다.

1.2 확률변수

정의 1.2 (확률변수). 표본공간의 각 결과에 실수를 대응시키는 함수 X:Ω→RX : \Omega \to \mathbb{R}를 확률변수(random variable)라 합니다.

이름은 “변수”지만 함수입니다. 동전 세 번의 결과 HTH에 “앞면의 수” 2를 대응시키는 것이 확률변수입니다. 대문자 XX는 확률변수, 소문자 xx는 그것이 가질 수 있는 값으로 씁니다.

1.3 이산 확률변수

정의 1.3 (확률질량함수). 값이 셀 수 있는(유한하거나 자연수처럼 늘어놓을 수 있는) XX에 대해 p(x)=P(X=x)p(x) = P(X = x)를 확률질량함수(probability mass function, pmf)라 합니다. p(x)≥0p(x) \ge 0이고 ∑xp(x)=1\sum_xp(x) = 1입니다.

예제 1.4. 주사위 두 개 눈의 합 XX: p(2)=136p(2) = \frac1{36}, p(7)=636p(7) = \frac6{36}, p(12)=136p(12) = \frac1{36} 등.

1.4 연속 확률변수

키가 정확히 170.000…cm일 확률은 0입니다. 연속적인 값에서는 한 점의 확률 대신 구간의 확률을 다룹니다.

정의 1.5 (확률밀도함수). f(x)≥0f(x) \ge 0이고 ∫−∞∞f(x) dx=1\int_{-\infty}^\infty f(x)\,dx = 1이며

P(a≤X≤b)=∫abf(x) dxP(a \le X \le b) = \int_a^bf(x)\,dx

이면 ff를 XX의 확률밀도함수(probability density function, pdf)라 하고 XX를 연속 확률변수라 합니다.

밀도는 확률이 아니므로 1보다 클 수 있습니다. f(x) dxf(x)\,dx가 “xx 근처 폭 dxdx인 구간의 확률”입니다. 연속 확률변수에서는 P(X=a)=0P(X = a) = 0이므로 ≤\le와 <<를 구분하지 않아도 됩니다.

예제 1.6. f(x)=2xf(x) = 2x (0≤x≤10 \le x \le 1), 그 밖에서 0. 전체 적분은 [x2]01=1[x^2]_0^1 = 1이고, P(X≤1/2)=14P(X \le 1/2) = \frac14입니다.

1.5 누적분포함수

정의 1.7 (누적분포함수). F(x)=P(X≤x)F(x) = P(X \le x)를 누적분포함수(cumulative distribution function, cdf)라 합니다.

이산이든 연속이든 같은 정의로 씁니다.

정리 1.8. FF는 증가함수이고, lim⁡x→−∞F=0\lim_{x\to-\infty}F = 0, lim⁡x→∞F=1\lim_{x\to\infty}F = 1이며, P(a<X≤b)=F(b)−F(a)P(a < X \le b) = F(b) - F(a)입니다. XX가 연속이면 F(x)=∫−∞xf(t) dtF(x) = \int_{-\infty}^xf(t)\,dt이고 F′=fF' = f입니다.

마지막 식은 미적분학의 기본정리(미적분학 8장)입니다. 이산이면 FF는 계단함수이고, 계단의 높이가 p(x)p(x)입니다.

예제 1.9. 예제 1.6이면 F(x)=x2F(x) = x^2 (0≤x≤10 \le x \le 1), x<0x < 0에서 0, x>1x > 1에서 1입니다.

1.6 분위수

정의 1.10 (분위수). 0<q<10 < q < 1에 대해 F(xq)=qF(x_q) = q인 xqx_q를 qq-분위수(quantile)라 합니다. q=0.5q = 0.5이면 중앙값(median)입니다.

연속이고 FF가 증가하면 xq=F−1(q)x_q = F^{-1}(q)입니다. 예제 1.9에서 중앙값은 x2=0.5x^2 = 0.5의 해 12≈0.707\frac{1}{\sqrt2} \approx 0.707입니다.

역변환 샘플링. UU가 [0,1][0, 1]에서 균등하면 X=F−1(U)X = F^{-1}(U)의 누적분포함수는 FF입니다(P(F−1(U)≤x)=P(U≤F(x))=F(x)P(F^{-1}(U) \le x) = P(U \le F(x)) = F(x)). 컴퓨터가 균등 난수로 원하는 분포를 만드는 기본 방법입니다. 예: 지수분포 F(x)=1−e−xF(x) = 1 - e^{-x}이면 X=−ln⁡(1−U)X = -\ln(1 - U).

1.7 이 장의 요약

  • 확률변수는 결과에 수를 붙이는 함수. 이산은 pmf p(x)p(x), 연속은 pdf f(x)f(x).
  • 누적분포함수 F(x)=P(X≤x)F(x) = P(X \le x)가 둘을 함께 다룹니다. 연속이면 F′=fF' = f.
  • 분위수 F−1(q)F^{-1}(q), 역변환 샘플링 F−1(U)F^{-1}(U).

쓰이는 곳. 논문의 x∼p(x)x \sim p(x)(“xx를 분포 pp에서 뽑는다”), 확률 모델의 출력(분류 모델의 pmf, 회귀 모델의 pdf), 신뢰구간과 검정의 분위수, 생성 모델의 샘플링이 모두 이 장의 표기입니다. 물리에서는 양자역학의 위치 확률밀도 ∣ψ(x)∣2|\psi(x)|^2와 통계역학의 분포함수가 확률밀도입니다.

문제

1.1 [계산] · 확인 문제

XX의 밀도가 f(x)=3x2f(x) = 3x^2 (0≤x≤10 \le x \le 1)일 때 값을 씁니다.

값 답
F(1/2)F(1/2) [?]
P(1/2<X≤1)P(1/2 < X \le 1) [?]
중앙값 (소수 넷째 자리) [?]
정답
1/8
7/8
0.7937
풀이

F(x)=x3F(x) = x^3이므로 F(1/2)=1/8F(1/2) = 1/8, P=1−1/8=7/8P = 1 - 1/8 = 7/8, 중앙값은 x3=1/2x^3 = 1/2의 해 2−1/3≈0.79372^{-1/3} \approx 0.7937입니다.

1.2 [계산] · 확인 문제

f(x)=c e−2xf(x) = c\,e^{-2x} (x≥0x \ge 0)가 확률밀도함수가 되는 상수 cc는?

정답
2
풀이

∫0∞ce−2xdx=c/2=1\int_0^\infty ce^{-2x}dx = c/2 = 1이므로 c=2c = 2입니다.

1.3 [계산] · 확인 문제

동전을 세 번 던질 때 앞면의 수 XX에 대해 F(1)=P(X≤1)F(1) = P(X \le 1)은?

정답
1/2
풀이

P(X=0)=1/8P(X = 0) = 1/8, P(X=1)=3/8P(X = 1) = 3/8이므로 F(1)=4/8=1/2F(1) = 4/8 = 1/2입니다.

1.4 [계산]

역변환 샘플링으로 지수분포 F(x)=1−e−xF(x) = 1 - e^{-x}에서 뽑을 때, 균등 난수 U=0.5U = 0.5에서 나오는 값은? (소수 넷째 자리까지)

정답
0.6931
풀이

X=−ln⁡(1−0.5)=ln⁡2≈0.6931X = -\ln(1 - 0.5) = \ln 2 \approx 0.6931입니다. 이것은 지수분포의 중앙값입니다.

1.5 [증명]

확률의 공리에서 P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B)P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)를 유도합니다.

풀이

A∪BA \cup B는 서로소인 AA와 B∖AB \setminus A의 합이므로 P(A∪B)=P(A)+P(B∖A)P(A \cup B) = P(A) + P(B \setminus A)입니다. 또 BB는 서로소인 B∖AB \setminus A와 A∩BA \cap B의 합이므로 P(B)=P(B∖A)+P(A∩B)P(B) = P(B \setminus A) + P(A \cap B)입니다. 둘째 식에서 P(B∖A)P(B \setminus A)를 구해 첫째 식에 넣으면 됩니다.