세상의 무작위 현상은 놀랍게도 몇 가지 분포로 대부분 설명됩니다. 성공·실패를 세면 이항분포, 드문 사건의 횟수는 포아송분포, 기다리는 시간은 지수분포, 많은 작은 효과의 합은 정규분포입니다. 이 장에서는 각 분포가 어떤 상황에서 나오는지, 식은 무엇인지, 그리고 서로 어떻게 이어지는지를 정리합니다. 논문에서 X ∼ N ( μ , σ 2 ) X \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2) X ∼ N ( μ , σ 2 ) 나 B e r n ( p ) \mathrm{Bern}(p) Bern ( p ) 를 보면 이 장의 표를 떠올리면 됩니다.
2.1 이산분포
정의 2.1 (베르누이 분포). 성공(1) 확률이 p p p , 실패(0) 확률이 1 − p 1 - p 1 − p 인 분포를 베르누이 분포 (Bernoulli distribution) B e r n ( p ) \mathrm{Bern}(p) Bern ( p ) 라 합니다.
정의 2.2 (이항분포). 독립인 베르누이 시행 n n n 번에서 성공 횟수의 분포를 이항분포 (binomial distribution) B i n ( n , p ) \mathrm{Bin}(n, p) Bin ( n , p ) 라 합니다.
P ( X = k ) = ( n k ) p k ( 1 − p ) n − k , k = 0 , 1 , … , n . P(X = k) = \binom nkp^k(1 - p)^{n-k}, \quad k = 0, 1, \dots, n. P ( X = k ) = ( k n ) p k ( 1 − p ) n − k , k = 0 , 1 , … , n .
( n k ) \binom nk ( k n ) 는 성공할 k k k 번을 고르는 방법의 수입니다(이산수학 7강).
정의 2.3 (기하분포). 첫 성공까지 시행한 횟수 X X X : P ( X = k ) = ( 1 − p ) k − 1 p P(X = k) = (1 - p)^{k-1}p P ( X = k ) = ( 1 − p ) k − 1 p (k = 1 , 2 , … k = 1, 2, \dots k = 1 , 2 , … ).
정의 2.4 (포아송 분포). 평균 λ \lambda λ 번 일어나는 드문 사건이 실제로 일어난 횟수:
P ( X = k ) = e − λ λ k k ! , k = 0 , 1 , 2 , … P(X = k) = e^{-\lambda}\frac{\lambda^k}{k!}, \quad k = 0, 1, 2, \dots P ( X = k ) = e − λ k ! λ k , k = 0 , 1 , 2 , …
이것을 포아송 분포 (Poisson distribution) P o i s ( λ ) \mathrm{Pois}(\lambda) Pois ( λ ) 라 합니다. 전체 합이 1인 것은 e λ e^\lambda e λ 의 테일러 급수(미적분학 12장) 덕분입니다.
정리 2.5 (이항분포의 포아송 근사). n n n 이 크고 p p p 가 작아 n p = λ np = \lambda n p = λ 가 적당하면 B i n ( n , p ) ≈ P o i s ( λ ) \mathrm{Bin}(n, p) \approx \mathrm{Pois}(\lambda) Bin ( n , p ) ≈ Pois ( λ ) 입니다.
예제 2.6. 하루 1000명이 방문하고 한 명이 결제할 확률이 0.003이면, 결제 수는 P o i s ( 3 ) \mathrm{Pois}(3) Pois ( 3 ) 에 가깝습니다. 결제가 한 건도 없을 확률은 e − 3 ≈ 0.0498 e^{-3} \approx 0.0498 e − 3 ≈ 0.0498 입니다(정확한 이항 값 0.997 1000 ≈ 0.0496 0.997^{1000} \approx 0.0496 0.99 7 1000 ≈ 0.0496 ).
2.2 연속분포
정의 2.7 (균등분포). [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 에서 밀도가 1 b − a \frac1{b - a} b − a 1 로 일정한 분포 U ( a , b ) U(a, b) U ( a , b ) .
정의 2.8 (지수분포). 밀도 f ( x ) = λ e − λ x f(x) = \lambda e^{-\lambda x} f ( x ) = λ e − λ x (x ≥ 0 x \ge 0 x ≥ 0 )인 분포 E x p ( λ ) \mathrm{Exp}(\lambda) Exp ( λ ) . P ( X > t ) = e − λ t P(X > t) = e^{-\lambda t} P ( X > t ) = e − λ t 입니다.
정리 2.9 (무기억성). 지수분포에서 P ( X > s + t ∣ X > s ) = P ( X > t ) P(X > s + t \mid X > s) = P(X > t) P ( X > s + t ∣ X > s ) = P ( X > t ) .
증명. e − λ ( s + t ) e − λ s = e − λ t \frac{e^{-\lambda(s + t)}}{e^{-\lambda s}} = e^{-\lambda t} e − λ s e − λ ( s + t ) = e − λ t . □
이미 s s s 분을 기다렸어도 앞으로 t t t 분 더 기다릴 확률은 처음과 같습니다. 방사성 붕괴나 고장처럼 “나이를 먹지 않는” 현상의 모델입니다.
정의 2.10 (정규분포). 밀도
f ( x ) = 1 2 π σ exp ( − ( x − μ ) 2 2 σ 2 ) f(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\,\sigma}\exp\!\left(-\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2}\right) f ( x ) = 2 π σ 1 exp ( − 2 σ 2 ( x − μ ) 2 )
인 분포를 평균 μ \mu μ , 분산 σ 2 \sigma^2 σ 2 인 정규분포 (normal distribution, Gaussian) N ( μ , σ 2 ) \mathcal{N}(\mu, \sigma^2) N ( μ , σ 2 ) 라 합니다. μ = 0 \mu = 0 μ = 0 , σ = 1 \sigma = 1 σ = 1 이면 표준정규분포 이고, 그 누적분포함수를 Φ \Phi Φ 로 씁니다.
전체 적분이 1인 것은 가우스 적분(다변수 미적분 8장)입니다. 종 모양이고, μ \mu μ 를 중심으로 대칭이며, σ \sigma σ 가 폭을 정합니다.
2.3 표준화
정리 2.11. X ∼ N ( μ , σ 2 ) X \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2) X ∼ N ( μ , σ 2 ) 이면 Z = X − μ σ ∼ N ( 0 , 1 ) Z = \dfrac{X - \mu}{\sigma} \sim \mathcal{N}(0, 1) Z = σ X − μ ∼ N ( 0 , 1 ) 입니다. 따라서 P ( X ≤ x ) = Φ ( x − μ σ ) P(X \le x) = \Phi\!\left(\dfrac{x - \mu}{\sigma}\right) P ( X ≤ x ) = Φ ( σ x − μ ) .
밀도의 변수 변환(다변수 미적분 8장)으로 확인할 수 있습니다. 그래서 정규분포의 확률은 표 하나(Φ \Phi Φ )로 모두 구합니다.
범위
확률
μ ± σ \mu \pm \sigma μ ± σ
약 68.3%
μ ± 2 σ \mu \pm 2\sigma μ ± 2 σ
약 95.4%
μ ± 3 σ \mu \pm 3\sigma μ ± 3 σ
약 99.7%
Φ ( 1.645 ) \Phi(1.645) Φ ( 1.645 )
0.95
Φ ( 1.96 ) \Phi(1.96) Φ ( 1.96 )
0.975
예제 2.12. 키가 N ( 170 , 6 2 ) \mathcal{N}(170, 6^2) N ( 170 , 6 2 ) 이면 182cm 이상일 확률은 1 − Φ ( 2 ) ≈ 0.0228 1 - \Phi(2) \approx 0.0228 1 − Φ ( 2 ) ≈ 0.0228 입니다.
2.4 분포 사이의 관계
관계
설명
B i n ( 1 , p ) = B e r n ( p ) \mathrm{Bin}(1, p) = \mathrm{Bern}(p) Bin ( 1 , p ) = Bern ( p )
이항은 베르누이의 합
B i n ( n , p ) ≈ P o i s ( n p ) \mathrm{Bin}(n, p) \approx \mathrm{Pois}(np) Bin ( n , p ) ≈ Pois ( n p )
n n n 크고 p p p 작을 때
B i n ( n , p ) ≈ N ( n p , n p ( 1 − p ) ) \mathrm{Bin}(n, p) \approx \mathcal{N}(np, np(1-p)) Bin ( n , p ) ≈ N ( n p , n p ( 1 − p ))
n n n 클 때 (중심극한정리, 6장)
포아송 과정의 사건 간격 ∼ E x p ( λ ) \sim \mathrm{Exp}(\lambda) ∼ Exp ( λ )
사건 수와 기다림의 관계
기하분포 ↔ 지수분포
이산·연속의 기다림, 둘 다 무기억
2.5 이 장의 요약
셈: 베르누이·이항·포아송. 기다림: 기하·지수. 합과 잡음: 정규.
정규분포는 표준화 Z = ( X − μ ) / σ Z = (X - \mu)/\sigma Z = ( X − μ ) / σ 로 Φ \Phi Φ 하나로 계산합니다.
68–95–99.7 규칙.
쓰이는 곳. 분류 모델의 출력은 베르누이(이진)나 범주형 분포, 회귀 모델의 잡음 가정은 정규분포, 사건 수 데이터(클릭, 방사선 측정)는 포아송 모델을 씁니다. 가중치 초기화(N ( 0 , 2 / n ) \mathcal{N}(0, 2/n) N ( 0 , 2/ n ) ), 확산 모델의 잡음, 변분 오토인코더의 잠재변수가 모두 정규분포입니다.
문제
2.1 [계산] · 확인 문제
X ∼ B i n ( 5 , 0.4 ) X \sim \mathrm{Bin}(5, 0.4) X ∼ Bin ( 5 , 0.4 ) 일 때 확률을 씁니다. (소수 넷째 자리까지)
확률
값
P ( X = 0 ) P(X = 0) P ( X = 0 )
[?]
P ( X = 2 ) P(X = 2) P ( X = 2 )
[?]
P ( X ≥ 4 ) P(X \ge 4) P ( X ≥ 4 )
[?]
정답 풀이 0.6 5 = 0.07776 0.6^5 = 0.07776 0. 6 5 = 0.07776 , ( 5 2 ) ( 0.4 ) 2 ( 0.6 ) 3 = 10 ⋅ 0.16 ⋅ 0.216 = 0.3456 \binom52(0.4)^2(0.6)^3 = 10\cdot0.16\cdot0.216 = 0.3456 ( 2 5 ) ( 0.4 ) 2 ( 0.6 ) 3 = 10 ⋅ 0.16 ⋅ 0.216 = 0.3456 , P ( X = 4 ) + P ( X = 5 ) = 5 ⋅ 0.0256 ⋅ 0.6 + 0.01024 = 0.0768 + 0.01024 = 0.08704 P(X = 4) + P(X = 5) = 5\cdot0.0256\cdot0.6 + 0.01024 = 0.0768 + 0.01024 = 0.08704 P ( X = 4 ) + P ( X = 5 ) = 5 ⋅ 0.0256 ⋅ 0.6 + 0.01024 = 0.0768 + 0.01024 = 0.08704 .
2.2 [계산] · 확인 문제
X ∼ P o i s ( 2 ) X \sim \mathrm{Pois}(2) X ∼ Pois ( 2 ) 일 때 P ( X = 3 ) P(X = 3) P ( X = 3 ) 은? (소수 넷째 자리까지)
정답 풀이 e − 2 2 3 3 ! = 8 6 e − 2 ≈ 0.1804 e^{-2}\frac{2^3}{3!} = \frac{8}{6}e^{-2} \approx 0.1804 e − 2 3 ! 2 3 = 6 8 e − 2 ≈ 0.1804 입니다.
2.3 [계산] · 확인 문제
X ∼ N ( 100 , 15 2 ) X \sim \mathcal{N}(100, 15^2) X ∼ N ( 100 , 1 5 2 ) 일 때 P ( X ≤ 130 ) P(X \le 130) P ( X ≤ 130 ) 은? (소수 넷째 자리까지)
정답 풀이 Φ ( 130 − 100 15 ) = Φ ( 2 ) ≈ 0.9772 \Phi\!\left(\frac{130 - 100}{15}\right) = \Phi(2) \approx 0.9772 Φ ( 15 130 − 100 ) = Φ ( 2 ) ≈ 0.9772 입니다.
2.4 [계산]
고장 사이 시간이 평균 10시간인 지수분포(λ = 0.1 \lambda = 0.1 λ = 0.1 )일 때, 5시간 안에 고장 날 확률은? (소수 넷째 자리까지)
정답 풀이 1 − e − 0.5 ≈ 0.3935 1 - e^{-0.5} \approx 0.3935 1 − e − 0.5 ≈ 0.3935 입니다.
2.5 [증명]
기하분포 P ( X = k ) = ( 1 − p ) k − 1 p P(X = k) = (1 - p)^{k-1}p P ( X = k ) = ( 1 − p ) k − 1 p 의 확률의 합이 1임과, P ( X > n ) = ( 1 − p ) n P(X > n) = (1 - p)^n P ( X > n ) = ( 1 − p ) n 임을 보입니다.
풀이 ∑ k ≥ 1 ( 1 − p ) k − 1 p = p ⋅ 1 1 − ( 1 − p ) = 1 \sum_{k\ge1}(1-p)^{k-1}p = p\cdot\frac{1}{1 - (1 - p)} = 1 ∑ k ≥ 1 ( 1 − p ) k − 1 p = p ⋅ 1 − ( 1 − p ) 1 = 1 (등비급수). X > n X > n X > n 은 처음 n n n 번이 모두 실패라는 뜻이므로 독립성으로 ( 1 − p ) n (1 - p)^n ( 1 − p ) n 입니다. 또는 ∑ k > n ( 1 − p ) k − 1 p = ( 1 − p ) n \sum_{k > n}(1-p)^{k-1}p = (1-p)^n ∑ k > n ( 1 − p ) k − 1 p = ( 1 − p ) n 으로 계산해도 됩니다.