키와 몸무게, 온도와 습도, 이미지의 이웃한 픽셀처럼 여러 확률변수는 함께 움직입니다. 이 장에서는 여러 변수를 한꺼번에 다루는 결합분포, 두 변수가 함께 움직이는 정도(공분산, 상관), 그리고 그것들을 모은 공분산 행렬을 다룹니다. 마지막에 다변량 정규분포를 보면 선형대수(대칭행렬의 고유벡터)와 확률이 하나로 만납니다. 머신러닝의 PCA, 가우스 과정, 칼만 필터가 모두 이 장 위에 있습니다.
4.1 결합분포와 주변분포
정의 4.1 (결합분포). 두 확률변수 X X X , Y Y Y 의 결합분포 (joint distribution)는 이산이면 p ( x , y ) = P ( X = x , Y = y ) p(x, y) = P(X = x, Y = y) p ( x , y ) = P ( X = x , Y = y ) , 연속이면 P ( ( X , Y ) ∈ D ) = ∬ D f ( x , y ) d A P((X, Y) \in D) = \iint_Df(x, y)\,dA P (( X , Y ) ∈ D ) = ∬ D f ( x , y ) d A 인 결합밀도 f ( x , y ) f(x, y) f ( x , y ) 로 줍니다.
정의 4.2 (주변분포). 다른 변수에 대해 더하거나 적분해 없앤 것: p X ( x ) = ∑ y p ( x , y ) p_X(x) = \sum_yp(x, y) p X ( x ) = ∑ y p ( x , y ) , f X ( x ) = ∫ f ( x , y ) d y f_X(x) = \int f(x, y)\,dy f X ( x ) = ∫ f ( x , y ) d y .
정의 4.3 (독립). 모든 x , y x, y x , y 에서 f ( x , y ) = f X ( x ) f Y ( y ) f(x, y) = f_X(x)f_Y(y) f ( x , y ) = f X ( x ) f Y ( y ) 이면 X X X 와 Y Y Y 는 독립 (independent)입니다.
예제 4.4. 동전 두 개(각각 앞 1, 뒤 0)를 던진 X X X , Y Y Y 와 S = X + Y S = X + Y S = X + Y 를 생각합니다. X X X 와 Y Y Y 는 독립이지만, X X X 와 S S S 는 독립이 아닙니다(X = 1 X = 1 X = 1 이면 S ≥ 1 S \ge 1 S ≥ 1 ).
4.2 공분산과 상관계수
정의 4.5 (공분산). C o v ( X , Y ) = E [ ( X − μ X ) ( Y − μ Y ) ] = E [ X Y ] − E [ X ] E [ Y ] \mathrm{Cov}(X, Y) = E[(X - \mu_X)(Y - \mu_Y)] = E[XY] - E[X]E[Y] Cov ( X , Y ) = E [( X − μ X ) ( Y − μ Y )] = E [ X Y ] − E [ X ] E [ Y ] .
두 변수가 함께 평균보다 크거나 함께 작으면 양수, 엇갈리면 음수입니다. C o v ( X , X ) = V a r ( X ) \mathrm{Cov}(X, X) = \mathrm{Var}(X) Cov ( X , X ) = Var ( X ) 입니다.
정의 4.6 (상관계수). ρ = C o v ( X , Y ) σ X σ Y \rho = \dfrac{\mathrm{Cov}(X, Y)}{\sigma_X\sigma_Y} ρ = σ X σ Y Cov ( X , Y ) .
정리 4.7. − 1 ≤ ρ ≤ 1 -1 \le \rho \le 1 − 1 ≤ ρ ≤ 1 이고, ∣ ρ ∣ = 1 |\rho| = 1 ∣ ρ ∣ = 1 일 필요충분조건은 Y = a X + b Y = aX + b Y = a X + b (a ≠ 0 a \ne 0 a = 0 )인 것입니다.
증명 개요. 중심화한 확률변수를 벡터, E [ U V ] E[UV] E [ U V ] 를 내적으로 보면(선형대수 25장) ρ \rho ρ 는 두 벡터 사이 각의 코사인이고, 코시–슈바르츠 부등식으로 절댓값이 1 이하입니다. □
정리 4.8. 독립이면 공분산이 0입니다. 거꾸로는 성립하지 않습니다.
예제 4.9. X X X 가 { − 1 , 0 , 1 } \{-1, 0, 1\} { − 1 , 0 , 1 } 에서 균등이고 Y = X 2 Y = X^2 Y = X 2 이면 E [ X Y ] = E [ X 3 ] = 0 E[XY] = E[X^3] = 0 E [ X Y ] = E [ X 3 ] = 0 , E [ X ] = 0 E[X] = 0 E [ X ] = 0 이라 C o v = 0 \mathrm{Cov} = 0 Cov = 0 입니다. 그러나 Y Y Y 는 X X X 로 완전히 정해지므로 독립이 아닙니다. 상관계수는 직선적인 관계만 잽니다.
정리 4.10. V a r ( X + Y ) = V a r ( X ) + V a r ( Y ) + 2 C o v ( X , Y ) \mathrm{Var}(X + Y) = \mathrm{Var}(X) + \mathrm{Var}(Y) + 2\mathrm{Cov}(X, Y) Var ( X + Y ) = Var ( X ) + Var ( Y ) + 2 Cov ( X , Y ) .
4.3 공분산 행렬
확률벡터 X = ( X 1 , … , X n ) \mathbf{X} = (X_1, \dots, X_n) X = ( X 1 , … , X n ) 의 평균 벡터 μ = E [ X ] \boldsymbol\mu = E[\mathbf{X}] μ = E [ X ] 와
정의 4.11 (공분산 행렬). Σ = E [ ( X − μ ) ( X − μ ) T ] \Sigma = E[(\mathbf{X} - \boldsymbol\mu)(\mathbf{X} - \boldsymbol\mu)^T] Σ = E [( X − μ ) ( X − μ ) T ] , 곧 Σ i j = C o v ( X i , X j ) \Sigma_{ij} = \mathrm{Cov}(X_i, X_j) Σ ij = Cov ( X i , X j ) .
정리 4.12. Σ \Sigma Σ 는 대칭이고 양반정치입니다. Y = A X + b \mathbf{Y} = A\mathbf{X} + \mathbf{b} Y = A X + b 이면 E [ Y ] = A μ + b E[\mathbf{Y}] = A\boldsymbol\mu + \mathbf{b} E [ Y ] = A μ + b , C o v ( Y ) = A Σ A T \mathrm{Cov}(\mathbf{Y}) = A\Sigma A^T Cov ( Y ) = A Σ A T 입니다.
증명 (양반정치). v T Σ v = E [ ( v T ( X − μ ) ) 2 ] = V a r ( v T X ) ≥ 0 \mathbf{v}^T\Sigma\mathbf{v} = E[(\mathbf{v}^T(\mathbf{X} - \boldsymbol\mu))^2] = \mathrm{Var}(\mathbf{v}^T\mathbf{X}) \ge 0 v T Σ v = E [( v T ( X − μ ) ) 2 ] = Var ( v T X ) ≥ 0 . □
방향 v \mathbf{v} v (단위벡터)로 데이터를 비췄을 때의 분산이 v T Σ v \mathbf{v}^T\Sigma\mathbf{v} v T Σ v 입니다. 이것이 가장 큰 방향이 Σ \Sigma Σ 의 최대 고윳값의 고유벡터이고, 이것이 주성분 (PCA, 선형대수 31장)입니다.
4.4 다변량 정규분포
정의 4.13 (다변량 정규분포). 밀도
f ( x ) = 1 ( 2 π ) n det Σ exp ( − 1 2 ( x − μ ) T Σ − 1 ( x − μ ) ) f(\mathbf{x}) = \frac{1}{\sqrt{(2\pi)^n\det\Sigma}}\exp\!\left(-\tfrac12(\mathbf{x} - \boldsymbol\mu)^T\Sigma^{-1}(\mathbf{x} - \boldsymbol\mu)\right) f ( x ) = ( 2 π ) n det Σ 1 exp ( − 2 1 ( x − μ ) T Σ − 1 ( x − μ ) )
인 분포를 N ( μ , Σ ) \mathcal{N}(\boldsymbol\mu, \Sigma) N ( μ , Σ ) 라 합니다(Σ \Sigma Σ 는 양정치).
지수 안의 ( x − μ ) T Σ − 1 ( x − μ ) (\mathbf{x} - \boldsymbol\mu)^T\Sigma^{-1}(\mathbf{x} - \boldsymbol\mu) ( x − μ ) T Σ − 1 ( x − μ ) 를 마할라노비스 거리 의 제곱이라 합니다. 밀도의 등위선은 이 값이 일정한 타원(타원체)이고, 그 축은 Σ \Sigma Σ 의 고유벡터, 반지름은 λ i \sqrt{\lambda_i} λ i 에 비례합니다. det Σ \det\Sigma det Σ 는 이 타원의 부피 배율로 정규화 상수에 들어갑니다(다변수 미적분 8장).
정리 4.14 (정규분포의 좋은 성질).
선형변환 A X + b A\mathbf{X} + \mathbf{b} A X + b 는 다시 정규분포 N ( A μ + b , A Σ A T ) \mathcal{N}(A\boldsymbol\mu + \mathbf{b}, A\Sigma A^T) N ( A μ + b , A Σ A T ) 입니다.
주변분포와 조건부분포(5장)도 정규분포입니다.
정규분포에서는 공분산 0과 독립이 같습니다 .
예제 4.15 (만들기). Z ∼ N ( 0 , I ) \mathbf{Z} \sim \mathcal{N}(\mathbf{0}, I) Z ∼ N ( 0 , I ) (독립인 표준정규 n n n 개)이고 Σ = L L T \Sigma = LL^T Σ = L L T (숄레스키 분해, 선형대수 17장)이면 X = μ + L Z ∼ N ( μ , Σ ) \mathbf{X} = \boldsymbol\mu + L\mathbf{Z} \sim \mathcal{N}(\boldsymbol\mu, \Sigma) X = μ + L Z ∼ N ( μ , Σ ) 입니다. 상관된 정규 난수를 만드는 표준 방법이고, VAE의 재매개변수화 z = μ + σ ⊙ ϵ \mathbf{z} = \boldsymbol\mu + \boldsymbol\sigma\odot\boldsymbol\epsilon z = μ + σ ⊙ ϵ 은 L L L 이 대각인 경우입니다.
4.5 이 장의 요약
결합분포에서 다른 변수를 더하거나 적분하면 주변분포. 독립은 곱으로 나뉨.
공분산·상관은 직선적 관계. 독립 ⇒ 무상관, 거꾸로는 아님(정규분포는 예외).
공분산 행렬은 대칭·양반정치, 선형변환에서 A Σ A T A\Sigma A^T A Σ A T . 다변량 정규의 등위선은 고유벡터를 축으로 하는 타원.
쓰이는 곳. PCA(공분산 행렬의 고유벡터), 가우스 과정 회귀(공분산 = 커널 행렬), 칼만 필터(공분산의 전파 A Σ A T A\Sigma A^T A Σ A T ), 가우스 혼합 모델, VAE의 잠재 공간, 금융의 포트폴리오 분산 w T Σ w \mathbf{w}^T\Sigma\mathbf{w} w T Σ w 가 이 장의 개념입니다. 물리에서는 측정 오차의 전파와 다체계의 상관 함수에 씁니다.
문제
4.1 [계산] · 확인 문제
X X X , Y Y Y 의 결합 확률이 p ( 0 , 0 ) = 0.3 p(0,0) = 0.3 p ( 0 , 0 ) = 0.3 , p ( 0 , 1 ) = 0.2 p(0,1) = 0.2 p ( 0 , 1 ) = 0.2 , p ( 1 , 0 ) = 0.1 p(1,0) = 0.1 p ( 1 , 0 ) = 0.1 , p ( 1 , 1 ) = 0.4 p(1,1) = 0.4 p ( 1 , 1 ) = 0.4 일 때 값을 씁니다.
값
답
P ( X = 1 ) P(X = 1) P ( X = 1 )
[?]
E [ X Y ] E[XY] E [ X Y ]
[?]
C o v ( X , Y ) \mathrm{Cov}(X, Y) Cov ( X , Y )
[?]
정답 풀이 P ( X = 1 ) = 0.1 + 0.4 = 0.5 P(X = 1) = 0.1 + 0.4 = 0.5 P ( X = 1 ) = 0.1 + 0.4 = 0.5 , P ( Y = 1 ) = 0.6 P(Y = 1) = 0.6 P ( Y = 1 ) = 0.6 . E [ X Y ] = P ( X = 1 , Y = 1 ) = 0.4 E[XY] = P(X = 1, Y = 1) = 0.4 E [ X Y ] = P ( X = 1 , Y = 1 ) = 0.4 . C o v = 0.4 − 0.5 ⋅ 0.6 = 0.1 \mathrm{Cov} = 0.4 - 0.5\cdot0.6 = 0.1 Cov = 0.4 − 0.5 ⋅ 0.6 = 0.1 .
4.2 [계산] · 확인 문제
V a r ( X ) = 4 \mathrm{Var}(X) = 4 Var ( X ) = 4 , V a r ( Y ) = 9 \mathrm{Var}(Y) = 9 Var ( Y ) = 9 , ρ = 0.5 \rho = 0.5 ρ = 0.5 일 때 V a r ( X − Y ) \mathrm{Var}(X - Y) Var ( X − Y ) 는?
정답 풀이 C o v = 0.5 ⋅ 2 ⋅ 3 = 3 \mathrm{Cov} = 0.5\cdot2\cdot3 = 3 Cov = 0.5 ⋅ 2 ⋅ 3 = 3 . V a r ( X − Y ) = 4 + 9 − 2 ⋅ 3 = 7 \mathrm{Var}(X - Y) = 4 + 9 - 2\cdot3 = 7 Var ( X − Y ) = 4 + 9 − 2 ⋅ 3 = 7 입니다.
4.3 [계산] · 확인 문제
Σ = [ 2 1 1 2 ] \Sigma = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{bmatrix} Σ = [ 2 1 1 2 ] 일 때, 데이터를 비췄을 때 분산이 가장 큰 방향의 분산(최대 고윳값)과 가장 작은 분산을 씁니다.
정답 풀이 고윳값은 2 ± 1 2 \pm 1 2 ± 1 이므로 3(방향 ( 1 , 1 ) / 2 (1, 1)/\sqrt2 ( 1 , 1 ) / 2 )과 1(방향 ( 1 , − 1 ) / 2 (1, -1)/\sqrt2 ( 1 , − 1 ) / 2 )입니다.
4.4 [계산]
X ∼ N ( 0 , Σ ) \mathbf{X} \sim \mathcal{N}(\mathbf{0}, \Sigma) X ∼ N ( 0 , Σ ) , Σ = [ 1 0.5 0.5 1 ] \Sigma = \begin{bmatrix} 1 & 0.5 \\ 0.5 & 1 \end{bmatrix} Σ = [ 1 0.5 0.5 1 ] 이고 Y = X 1 + X 2 Y = X_1 + X_2 Y = X 1 + X 2 일 때 V a r ( Y ) \mathrm{Var}(Y) Var ( Y ) 는?
정답 풀이 A = [ 1 1 ] A = [1\ 1] A = [ 1 1 ] 이면 A Σ A T = 1 + 0.5 + 0.5 + 1 = 3 A\Sigma A^T = 1 + 0.5 + 0.5 + 1 = 3 A Σ A T = 1 + 0.5 + 0.5 + 1 = 3 입니다.
4.5 [증명]
정리 4.10 을 기댓값의 선형성으로 보입니다.
풀이 U = X − μ X U = X - \mu_X U = X − μ X , V = Y − μ Y V = Y - \mu_Y V = Y − μ Y 로 두면 V a r ( X + Y ) = E [ ( U + V ) 2 ] = E [ U 2 ] + 2 E [ U V ] + E [ V 2 ] = V a r ( X ) + 2 C o v ( X , Y ) + V a r ( Y ) \mathrm{Var}(X + Y) = E[(U + V)^2] = E[U^2] + 2E[UV] + E[V^2] = \mathrm{Var}(X) + 2\mathrm{Cov}(X, Y) + \mathrm{Var}(Y) Var ( X + Y ) = E [( U + V ) 2 ] = E [ U 2 ] + 2 E [ U V ] + E [ V 2 ] = Var ( X ) + 2 Cov ( X , Y ) + Var ( Y ) 입니다.