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AI수학/확률과 추정10

중요 샘플링 (Importance Sampling) 파이썬(Python)이나 매트랩(Matlab) 등 대부분의 컴퓨터 언어에는 가우시안 또는 균등분포(uniform distribution)로부터 샘플을 생성하는 함수를 가지고 있다. 샘플을 생성하고 싶은 확률밀도함수는 알고 있지만 샘플을 생성하기가 어려울 때는, 균등분포를 갖는 랜덤변수 \(X \sim U[0,1]\)로부터 해당 확률밀도함수를 갖는 랜덤변수 \(Y\) 사이의 함수 관계식 \(Y=g(X)\)을 구하고, 균등분포로부터 추출한 샘플 \(x^{(i)}\)를 함수 관계식 \(y^{(i)}=g(x^{(i)})\)로 변환해서 사용하면 된다. 그러나 이 방법은 랜덤변수가 다차원(multi-dimension)을 갖거나 복잡한 확률밀도함수를 갖는 경우에는 적용하기가 어렵다. 만약 샘플을 추출하여 기댓값(ex.. 2021. 1. 6.
혼합 랜덤변수 (Mixed Random Variables) 이산(discrete) 랜덤변수에서는 확률밀도함수(pdf, probability density function) 대신에 확률질량함수(pmf, probability mass function)를 사용한다. 이산 랜덤변수 \( \Theta \)의 확률질량함수 \( \omega_{\Theta} (\theta)\)는 다음과 같이 정의한다. \[ \omega_{\Theta} (\theta_i ) = P \{ \Theta = \theta _i \} \] 여기서 \( \theta_i, \ i=1, ... , n \)은 표본 공간의 모든 원소다. 정의에 의하면 확률질량함수는 곧 확률임을 알 수 있다. 디랙 델타(Dirac delta)함수 \(\delta (\theta) \)를 이용하면 확률질량함수를 확률밀도함수의 형태로.. 2020. 12. 27.
랜덤변수의 함수와 샘플링 - 3 랜덤변수 \(X\)의 확률밀도함수(pdf, probability density function)가 \(p_X (x)\)이고, 랜덤변수 \(Y\)가 함수 \(Y=g(X)\)로 주어졌을 때, \(Y\)의 확률밀도함수 \(p_Y (y)\)를 구할 수 있었다. 또한 랜덤변수 \(Y\)의 확률분포에서 샘플을 직접 추출하기 어려운 경우에는 가우시안 또는 균등분포(uniform distribution)를 갖는 랜덤변수 \(X\)로부터 샘플 \(X=x^{(i)}\)를 추출하여 함수 관계식 \(y^{(i)}=g(x^{(i)})\)로 변환해서 사용할 수 있었다. 그렇다면, 랜덤변수 \(X\)의 확률밀도함수 \(p_X (x)\)와 랜덤변수 \(Y\)의 확률밀도함수 \(p_Y (y)\)가 주어졌을 때, X와 Y의 함수 관계식.. 2020. 12. 26.
랜덤변수의 함수와 샘플링 - 2 랜덤변수(random variable) \(X\)의 확률밀도함수(pdf, probability density function) \(p_X (x) \)이고, 랜덤변수 \(Y\)가 미분가능한 함수 \(Y=g(X)\)로 주어졌을 때, \(Y\)의 확률밀도함수 \(p_Y (y)\)는 다음과 같이 주어진다. \[ p_Y (y) = \sum_{i=1}^k \frac{p_X (x_i)}{ \left| g^{\prime} (x_i) \right| } \] 여기서 \(x_1,x_2, ... \)는 함수 \(y=g(x)\)의 해이고 \(g^\prime (x_i)\)는 \(x_i\)에서 함수 \(g\)를 미분한 값이다. 증명은 복잡하므로 생략하기로 한다. 위 식을 이용하여 \(g\)가 선형함수 \(Y=aX+b,\ a \gt.. 2020. 12. 24.
랜덤변수의 함수와 샘플링 - 1 \(Y\)가 랜덤변수(random variable) \(X\)의 함수 \(Y=g(X)\)로 주어진다면 \(Y\)도 랜덤변수가 된다. \(X\)의 누적분포함수 \(F_X (x) \)와 확률밀도함수 \(p_X (x) \)로부터 \(F_Y (y) \)와 \(p_Y (y) \)를 구해보자. 사건 \( \{ Y \le y \} \)의 확률은 랜덤변수 \(X\)가 \( g(X) \le y \)를 만족하는 실수 구간 \( \{ X \in I_x \} \)에 속할 확률과 같으므로 \(Y\)의 누적분포함수는 다음 식으로 계산할 수 있다. \[ \begin{align} F_Y (y) & = P \{ Y \le y \} \\ \\ &= P \{ g(X) \le y \} \\ \\ &= P \{ X \le g^{-1} (y).. 2020. 12. 22.
반복적인 기댓값 계산 랜덤변수(random variable) \( X \)와 \( Y \)의 함수인 \( g(X,Y) \)의 기댓값 \( \mathbb{E}[g(X,Y)] \)는 다음과 같이 조건부 기댓값을 두 번 반복하여 계산해서 구할 수 있다. \[ \mathbb{E}[ g(X,Y)]=\mathbb{E}_Y \left[ \ \mathbb{E}_X [ g(X,Y)|Y ] \ \right] \] 여기서 \( \mathbb{E}_X [ \cdot ] \)는 기댓값을 확률밀도함수 \( p_{X|Y} (x|y) \)를 이용하여 계산한 것이고 \( \mathbb{E}_Y [ \cdot ] \)는 기댓값을 \( p_Y (y) \)를 이용하여 계산한 것이다. 위 관계식을 증명해 보자. \[ \begin{align} \mathbb{E}_.. 2020. 12. 12.
베이즈(Bayes) 정리 사건 \(B\)가 발생한다는 가정(또는 조건)하에서 사건 \(A\)가 발생할 확률을 사건 \(A\)의 조건부 확률(conditional probability)이라고 하고, 다음과 같이 정의한다. \[ P\{A|B \}=\frac{P\{A,B \}}{P \{B \}} \] 비슷하게 사건 \(A \)가 발생한다는 가정하에서 사건 \(B\)가 발생할 확률은 다음과 같이 쓸 수 있다. \[ P\{B|A\}= \frac{P\{A,B\} }{ P\{A\} } \] 위 두 식을 이용하면 다음과 같은 연쇄법칙(chain rule)을 만들 수 있다. \[ P\{A,B \} = P\{A│B \}P\{B\}=A\{B│A\}P \{A \} \] 한편 다음 그림과 같이 \( N \)개의 사건 \( \{ B_i, \ i=1,.... 2020. 11. 13.
샘플평균과 샘플분산 디랙 델타(Dirac delta) 함수 \( \delta (x) \)를 이용하면 확률밀도함수 \( p_X (x) \)를 다음과 같이 근사화할 수 있다. \[ p_X (x) \approx \sum_{i=1}^N \omega_i \delta (x-x^{(i) } ) \] 여기서 \( x^{(i)} \)는 확률밀도함수가 \( p_X (x) \)인 모집단에서 추출한 샘플이다. \( N \)개의 샘플이 독립적이고 공평하게 추출됐다면 각 샘플이 추출될 확률 \( \omega_i \)는 다음과 같이 동일하게 주어진다. \[ \omega_i = P \{ X=x^{(i) } \} = \frac{1}{N} \] 그러면 랜덤변수(random variable) \( X \)의 함수인 \( f(X) \)의 기댓값 \( \mat.. 2020. 11. 12.
IID 샘플 IID는 independent and identically distributed의 약자다. '독립적이고 동일하게 분포된'이라는 뜻이다. 샘플(sample)은 샘플링(sampling)을 통해 추출된 데이터를 뜻한다. 따라서 IID샘플은 ‘독립적이고 동일한 확률로 추출된 데이터’를 의미한다. 비슷한 용어로 IID프로세스가 있는데, IID 프로세스란 프로세스를 구성하는 랜덤변수가 서로 독립이고 모두 동일한 확률분포를 갖는 프로세스를 말한다. 데이터의 전반적인 모습을 파악하기 위해서는 데이터의 분포를 묘사하는 것이 필요하다. 데이터의 분포를 수학적으로 묘사하는 함수로, 데이터가 연속적인 값을 가질 경우에는 확률밀도함수(probability density function)가 사용되고 데이터가 불연속적인 값(또는 .. 2020. 11. 4.
조건부 확률 사건 \( B \)가 발생한 조건에서 사건 \( A \)가 발생할 확률을 사건 \( A \)의 조건부 확률(conditional probability)이라고 하고, 다음과 같이 정의한다. \[ P\{ A| B \} = \frac{P \{A, B \} } {P \{ B \}} \] 다음 그림에서 보듯이 조건부 확률은 사건 \( A \)이기도 하면서 동시에 사건 \( B \)이기도 한 사건(곱사건이라고 한다)이 발생할 확률과 사건 B만 발생할 확률의 비로 주어진다. 즉, \[ \frac{ 노란색 \ 영역 \ 확률} { (노란색 \ + \ 녹색) \ 영역 \ 확률 } \] 이다. 이와 같은 조건부 확률 정의는 상식에 부합한다. 예를 들어 보자. 주사위 놀이에서 홀수가 나올 사건을 \( A \), \( 4 \).. 2020. 10. 27.