Linearism › 이산수학 › DM.13

13강. 이산확률

이산수학 · 5부. 확률

심화 · 약 15분 · 연습문제 7

요약

표본공간과 사건, 같은 가능성의 확률, 조건부확률과 독립, 베이즈 정리, 확률변수와 기댓값, 기댓값의 선형성, 분산

확률은 경우의 수를 비율로 바꾼 것에서 출발합니다. 이 강에서는 결과가 유한하거나 셀 수 있는 경우(이산확률)만 다룹니다. 7강과 8강의 셈 도구가 그대로 쓰이고, 기댓값의 선형성이라는 강력한 도구가 새로 나옵니다.

13.1 표본공간과 사건

정의 13.1. 실험에서 나올 수 있는 모든 결과의 집합을 표본공간(sample space) SS, 그 부분집합을 사건(event)이라 합니다.

정의 13.2 (확률). 표본공간의 각 결과 ss에 0≤p(s)≤10 \le p(s) \le 1, ∑s∈Sp(s)=1\sum_{s \in S} p(s) = 1인 수를 정한 것을 확률분포(probability distribution)라 하고, 사건 EE의 확률을 P(E)=∑s∈Ep(s)P(E) = \sum_{s \in E} p(s)로 정합니다.

모든 결과가 같은 가능성을 가지면 P(E)=∣E∣/∣S∣P(E) = |E|/|S|이고, 확률 계산은 셈이 됩니다.

정리 13.3. P(Ec)=1−P(E)P(E^c) = 1 - P(E), P(E∪F)=P(E)+P(F)−P(E∩F)P(E \cup F) = P(E) + P(F) - P(E \cap F).

두 번째 식은 4강의 정리 4.10을 확률로 옮긴 것입니다.

예제 13.4. 주사위 두 개를 던져 합이 7일 확률: 36가지 중 (1,6),(2,5),…,(6,1)(1,6), (2,5), \dots, (6,1)의 6가지이므로 1/61/6입니다.

예제 13.5 (생일 문제). 23명 가운데 생일이 같은 두 사람이 있을 확률은? 모두 다를 확률은 365⋅364⋯34336523≈0.4927\frac{365 \cdot 364 \cdots 343}{365^{23}} \approx 0.4927이므로, 같은 쌍이 있을 확률은 약 0.50730.5073으로 절반을 넘습니다. 쌍이 (232)=253\binom{23}{2} = 253개나 되기 때문입니다.

13.2 조건부확률과 독립

정의 13.6 (조건부확률). P(F)>0P(F) > 0일 때 P(E∣F)=P(E∩F)P(F)P(E \mid F) = \dfrac{P(E \cap F)}{P(F)}를 “FF가 일어났을 때 EE의 확률”이라 합니다.

정의 13.7 (독립). P(E∩F)=P(E)P(F)P(E \cap F) = P(E)P(F)이면 EE와 FF는 독립(independent)입니다. P(F)>0P(F) > 0이면 P(E∣F)=P(E)P(E \mid F) = P(E)와 같습니다.

예제 13.8. 아이가 둘인 가정에서 “적어도 한 명이 딸”일 때 “둘 다 딸”일 확률은 {\{딸딸}\} / {\{딸딸, 딸아들, 아들딸}\} = 1/31/3입니다. “첫째가 딸”일 때라면 1/21/2입니다. 조건을 정확히 읽는 것이 중요합니다.

13.3 베이즈 정리

정리 13.9 (전확률 정리). F1,…,FnF_1, \dots, F_n이 표본공간을 나누면 P(E)=∑iP(E∣Fi)P(Fi)P(E) = \sum_i P(E \mid F_i)P(F_i).

정리 13.10 (베이즈 정리). P(F∣E)=P(E∣F)P(F)P(E∣F)P(F)+P(E∣Fc)P(Fc)P(F \mid E) = \dfrac{P(E \mid F)P(F)}{P(E \mid F)P(F) + P(E \mid F^c)P(F^c)}.

증명. P(F∣E)P(E)=P(E∩F)=P(E∣F)P(F)P(F \mid E)P(E) = P(E \cap F) = P(E \mid F)P(F)이고, 분모는 전확률 정리로 P(E)P(E)입니다. □

예제 13.11 (검사의 함정). 어떤 병의 유병률이 1%이고, 검사는 환자의 99%를 양성으로, 건강한 사람의 5%를 (잘못) 양성으로 판정합니다. 양성이 나왔을 때 실제 환자일 확률은

0.99⋅0.010.99⋅0.01+0.05⋅0.99=0.00990.0594=16≈0.167\frac{0.99 \cdot 0.01}{0.99 \cdot 0.01 + 0.05 \cdot 0.99} = \frac{0.0099}{0.0594} = \frac{1}{6} \approx 0.167

입니다. 검사가 정확해 보여도 병이 드물면 양성의 대부분이 거짓 양성입니다.

13.4 확률변수와 기댓값

정의 13.12 (확률변수). 표본공간에서 실수로 가는 함수 X:S→RX : S \to \mathbb{R}를 확률변수(random variable)라 합니다.

정의 13.13 (기댓값). E[X]=∑s∈Sp(s)X(s)=∑xx⋅P(X=x)E[X] = \sum_{s \in S} p(s) X(s) = \sum_x x \cdot P(X = x).

예제 13.14. 주사위 한 개의 눈 XX: E[X]=(1+⋯+6)/6=3.5E[X] = (1 + \cdots + 6)/6 = 3.5.

정리 13.15 (기댓값의 선형성). 확률변수 XX, YY와 상수 aa, bb에 대해 E[aX+bY]=aE[X]+bE[Y]E[aX + bY] = aE[X] + bE[Y]. XX와 YY가 독립이 아니어도 성립합니다.

증명. E[aX+bY]=∑sp(s)(aX(s)+bY(s))=a∑sp(s)X(s)+b∑sp(s)Y(s)E[aX + bY] = \sum_s p(s)(aX(s) + bY(s)) = a\sum_s p(s)X(s) + b\sum_s p(s)Y(s). □

선형성의 힘은 복잡한 확률변수를 단순한 것(0 또는 1인 지시변수(indicator variable))의 합으로 쪼개는 데 있습니다.

예제 13.16 (모자 문제). nn명이 모자를 무작위로 돌려받을 때, 자기 모자를 받는 사람 수의 기댓값은? XiX_i를 “ii가 자기 모자를 받으면 1, 아니면 0”이라 하면 E[Xi]=1/nE[X_i] = 1/n이고, X=X1+⋯+XnX = X_1 + \cdots + X_n이므로 E[X]=n⋅1n=1E[X] = n \cdot \frac1n = 1입니다. 8강의 교란순열을 몰라도 답이 나옵니다.

예제 13.17 (쿠폰 모으기). nn종류의 쿠폰이 같은 확률로 하나씩 나올 때 모두 모으는 데 필요한 횟수의 기댓값은 n(1+12+⋯+1n)n\left(1 + \frac12 + \cdots + \frac1n\right)입니다. kk종류를 모은 뒤 새 쿠폰이 나올 확률은 n−kn\frac{n-k}{n}이고, 처음 성공까지의 기댓값은 그 역수 nn−k\frac{n}{n-k}이기 때문입니다. 6종류이면 6⋅2.45=14.76 \cdot 2.45 = 14.7번입니다.

13.5 분산

정의 13.18 (분산). V(X)=E[(X−E[X])2]=E[X2]−E[X]2V(X) = E[(X - E[X])^2] = E[X^2] - E[X]^2. 표준편차는 V(X)\sqrt{V(X)}입니다.

정리 13.19. XX와 YY가 독립이면 V(X+Y)=V(X)+V(Y)V(X + Y) = V(X) + V(Y). 또 V(aX+b)=a2V(X)V(aX + b) = a^2 V(X).

예제 13.20 (이항분포). 성공 확률 pp인 시행을 독립으로 nn번 할 때 성공 횟수 XX는 P(X=k)=(nk)pk(1−p)n−kP(X = k) = \binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}입니다. 시행마다의 지시변수(기댓값 pp, 분산 p(1−p)p(1-p))를 더하면 E[X]=npE[X] = np, V(X)=np(1−p)V(X) = np(1-p)입니다.

쓰이는 곳. 머신러닝의 거의 모든 것이 확률입니다. 베이즈 정리는 베이지안 추론과 스팸 필터의 바탕이고, 기댓값의 선형성은 알고리즘 분석과 손실 함수의 계산에 매일 쓰입니다. 연속 확률변수는 미적분학 10장에서 이어집니다.

13.6 이 장의 요약

  • 같은 가능성이면 확률 = 셈의 비율.
  • 베이즈 정리: 드문 사건의 검사에서는 거짓 양성이 많습니다.
  • 기댓값의 선형성 + 지시변수 = 가장 쓸모 있는 계산 도구.

문제

13.1 [계산] · 확인 문제

주사위 두 개를 던져 눈의 합이 10 이상일 확률은? (분수로 답할 수 있습니다)

정답
1/6
풀이

합 10: 3가지, 11: 2가지, 12: 1가지로 6가지이므로 6/36=1/66/36 = 1/6입니다.

13.2 [계산] · 확인 문제

예제 13.11에서 유병률만 10%로 바꾸면, 양성일 때 실제 환자일 확률은? (소수로)

힌트 1

분자는 0.99⋅0.10.99 \cdot 0.1, 분모에 거짓 양성 0.05⋅0.90.05 \cdot 0.9를 더합니다.

정답
0.6875
풀이

0.0990.099+0.045=0.0990.144=0.6875\frac{0.099}{0.099 + 0.045} = \frac{0.099}{0.144} = 0.6875입니다.

13.3 [계산] · 확인 문제

동전을 10번 던질 때 앞면이 정확히 5번 나올 확률은? (소수 넷째 자리까지)

정답
0.2461
풀이

(105)/210=252/1024≈0.2461\binom{10}{5}/2^{10} = 252/1024 \approx 0.2461입니다.

13.4 [계산]

주사위 하나를 던진 눈을 XX라 할 때 분산 V(X)V(X)는? (분수로 답할 수 있습니다)

정답
35/12
풀이

E[X2]=(1+4+9+16+25+36)/6=91/6E[X^2] = (1 + 4 + 9 + 16 + 25 + 36)/6 = 91/6, E[X]2=49/4E[X]^2 = 49/4이므로 V(X)=91/6−49/4=35/12V(X) = 91/6 - 49/4 = 35/12입니다.

13.5 [계산]

1부터 10까지의 수를 무작위 순서로 늘어놓을 때, 바로 옆 수보다 큰 “오르막”(ai<ai+1a_i < a_{i+1})의 수의 기댓값은?

힌트 1

i=1,…,9i = 1, \dots, 9마다 지시변수를 둡니다. ai<ai+1a_i < a_{i+1}일 확률은 대칭으로 1/21/2입니다.

정답
4.5
풀이

9개의 이웃 쌍마다 오르막일 확률이 1/21/2이므로 기댓값의 선형성으로 9/2=4.59/2 = 4.5입니다.

13.6 [계산]

생일 문제에서 생일이 같은 두 사람이 있을 확률이 처음으로 0.5를 넘는 인원은?

정답
23
풀이

모두 다를 확률 ∏k=0n−1365−k365\prod_{k=0}^{n-1}\frac{365-k}{365}가 n=22n = 22에서 약 0.524, n=23n = 23에서 약 0.493이므로 23명입니다.

13.7 [증명]

독립인 두 사건 EE, FF에 대해 EE와 FcF^c도 독립임을 보입니다.

풀이

P(E)=P(E∩F)+P(E∩Fc)P(E) = P(E \cap F) + P(E \cap F^c)이므로 P(E∩Fc)=P(E)−P(E)P(F)=P(E)(1−P(F))=P(E)P(Fc)P(E \cap F^c) = P(E) - P(E)P(F) = P(E)(1 - P(F)) = P(E)P(F^c)입니다.