10장. 베이즈 추론

확률과 통계 · 4부. 정보와 샘플링

심화 · 약 10분 · 연습문제 5

요약

사전분포·가능도·사후분포, 켤레 사전분포(베타–이항), MAP 추정과 정규화, 사후 예측, 신용구간, 빈도주의와의 비교

5장의 베이즈 정리는 사건의 확률을 증거로 고치는 공식이었습니다. 이 장에서는 같은 정리를 모수 자체에 씁니다. 모수를 모르는 값이라 확률분포로 표현하고(사전분포), 데이터를 보면 그 분포를 고칩니다(사후분포). 이렇게 하면 “모수가 이 구간에 있을 확률이 95%”라는, 8장에서 신뢰구간으로는 말할 수 없던 문장을 말할 수 있습니다. 머신러닝의 정규화, 베이즈 신경망, 불확실성 추정, 가우시안 과정이 이 틀 위에 있습니다.

10.1 사전·가능도·사후

정리 10.1 (모수에 대한 베이즈 정리).

p(θ∣D)⏟사후=p(D∣θ)⏞가능도  p(θ)⏞사전p(D)⏟증거  ∝  p(D∣θ) p(θ).\underbrace{p(\theta \mid D)}_{\text{사후}} = \frac{\overbrace{p(D \mid \theta)}^{\text{가능도}}\;\overbrace{p(\theta)}^{\text{사전}}}{\underbrace{p(D)}_{\text{증거}}} \;\propto\; p(D \mid \theta)\,p(\theta).
  • 사전분포(prior) p(θ)p(\theta): 데이터를 보기 전의 믿음.
  • 가능도(likelihood) p(D∣θ)p(D \mid \theta): 7장과 같습니다.
  • 사후분포(posterior) p(θ∣D)p(\theta \mid D): 데이터를 본 뒤의 믿음.
  • 증거(evidence) p(D)=∫p(D∣θ)p(θ) dθp(D) = \int p(D \mid \theta)p(\theta)\,d\theta: θ\theta와 무관한 정규화 상수.

∝\propto는 “비례한다”는 뜻입니다. 상수배는 마지막에 넓이가 1이 되도록 맞추면 되므로, 계산할 때는 분자만 봅니다.

10.2 켤레 사전분포: 베타–이항

정의 10.2 (베타 분포). 0<p<10 < p < 1에서 밀도가 f(p)∝pα−1(1−p)β−1f(p) \propto p^{\alpha - 1}(1 - p)^{\beta - 1}인 분포를 Beta(α,β)\mathrm{Beta}(\alpha, \beta)라 합니다. 평균은 αα+β\frac{\alpha}{\alpha + \beta}입니다.

Beta(1,1)\mathrm{Beta}(1, 1)은 균등분포(아무것도 모름)이고, α\alpha와 β\beta는 “앞에서 본 앞면 수 + 1, 뒷면 수 + 1”처럼 해석할 수 있습니다.

정리 10.3. 사전분포가 Beta(α,β)\mathrm{Beta}(\alpha, \beta)이고 nn번 중 kk번 앞면을 보면, 사후분포는 Beta(α+k,β+n−k)\mathrm{Beta}(\alpha + k, \beta + n - k)입니다.

증명. 사후 ∝pk(1−p)n−k⋅pα−1(1−p)β−1=pα+k−1(1−p)β+n−k−1\propto p^k(1 - p)^{n - k}\cdot p^{\alpha - 1}(1 - p)^{\beta - 1} = p^{\alpha + k - 1}(1 - p)^{\beta + n - k - 1}. □

사전과 사후가 같은 분포족이면 켤레(conjugate)라 합니다. 데이터를 볼 때마다 숫자 두 개만 더하면 됩니다.

예제 10.4. 균등 사전 Beta(1,1)\mathrm{Beta}(1, 1)에서 동전을 3번 던져 3번 모두 앞면. MLE는 p^=1\hat p = 1(뒷면은 절대 안 나온다!)이지만, 사후 Beta(4,1)\mathrm{Beta}(4, 1)의 평균은 4/5=0.84/5 = 0.8로 덜 극단적입니다. 데이터가 적을 때 사전분포가 과신을 막아 줍니다.

10.3 MAP 추정과 정규화

정의 10.5. 사후분포를 최대로 하는 θ^MAP=arg⁡max⁡θ[ln⁡p(D∣θ)+ln⁡p(θ)]\hat\theta_{\mathrm{MAP}} = \arg\max_\theta[\ln p(D \mid \theta) + \ln p(\theta)]를 최대 사후 추정(maximum a posteriori, MAP)이라 합니다.

정리 10.6 (정규화 = 사전분포). 가중치에 사전분포 wj∼N(0,τ2)w_j \sim \mathcal N(0, \tau^2)를 주면 −ln⁡p(w)=12τ2∥w∥2+상수-\ln p(w) = \frac{1}{2\tau^2}\|w\|^2 + \text{상수}이므로, MAP는 “음의 로그 가능도 + λ∥w∥2\lambda\|w\|^2”을 최소로 하는 것, 곧 L2 정규화(릿지, 가중치 감쇠)입니다. 라플라스 사전분포 p(w)∝e−∣w∣/bp(w) \propto e^{-|w|/b}는 L1 정규화(라쏘)를 줍니다.

예제 10.7. Beta(α,β)\mathrm{Beta}(\alpha, \beta) 사전에서 MAP는 사후 Beta(α+k,β+n−k)\mathrm{Beta}(\alpha + k, \beta + n - k)의 최빈값 α+k−1α+β+n−2\frac{\alpha + k - 1}{\alpha + \beta + n - 2}입니다. 균등 사전(α=β=1\alpha = \beta = 1)이면 MLE k/nk/n과 같습니다.

10.4 사후 예측과 신용구간

사후 예측. 다음 관측의 확률은 모수 하나를 고르지 않고 사후분포로 평균합니다: p(xnew∣D)=∫p(xnew∣θ)p(θ∣D) dθp(x_{\text{new}} \mid D) = \int p(x_{\text{new}} \mid \theta)p(\theta \mid D)\,d\theta. 베타–이항에서 다음이 앞면일 확률은 사후 평균 α+kα+β+n\frac{\alpha + k}{\alpha + \beta + n}입니다. α=β=1\alpha = \beta = 1이면 k+1n+2\frac{k + 1}{n + 2}, 라플라스의 계승 규칙입니다.

정의 10.8 (신용구간). P(L≤θ≤U∣D)=0.95P(L \le \theta \le U \mid D) = 0.95인 구간을 95% 신용구간(credible interval)이라 합니다. 이것은 말 그대로 “데이터를 보고 나니 θ\theta가 이 안에 있을 확률이 95%”입니다.

10.5 빈도주의와 베이즈

빈도주의 베이즈
모수 고정된 미지수 확률변수(믿음)
추정 MLE, 신뢰구간 사후분포, 신용구간
사전 정보 쓰지 않음 사전분포로 넣음
데이터가 많을 때 둘이 거의 같아집니다

사후분포 계산의 어려움은 증거 p(D)p(D)의 적분입니다. 켤레가 아니면 닫힌 꼴이 없어 12장의 몬테카를로 방법(MCMC)이나 변분 추론을 씁니다.

10.6 이 장의 요약

  • 사후 ∝ 가능도 × 사전.
  • 베타–이항 켤레: Beta(α,β)→Beta(α+k,β+n−k)\mathrm{Beta}(\alpha, \beta) \to \mathrm{Beta}(\alpha + k, \beta + n - k).
  • MAP = 정규화된 최대우도. L2 = 정규 사전, L1 = 라플라스 사전.
  • 신용구간은 “모수가 이 안에 있을 확률”을 직접 말합니다.

쓰이는 곳. 가중치 감쇠의 해석, 베이즈 최적화(하이퍼파라미터 탐색), 변분 오토인코더(VAE)의 “prior/posterior”, 확산 모델의 조건부 생성, 강화학습의 톰슨 샘플링(베타 사후분포에서 뽑기), 물리학의 매개변수 추정(우주론의 사후분포 그림)이 이 장의 말을 씁니다.

문제

10.1 [계산] · 확인 문제

사전 Beta(2,2)\mathrm{Beta}(2, 2)에서 동전을 10번 던져 앞면 7번을 봤습니다.

값 답
사후분포의 α\alpha [?]
사후분포의 β\beta [?]
사후 평균 [?]
정답
9
5
9/14
풀이

Beta(2+7,2+3)=Beta(9,5)\mathrm{Beta}(2 + 7, 2 + 3) = \mathrm{Beta}(9, 5), 평균 9/14≈0.6439/14 \approx 0.643입니다.

10.2 [계산] · 확인 문제

위 문제의 MAP 추정값은?

정답
2/3
풀이

최빈값 9−19+5−2=812=23\frac{9 - 1}{9 + 5 - 2} = \frac{8}{12} = \frac23입니다. MLE 0.70.7보다 0.50.5쪽으로 당겨졌습니다.

10.3 [계산] · 확인 문제

균등 사전에서 시도 8번 중 성공 0번을 봤을 때, 계승 규칙에 따른 다음 시도의 성공 확률은?

정답
1/10
풀이

0+18+2=110\frac{0 + 1}{8 + 2} = \frac{1}{10}입니다. MLE는 0이지만 사후 예측은 0이 아닙니다.

10.4 [개념]

손실 함수에 λ∥w∥2\lambda\|w\|^2를 더하는 것에 대응하는 사전분포는?

  1. 균등분포
  2. 평균 0인 정규분포
  3. 라플라스 분포
  4. 지수분포
정답
2
풀이

−ln⁡-\ln 정규밀도가 ∥w∥2\|w\|^2에 비례하므로 정규분포입니다. 라플라스는 L1입니다.

10.5 [증명]

사전 μ∼N(0,1)\mu \sim \mathcal N(0, 1), 관측 하나 x∣μ∼N(μ,1)x \mid \mu \sim \mathcal N(\mu, 1)일 때 사후분포가 N(x/2,1/2)\mathcal N(x/2, 1/2)임을 보입니다.

풀이

사후 ∝e−(x−μ)2/2e−μ2/2\propto e^{-(x - \mu)^2/2}e^{-\mu^2/2}. 지수를 정리하면 −12(2μ2−2xμ+x2)=−(μ−x/2)2+상수-\frac12(2\mu^2 - 2x\mu + x^2) = -(\mu - x/2)^2 + \text{상수}이고, 이는 평균 x/2x/2, 분산 1/21/2인 정규분포의 지수입니다.