확률 변수와 확률 분포

2025. 3. 12. 20:58·기초 수학/확률통계
목차
  1. 확률 변수와 확률 분포
  2. 시행(Trial)
  3. 사건(Event)
  4. 확률 변수(Random Variable)
  5. 확률 함수(Probability Random)
  6. 확률 분포(Probability Distribution)
  7. 확률 분포 함수(Probability Distribution Function)
  8. 이산확률분포(Disicrete Probability Distribution)
  9. 연속확률분포(Continuous Probability Distribution)
  10. AI에서의 활용
  11. 활용
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확률 변수와 확률 분포

  • 확률은 어떠한 사건이 일어날 가능성을 수로 표현 

 

시행(Trial)

  • 반복할 수 있으며, 매번 결과가 달라질 수 있는 실험 
  • 결과가 우연에 의해 결정되는 행위 또는 관찰을 의미
  • 시행은 동일한 조건하에서 반복 가능해야 한다. 

사건(Event)

  • 시행에 따른 결과들의 집합을 의미 
  • 표본 공간(Sample Space)의 부분집합으로 표현 

 

확률 변수(Random Variable)

  • 시행의 결과, 사건에 따라 값이 확률적으로 결정되는 변수를 의미
  • 표본 공간(Sample Space) : 발생 가능한 모든 사건들의 집합(전체 집합)
  • 확률 변수는 표본 공간 안에서 특정 확률로 발생하는 사건을 특정한 수치에 대응시키는 함수
  • 이때 확률 변수가 취할 수 있는 모든 값 xx의 집합을 상태 공간(state space)라고 한다.
  • 예시 : 주사위 두 개 던지기 
    • 주사위 두 개를 던지는 시행에서, 확률 변수 XX = "두 주사위 눈의 합"은 이산 확률 변수
    • XX = {2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12} 중 하나의 값을 가진다.
    • 예를 들어 첫 번째 주사위가 3, 두 번째 주사위가 5가 나오면 확률 변수 XX는 값 xx = 8을 가진다.
    • 이처럼 확률 변수 XX는 대문자로 표기하고, 확률 변수가 취할 수 있는 값은 소문자 xx로 표현 

확률 함수(Probability Random)

  • 확률 함수란, 확률 변수에 따라서 확률 값을 부여하는 함수를 말함
  • 확률 함수는 일반적으로 PP라고 표현 
  • 위 "주사위 두 개 던지기" 예시에서 눈금의 합이 8이 나올 확률은 5/36
    • 눈금의 합이 8이 되는 경우로는 (2,6), (3,5), (4,4), (5,3), (6,2) 5가지 경우가 존재
    • 이를 다음과 같이 표현
    • P(X=3)=236P(X=3)=236

확률 분포(Probability Distribution)

  • 확률 변수가 취할 수 있는 모든 값과 그 값들의 확률을 대응시킨 관계를 의미 
  • 확률 분포는 확률 변수의 행동을 완전히 기술
  • 이는 데이터의 패턴을 이해하고, 통계적 추론을 가능하게 한다. 

[그림 1] 확률 분포 출처 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%99%95%EB%A5%A0_%EB%B6%84%ED%8F%AC

 

확률 분포 함수(Probability Distribution Function)

  • 확률변수 XX가 가지는 값 xx에 확률 P(X=x)P(X=x)을 대응시키는 함수를 의미
  • 확률 분포 그 자체를 함수로 보고, 확률 분포 함수 PP와 같은 의미로 쓰기도 한다.
  • 대표적인 확률 분포 함수로는 확률질량함수, 확률밀도함수가 있다.

이산확률분포(Disicrete Probability Distribution)

  • 유한하거나 셀 수 있는 모든 값들을 가진 경우,  이를 이산확률변수라고한다.
  • 이때 이산확률분포는 이산확률변수의 확률 분포를 의미

연속확률분포(Continuous Probability Distribution)

  • 실수 구간 내의 모든 값을 가진 경우, 이를 연속확률변수라고한다.
  •  예 : 키, 달리기, 성적 
    • 사람의 키는 실수 값을 가지기 때문에, 값의 개수를 셀 수 없다.
    • 키가 173.29124...일 확률이 얼마일까?
    • 이러한 경우 키가 170cm 이상, 175cm 미만일 확률을 구하는 방식을 사용할 수 있다.
  • 연속확률분포는 연속확률변수의 확률밀도를 기술한다.

 

AI에서의 활용

  • 확률 변수와 확률 분포는 머신러닝과 AI의 이론적 기반을 형성하며, 예측, 추론, 모델링에 필수적

 

활용

  • 분류 문제 : 이메일이 스팸일 확률을 계산하여 필터링
  • 컴퓨터 비전 : 이미지에서 객체 인식 시 각 클래스에 속할 확률 계산
  • 자연어 처리 : 다음 단어나 문장 생성 시 확률 분포에 기반한 예측 
  • 강화 학습 : 에이전트의 행동 선택 시 확률적 정책 사용 
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  7. 확률 분포 함수(Probability Distribution Function)
  8. 이산확률분포(Disicrete Probability Distribution)
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