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4회 · 셈하는 분포와 섞인 분포 · 노트

0 들어가며 ​

여는 질문. 1875년부터 1894년까지 20년 동안, 프로이센 군대의 군단마다 해마다 말에 차여 죽은 병사의 수가 기록되었다. 어떤 해, 어떤 군단에서는 한 명도 죽지 않았고, 어떤 곳에서는 네 명이 죽었다. 이 수는 어떤 법칙을 따르는가? 법칙이 있다면, 한 군단에서 한 해에 네 명 이상이 죽는 일은 얼마나 드물어야 하는가?

러시아 출신의 통계학자 Ladislaus von Bortkiewicz는 1898년 Das Gesetz der kleinen Zahlen(작은 수의 법칙)에서 이 기록을 분석했다. 말에 차여 죽는 일은 병사 한 명에게는 아주 드문 일이지만 한 군단에는 병사가 많다. 드물고 서로 무관한 사건을 많이 모아 세면, 그 수는 하나의 분포를 따른다. 그 분포를 1837년에 이름 붙인 사람이 Poisson이고, 그보다 120여 년 앞서 그 식을 처음 쓴 사람이 de Moivre였다(2절).

Poisson 분포는 혼자가 아니다. 그 사건이 일어나기를 기다리는 시간은 지수분포와 감마분포를 따르고(3절), 성공 확률 자체를 모를 때 그 확률에 대한 믿음은 베타분포가 된다(4절). 이 분포들은 서로의 극한, 합, 비로 이어진 하나의 가족이다(그림 0.1). 그리고 가족의 서로 다른 구성원이 섞이면, 셈한 수의 분산이 평균보다 커진다(5절). Bortkiewicz의 자료에서도, 18세기 영어 문헌의 단어 수에서도 그 흔적이 보인다(6절).

그림 0.1. 이 회차의 분포 가족. 화살표 위의 글은 한 분포에서 다른 분포를 얻는 방법(극한, 독립합, 비, 섞기)이고 괄호 안은 증명하는 정리다.
그림 0.1 이 회차의 분포 가족. 화살표 위의 글은 한 분포에서 다른 분포를 얻는 방법(극한, 독립합, 비, 섞기)이고 괄호 안은 증명하는 정리다.

학습 목표 ​

  1. 1.

    이항·음이항·초기하·다항 분포를 Bernoulli 시행에서 유도하고 평균·분산·mgf를 구한다.

  2. 2.

    이항분포의 Poisson 극한을 증명하고, Poisson 분포의 합과 나누기(thinning)를 mgf로 다룬다.

  3. 3.

    Poisson 과정의 대기시간이 지수·감마분포임을 보이고, 감마함수와 χ2\chi^2 분포를 세운다.

  4. 4.

    두 감마의 비에서 베타분포를 얻고, Bayes의 당구대와 Laplace의 계승규칙을 유도한다.

  5. 5.

    혼합분포의 평균과 분산을 전분산 공식으로 구하고, Poisson–감마 혼합이 음이항임을 증명한다.

  6. 6.

    원자료에서 분산/평균 비로 Poisson 모형을 시험하고, 과산포를 음이항으로 설명한다.

그림 0.2. 이번 회차 정리들의 의존 관계. 화살표는 “증명에 쓰인다”는 뜻이다.
그림 0.2 이번 회차 정리들의 의존 관계. 화살표는 “증명에 쓰인다”는 뜻이다.

0.1 1–3회에서 가져오는 것 ​

앞 회차내용
1회 정리 1.4 · 1.6조합의 수 (nk)\tbinom nk, 이항정리
2회 정리 2.4 · 예제 1.4이항분포 b(n,p)\mathrm b(n,p)의 평균 npnp·분산 npqnpq, 기하분포의 평균 1/p1/p
2회 정리 3.3 · 3.6 · 상자mgf에서 적률, 아핀 변환, mgf의 유일성
2회 정리 4.3 · 4.7단조변환의 밀도, 역변환 표집
3회 정리 2.5 · 2.6반복기댓값, 전분산 공식 Var⁡Y=EVar⁡(Y∣X)+Var⁡E(Y∣X)\Var Y=E\Var(Y\mid X)+\Var E(Y\mid X)
3회 정리 3.4 · 4.2독립합의 분산과 mgf의 곱, 공분산의 계산 규칙
3회 정리 5.1 · 5.3 · 5.5야코비안 변수변환, 가우스 적분 ∫e−x2/2=2π\int e^{-x^2/2}=\sqrt{2\pi}, 합성곱
3회 예제 3.5 · 5.7iid 최댓값의 분포, 지수분포의 합의 밀도

0.2 분포의 가족과 모수 ​

이 회차에서 다루는 것은 하나하나의 분포가 아니라 모수로 이름 붙인 분포의 가족이다. b(n,p)\mathrm b(n,p)는 nn과 pp를 정하면 하나의 분포가 되는, 분포들의 모임이다. 통계학의 일은 대개 “자료가 이 가족의 한 구성원에서 나왔다”고 보고 모수를 거꾸로 추정하는 것이다(8회 이후). 그러려면 먼저 각 가족이 어떤 상황에서 나오는지, 평균과 분산이 모수와 어떻게 이어지는지 알아야 한다. 이 노트의 각 절은 같은 순서로 쓴다. 어떤 실험에서 나오는가 → pmf 또는 pdf → 평균·분산·mgf → 다른 가족과의 관계.

이 회차에서 읽은 절 0개 · 회차 차례