1.2 Probability Theory

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1.2 Probability Theory

패턴인식에서 중요한 개념 중 하나는 불확실성(uncertainty) 이다. 확률 이론(Probability Theory) 은 불확실성을 정확하고 양적인 방식으로 측정할 수 있는 일관된 프레임워크를 제공해준다. 또한 결정 이론(Decision Theory) 와 결합하면 현재 가진 정보내에서 최적의 예측을 내릴수 있도록 도와준다.

이 책에서는 다음 예제로 확률을 소개하려고 한다. 확률변수(Random Variable) $B$ 로 그림 1.2.1의 박스를 표현한다. 이 확률변수 $B$ 는 빨간색( $r$ )과 파랑색( $b$ ) 두 가지 경우가 있다. 박스 안에 있는 과일의 종류 또한 확률변수 $F$ 로 표현하며, 사과( $a$ )와 오렌지( $o$ ) 두 가지 경우가 있다.

시작하기 전에 사건의 발생 횟수를 총 시행횟수로 나눈 값을 어떤 사건(event)의 확률로 정의한다. 따라서 다음 사건들의 확률을 정의 할 수 있다(빨강색 박스를 선택할 확률은 40%, 파랑색은 60%다).

$\begin{aligned}p(B=b)&=\dfrac{4}{10} \\ p(B=r)&=\dfrac{6}{10}\end{aligned}$

위 정의에 따르면, 확률은 항상 0과 1사이의 값을 가진다. 또한, 상호 배타적(mutually exclusive)이거나 모든 결과(outcomes)를 포함하는 경우, 모든 확률의 합은 1이 되어야 한다.

여기서 잠깐 확률에서 합의 법칙(sum rule)과 곱의 법칙(product rule) 알아보고 온다.

그림 1.2.2에서 $X$ , $Y$ 두 개의 확률변수가 있다. $X$ 는 $x_i$ 값을 취할 수 있고( $i$ 는 $(1, \cdots, M)$ 까지), $Y$ 는 $y_j$ 값을 취할 수 있다( $j$ 는 $(1, \cdots, N)$ 까지). 또한, $X$ 와 $Y$ 에서 표본을 추출하는데 총 시도횟수를 $N$ 이라고 한다. 그리고 $X$ 가 $x_i$ 값을 취하고 $Y$ 가 $y_j$ 값을 취했을 때의 시도 갯수를 $n_{ij}$ 라고 한다. 이때 확률은 $p(X=x_i, Y=y_j)$ 라고 하며, $X=x_i, Y=y_j$ 의 결합 확률(joint probability) 이라고 한다.

실제로 임의로 횟수를 지정해서 계산을 해보자.

np.random.seed(777)
A = np.random.randint(1, 10, size=(3, 5))
fig, ax = plt.subplots(1, 1)
ax.matshow(table, cmap="coolwarm")

for (i, j), z in np.ndenumerate(A):
    ax.text(j, i, f"{z}", ha="center", va="center")
ax.set_xticklabels(np.arange(0, 6))
ax.set_yticklabels(np.arange(0, 4))
ax.set_xlabel("$X$", fontsize=20)
ax.set_ylabel("$Y$", fontsize=20).set_rotation(0)

plt.show()

def joint_probability(i, j, A):
    """
    i: index of x element 
    j: index of y element
    """
    return A[j, i] / A.sum()

# x_1, y_2 --> 5/83
p_x1y2 = joint_probability(0, 1, A)
print(round(p_x1y2, 4))
# 0.0602

확률변수 $Y$ 에 관계없이 $X=x_i$ 의 시도 횟수를 $c_i$ , $X$ 에 관계없이 $Y=y_j$ 의 시도 횟수를 $r_j$ 라고 하면, 다음과 같이 표현할 수 있다.

\begin{aligned} c_i &= \sum_j n_{ij} \\ r_i &= \sum_i n_{ij} \end{aligned}

이를 통해 확률의 합의 법칙(sum rule)을 도출해낼 수 있다. $p(X=x_i)$ 를 주변 확률(marginal probability)이라고도 한다.

def marginal_probability(k, A, axis=0):
    """
    k: either index of x element or index of y element
    """
    A_sum = A.sum(axis=axis)
    return A_sum[k] / A_sum.sum()

# x_1 --> (8 + 5 + 1) / 83
p_x1 = marginal_probability(0, A, axis=0)
print(round(p_x1, 4))
# 0.1687

$X=x_i$ 인 사례들을 고려하여 이중에서 $Y=y_j$ 인 확률, 즉 조건부 확률(conditional probability) $p(Y=y_j \vert X=x_i)$ 를 구할 수 있다. 그림 1.2.2에서 분해하면 $X=x_i$ 의 주변 확률(marginal probability)중에서 $Y=y_j$ 가 차지하는 비율로 구할 수 있다.

def conditional_probability(i, j, A, axis=0):
    """
    i: index of x element, set axis=0 if it is a condition
    j: index of y element, set axis=1 if it is a condition
    """
    A_sum = A.sum(axis=axis)
    sel_dim = i if axis == 0 else j 
    return A[j, i] / A_sum[sel_dim]

# y_2 | x_1 --> 5 / (8 + 5 + 1)
p_y2_x1 = conditional_probability(0, 1, A, axis=0)
print(round(p_y2_x1, 4))

수식 1.5, 1.7, 1.8을 결합하면, 확률의 곱의 법칙(product rule)을 도출해낼 수 있다.

\tag{1.9} \begin{aligned} p(X=x_i, Y=y_j) &= p(Y=y_j \vert X=x_i)p(X=x_i) \\ &= \dfrac{n_{ij}}{N} = \dfrac{n_{ij}}{c_i} \dfrac{c_i}{N} \end{aligned}

위와 같이 표현은 너무 복잡하니 조금더 간단하게 확률변수의 분포를 표현할 때는 $p(X)$ , 확률변수가 취할 수 있는 값의 분포을 표현할 때는 $p(x)$ 로 약속한다.

\begin{aligned} \text{sum rule} && p(X) &= \sum_Y p(X, Y) \\ \text{product rule} && p(X, Y) &= p(Y \vert X)p(X) \end{aligned}

곱의 대칭성 $p(X, Y) = p(Y, X)$ 으로부터 조건부 확률의 관계식으로 베이즈 정리(Bayes' theorem)을 도출해낼 수 있다.

\tag{1.12} p(Y \vert X) = \dfrac{p(X\vert)p(Y)}{p(X)}

지금까지 배운 것으로 그림 1.2.1의 예시에서 어떤 과일을 선택했는데 그 과일이 오렌지라면, 이 오렌지가 어떤 상자에서 나왔을지를 예측 해볼 수 있다.

각 상자(확률변수 $B$ )를 선택했을 때 각각의 과일(확률변수 $F$ )이 나올 확률은 다음과 같다.
$\begin{aligned} p(F=a \vert B=r) &= 1/4 \\ p(F=o \vert B=r) &= 3/4 \\ p(F=a \vert B=b) &= 3/4 \\ p(F=o \vert B=b) &= 1/4 \\ \end{aligned}$
확률의 합의 법칙과 곱의 법칙을 적용하여 오렌지를 고르는 전체 확률을 계산할 수 있다.
$\begin{aligned} p(F=o) &= p(F=o \vert B=r)p(B=r) + p(F=o \vert B=b)p(B=b) \\ &= \dfrac{3}{4}\times \dfrac{4}{10} + \dfrac{1}{4}\times\dfrac{6}{10} = \dfrac{9}{20} \end{aligned}$
베이즈 정리를 활용해 구하고 싶은 문제의 확률을 구한다.
$\begin{aligned} p(B=r \vert F=o) &= \dfrac{p(F=o \vert B=r)p(B=r)}{p(F=o)} = \dfrac{3}{4} \times \dfrac{4}{10} \times \dfrac{20}{9} = \frac{2}{3} \\ p(B=b \vert F=o) &= 1 - \frac{2}{3} = \frac{1}{3} \end{aligned}$

이는 다음과 같이 해석할 수 있다. 어떤 박스를 선택했다는 사건을 가르키는 확률변수 $B$ 의 확률( $p(B)$ )은 사전 확률(prior probability)이라고 한다. 그 이유는 관심있는 사항인 어떤 과일이 선택 되었는지를 관찰하기 '전'의 확률이기 때문이다. 선택한 과일이 오렌지라는 것을 알게 된다면 베이즈 정리를 활용하여 $p(B\vert F)$ 를 구할 수 있다. 이를 사후 확률(posterior probability)라고 하며, 그 이유는 사건 $F$ 를 관측한 '후'의 확률이기 때문이다.

마지막으로 "두 확률변수가 독립적(independent)이다"라고 하는 것은 두 확률변의 확률의 곱이 결합확률과 같은 경우를 말한다. $p(X, Y) = p(X)p(Y)$

1.2.1 Probability densities(확률 밀도)

지금까지 이산(descrete) 사건들의 확률을 다뤘는데, 연속적인(continious) 변수의 확률을 알아본다. 실수 확률변수 $x$ 가 $(x, x+\delta x)$ 구간의 값을 가지고 확률이 $p(x) \delta x$ 라면, $p(x)$ 는 $x$ 의 확률 밀도(probability density)라고 한다. 이때 $x$ 가 $(a, b)$ 구간 사이의 값을 가질 확률은 다음과 같다.

추가로 확률의 정의에 의하여 다음 조건을 만족해야한다.

$p(x) \geq 0$
$\int_{-\infty}^{\infty} p(x) dx = 1$

확률 밀도의 최댓값은 어떤 확률변수를 선택하는지에 따라서 달라진다. 예를 들어 $x=g(y)$ 의 변환을 하게 되면, 함수 $f(x)$ 는 $\hat{f}(y) = f(g(y))$ 로 바뀐다. $x$ 에 대한 확률 밀도 함수 $p_x(x)$ 와 $y$ 에 대한 확률 밀도 함수 $p_y(y)$ 는 서로 다른 확률 밀도를 가진다. $(x, x + \delta x)$ 범위에 속하는 관찰값은 $(y, y + \delta y)$ 로 변환된다. 이는 비선형 변수 변환시 야코비안 인자(Jacobian Factor)가 따라 붙기 때문이다.

확률변수 $x$ 가 $(-\infty, z)$ 범위에 속할 확률은 누적 분포 함수(cumulative distribution function) 라고 한다.

\tag{1.28} P(z) = \int_{-\infty}^{z} p(x) dx

여기서 $P'(x) = p(x)$ 다.

그림 1.2.4 에서 확률 밀도 함수(빨강)와 누적 분포 함수(파랑)의 모양을 확인 할 수 있다. 주의 할 점은 확률 밀도는 일정 범위 $\delta x$ 내에 정의되는 함수다.

벡터 $\mathbf{x} = (x_1, x_2, \cdots, x_D)$ 로 주어진 다변수인 경우, 똑같이 확률 밀도 $p(\mathbf{x}) = p(x_1, x_2, \cdots, x_D)$ 를 정의할 수 있다. 단변수와 같이 다음 조건을 만족해야한다.

$p(\mathbf{x}) \geq 0$
$\int_{-\infty}^{\infty} p(\mathbf{x}) d\mathbf{x} = 1$

만약 확률변수 $x$ 가 이산확률변수인 경우 $p(x)$ 를 확률 질량 함수(probability mass function)이라고도 한다.

또한, 확률 밀도 함수에 합의 법칙, 곱의 법칙, 베이즈 정리를 활용할 수 있다.

$\begin{aligned} p(x) &= \int p(x,y) dy \\ p(x, y) &= p(y \vert x) p(x)\end{aligned}$

1.2.2 Expectations and covariances

어떤 확률 분포 $p(x)$ 하에 확률 함수 $f(x)$ 의 평균을 기댓값(expectation)이라고 하며, $\Bbb{E}(f)$ 라고 표기한다.

확률 질량 함수인 경우: $\Bbb{E}[f] = \sum_x p(x)f(x)$
확률 밀도 함수인 경우: $\Bbb{E}[f] = \int_x p(x)f(x)dx$

만약 확률 분포에서 유한한 $N$ 개의 샘플을 추출한거라면, 각 포인트들의 유한한 합산으로 기댓값을 근사(approximate)할 수 있다(차후 11장에서 표본 추출 방법론에서 활용한다).

다변수 함수의 기뱃값을 구할 경우에는 어떤 변수에 대해 평균을 내는지를 지정하여 계산할 수 있다. 예시로 $\Bbb{E}_x[f(x, y)]$ 는 함수 $f(x, y)$ 의 평균값을 $x$ 의 분포에 대해 구하라는 의미이며, 최종적으로 $y$ 에 대한 함수가 된다.

또한 조건부 확률처럼 조건부 기댓값(conditional expectation)도 구할 수 있다.

분산(variance)은 다음과 같이 정의된다.

공분산(covariance)은 다음과 같이 정의된다.

다변수의 경우 다음과 같다.

1.2.3 Bayesian probabilities

확률에는 두 가지 관점이 있다.

빈도적(frequentist) 혹은 고전적(classical) 관점: 확률을 임의의 반복 가능한 사건의 빈도수
베이지안(Bayesian) 관점: 불확실성을 정량화하고 증거를 통해 불확실성을 줄여 나가는 것, 불확실성을 나타내는 도구로 확률을 사용.

1.1절의 예제에서 매개변수 $\mathbf{w}$ 를 베이지안 관점을 사용하면, 확률론의 다양한 장치를 활용하여 모델 매개변수의 불확실성을 설명할 수 있다. 첫 데이터를 관찰하기 전의 $\mathbf{w}$ 에 대한 가정을 사전 확률분포 $p(\mathbf{w})$ 로 표현할 수 있다. 그리고 관측된 데이터 $\mathcal{D} = \{t_1, \cdots, t_N\}$ 은 조건부 확률 $p(\mathcal{D}\vert \mathbf{w})$ 로써 작용한다. 데이터 관찰 후 매개변수의 확률 $p(\mathbf{w}\vert \mathcal{D})$ 을 베이지안 정리롤 풀어내면 다음과 같다.

수식 1.43 우측의 $p(\mathcal{D}\vert \mathbf{w})$ 는 가능도 함수(likelihood function)라고 하며 이는 매개변수 벡터 $\mathbf{w}$ 의 함수로 볼 수 있다. 가능도 함수의 의미는 주어진 $\mathbf{w}$ 에 대해 관측된 데이터 집합이 얼마나 '이렇게 나타날 가능성이 있는가'를 표현한다. 가능도 함수는 $\mathbf{w}$ 에 대한 확률분포가 아니기 때문에 이를 적분해도 1이 될 필요가 없다.

빈도적 관점과 베이지안 관점의 차이는 가능도 함수에서 나타난다.

빈도적 관점:

$\mathbf{w}$ 가 고정된 매개변수이고, 어떤 형태의 '추정자(estimator)' 데이터 $\mathcal{D}$ 의 분포를 고려하면서 오류를 줄이는 방향으로 매개변수값이 결정된다.
보통 estimator로 최대 가능도(maximum likelihood)를 사용하며, $\mathbf{w}$ 가 가능도 함수 $p(\mathcal{D}\vert \mathbf{w})$ 를 최대화하는 값으로 선택된다. 보통 음의 로그 가능도(negative log likelihood)를 오차함수(error function)로 설정하여 추정한다(단조 감소하기 때문에 가능도의 최댓값을 찾는 것은 곧 오차함수의 최솟값을 찾는 것과 동일).
오차를 측정하는 방법중 하나는 부트스트랩(bootstrap)인데, 데이터 집합에서 여러번 중복 가능하게 임의로 추출하여 여러개의 데이터 집합으로 만든 후, 여러번 매개변수를 추정하여 추정값의 통계적 정확도를 판단하는 방법이다.

베이지안 관점:

많은 경우 중 하나의 데이터 집합 $\mathcal{D}$ 이 관측된 것일 뿐이며, 매개변수 $\mathbf{w}$ 의 불확실성은 $\mathbf{w}$ 의 분포로 표현한다.
장점중 하나는 사전 지식을 추론 과정에 자연스럽게 포함시킬 수 있다는 것이다. 이는 과도한 결론이 나오지 않게 방지한다. 예: 동전을 세번 던졌는데 모두 앞면인 경우 빈도적 관점에서 확률은 1이다.
몇 가지 비판중 하나는 사전 확률의 선택에 따라 결론이 나기 때문에 추론 과정에 주관이 포함될 수밖에 없다. 이를 보정하기 위해 무정보적(noninformative) 사전 분포를 사용하는 경우도 있다.
베이지안 절차를 완전히 활용하기 위해서는 전체 매개변수 공간에 대한 marginalize(주변화: 합 또는 적분)이 필요하다. 몬테 카를로 방법론과 컴퓨터 연산 속도, 메모리의 발전으로 사용할 수 있게 되었다.

1.2.4 The Gaussian distribution

2장에서 다양한 확률 분포를 살펴보기 전에 자주 보는 가우시안 분포(Gaussian distribution) 또는 정규 분포(normal distribution)를 먼저 살펴본다.

단일 실수 확률변수 $x$ 에 대해서 가우시안 분포는 다음과 같다.

$\mu$ 는 평균(mean), $\sigma^2$ 분산(variance), $\sigma$ 는 표준편차(standard deviation)라고 하고, 분산의 역인 $\beta = 1/\sigma^2$ 는 정밀도(precision)라고 한다.
가우시안 분포는 확률 분포의 특성을 만족한다.
$\begin{aligned} \mathcal{N}(x \vert \mu, \sigma^2) > 0 \\ \int_{-\infty}^{\infty} \mathcal{N}(x \vert \mu, \sigma^2) dx = 1 \end{aligned}$

가우시안 분포를 따르는 임의의 $x$ 에 대해 함수의 기댓값을 구하면 다음과 같다.

분산은 다음과 같다.

$\begin{aligned} var[x] &= \Bbb{E}[x^2] - \Bbb{E}[x]^2 \\ &= \int_{-\infty}^{\infty} \mathcal{N}(x \vert \mu, \sigma^2)x^2 dx - \mu^2 \\ &= \mu^2 + \sigma^2 - \mu^2 \\ & = \sigma^2 \end{aligned}$

이제 연속 변수 D차원 벡터 $\mathbf{x} = (x_1, x_2, \cdots x_D)^T$ 로 확장한다. $\mathbf{x}$ 에 대한 가우시안 분포는 다음과 같다.

D차원 벡터 $\mathbf{\mu}$ 는 평균값, $D \times D$ 행렬 $\Sigma$ 는 공분산이라고 한다. $\vert \Sigma \vert$ 는 $\Sigma$ 의 행렬식이다.

다시 단일 실수 확률변수로 돌아오면, 관측 데이터 $X = (x_1, x_2, \cdots, x_N)^T$ 에서 각 변수 $x_n$ 는 평균값 $\mu$ , 분산 $\sigma^2$ 를 따르는 가우시안 분포에서 독립적으로 추출한다고 가정한다. 이를 독립적이고 동일하게 분포(independent and identically distributed - i.i.d) 되었다고 한다. 따라서 $X$ 는 i.i.d이기 때문에 $\mu, \sigma^2$ 가 주어졌을 때 조건부 확률은 다음과 같다.

수식 1.53은 $\mu, \sigma^2$ 에 대한 가능도 함수(likelihood function)에 해당한다. 관측된 데이터 집합( $X$ )을 바탕으로 매개변수 $\mu, \sigma^2$ 를 결정짓는 방법 중 하나는 가능도 함수를 최대화하는 매개변수를 찾는 것이다. 이는 양변에 단조함수인 $\log$ 를 취하여 최댓값을 찾는 것과 동일하다.

$\mu$ 에 대해 수식 1.54의 최댓값을 찾으면, 관찬값들의 평균인 표본 평균(sample mean)과 표본 분산(sample variance)은 다음과 같다.

$\begin{aligned} \mu_{MLE} &= \dfrac{1}{N}\sum_{n=1}^N x_n \\ \sigma_{MLE}^2 &= \dfrac{1}{N}\sum_{n=1}^N (x_n - \mu_{MLE})^2 \end{aligned}$

그러나 이렇게 구하는 것은 분포의 분산을 과소평가하게 된다. 위 수식들의 기댓값을 구하면 다음과 같다.

$\begin{aligned} \Bbb{E}[\mu_{MLE}] &= \mu \\ \Bbb{E}[\sigma_{MLE}^2] &= \dfrac{N-1}{N} \sigma^2 \end{aligned}$

즉, 실제 분산은 $\dfrac{N-1}{N}$ 만큼 작아져 있다는 것을 알 수 있으며, 이렇게 차이가 나는 것을 편향(bias) 이라는 현상이다. 따라서 실제 분포의 분산( $\tilde{\sigma}$ )을 추정하려면 다음과 같다.

수식 1.59에서 알 수있는 것은 데이터 개수( $N$ )가 클 수록 최대 가능도로 구한 해(solution)에서 편향치는 점점 줄어든다. 복잡한 모델일 수록 최대 가능도 방법과 연관된 편향 문제는 심각해진다. 또한, 이 편향 문제는 과적합 문제의 근본적인 원인에 해당한다.