수리통계학 - 베르누이 분포 (Bernoulli distribution) 기본 콘텐츠로 건너뛰기

수리통계학 - 베르누이 분포 (Bernoulli distribution)

Distribution 별 수리 통계학을 정리의 첫 번째는 Bernoulli distribution 이다.

(출처는 wikipedia)

베르누이 분포는 동전의 앞, 뒤처럼 오직 두 가지 범주만 가진 이산형 확률분포이다.

예를 들어, 시험을 봤을 때 60점 이상이면 합격, 미만이면 불합격이라 하자.

- 60점 이상 = 합격 ⇨ 이를 1이라 하고, 합격할 확률을 P(X=1) 로 표기할 수 있다.

- 60점 미만 = 불합격 ⇨ 이를 0이라 하고, 불합격할 확률을 P(X=0) 로 표기할 수 있다.


❗베르누이 분포의 확률질량함수 𝒇(𝒙)는 다음과 같다.

$$ f(x)=P(X=x)=p^{x}(1-p)^{1-x}, x=0,1 $$


❗베르누이 분포를 따르는 확률변수의 기댓값 E(X)=p, 분산 Var(X)=p(1-p) 이다.


❗베르누이 분포의 적률생성함수는 다음과 같다.

$$ M(t)=E(e^{tX})=(1-p)+pe^{t} $$


위 적률생성함수를 증명해보자.

베르누이분포는 이산형 확률분포이므로 베르누이분포를 따르는 확률변수 X의 적률생성함수는 다음과 같이 정의된다.

$$ M_{X}(t)=E(e^{tX})=\sum_{x=0}^{\infty}e^{tx}f(x)=\sum_{x=0}^{\infty}e^{tx}p^{x}(1-p)^{1-x} $$

𝒙는 오로지 0과 1이므로, 이를 위에 대입하면,

$$ M_{X}(t)=\sum_{x=0}^{\infty}e^{tx}p^{x}(1-p)^{1-x}=e^{0}p^{0}(1-p)^{1} + e^{t}p^{1}(1-p)^{0}=(1-p)+pe^{t} $$

따라서 베르누이분포의 적률생성함수는 다음과 같다.

$$ M_{X}(t)=(1-p)+pe^{t} $$


✏이번에는 베르누이분포의 가능도함수, 로그가능도함수를 살펴본 후 최대가능도추정량을 구해보도록 하겠다.

❗먼저 가능도함수를 구해보자.

$$ L(\theta)=\prod_{i=1}^{n}f(x_{i}|\theta)=\prod_{i=1}^{n}p^{x_{i}}(1-p)^{1-x_{i}}=p^{\sum_{i=1}^{n}x_{i}}(1-p)^{n-\sum_{i=1}^{n}x_{i}} $$

❗이 가능도함수에 로그를 취한 함수를 로그가능도함수라 하는데, 이를 구해보자.

가능도함수에 로그를 취하면 다음과 같고,

$$ logL(\theta)=log(p^{\sum_{i=1}^{n}x_{i}}(1-p)^{n-\sum_{i=1}^{n}x_{i}}) $$

이는 다음과 같이 풀이할 수 있다.

$$ logL(\theta)=\sum_{i=1}^{n}x_{i} logp + (n-\sum_{i=1}^{n}x_{i}) log(1-p) $$


가능도함수 L(θ|𝑥)는 확률표본에서 얻을 수 있는 모수의 모든 정보를 가지고 있다. 따라서 이를 바탕으로 모수에 대한 가능성이 가장 높은 통계량을 찾는 것을 고려할 수 있다.

모수 θ에 대해 가능도함수 L(θ|𝑥)를 최대로 하는 통계량을 최대가능도추정량이라 한다.


최대가능도추정량은 로그가능도함수에 대해 미분하여 0을 만족하는 hat(θ)이다.

위에서 로그가능도 함수를 모수인 p에 대해 미분하여 0으로 놓으면 다음과 같다.

$$ \frac{d}{dp}logL(p)=\frac{\sum_{i=1}^{n}x_{i}}{p} - \frac{n-\sum_{i=1}^{n}x_{i}}{1-p}=0 $$

이를 풀면

$$ \frac{(1-p)\sum_{i=1}^{n}x_{i}-p(n-\sum_{i=1}^{n}x_{i})}{p(1-p)}=\frac{\sum_{i=1}^{n}x_{i}-np}{p(1-p)}= 0 $$

가 되고, 이를 만족하기 위해서는

$$ \sum_{i=1}^{n}x_{i}=np $$ 

이므로, 따라서 최대가능도추정량은

$$ \widehat{p}= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}x_{i} $$


한 가지 더, 로그가능도함수를 두 번 미분하면 0보다 작은 값이 되므로 hat(p)에서 가능도함수의 최댓값을 얻을 수 있다.









댓글

이 블로그의 인기 게시물

민감도와 특이도 - 예측력 측도

민감도와 특이도   Predicted Total Pos Neg Actual Pos a b a+b Neg c d c+d 민감도 sensitivity 는 조건부확률로 실제 양성일 때, 양성으로 판정할 확률이다. $$ Sensitivity = P(Y=1|X=1) , Specificity = P(Y=0|X=0) $$ 이를 위 표에 적용해보면 민감도는 $$ \frac{a}{a+b} $$ 특이도 specificity 는 실제 음성일 때 음성으로 판정할 확률이다. 위 표로부터 구한 특이도는 다음과 같다. $$ \frac{c}{c+d} $$ 따라서 민감도와 특이도가 높을수록 예측력이 좋다고 할 수 있다.

통계 : Dummy Variable Trap

 Regression model을 만들다 보면, 독립변수로 명목형 변수를 사용할 때가 많다. 지역이나 성별, biomaker유/무 등이 대표적으로 많이 사용되는 명목형 변수로, 특히 medical 저널에서는 성별을 covariate으로 취급하여 성별에 따른 종속변수의 차이를 보고자 할 때가 많다. 명목형 변수들은 Dummy Variable로 바꾸어서 regression model을 만드는데, one hot 인코딩 방식으로 더미 변수들을 만든다. 예를 들면,  ❕ male=0, female=1 ❕ Biomarker유=1, Biomarker무=0 이런식으로 만든다. 이와 같은 binary 데이터들은 더미 변수로 만드는 것도 쉽고 큰 문제가 되지 않는다. one-hot encoding의 이유는, 0과 1 대신 빨간색, 녹색, 파란색을 1,2,3 으로 코딩해버리면, 적합한 모델은 숫자가 더 큰 3을 빨간색보다 더 중요한 인자로 생각하게 되기 때문이다. 학력처럼 순서형이면 각 숫자에 의미가 있지만 여러 컬러처럼 단순 명목형일 때에는 one-hot 인코딩을 해야한다.  (단, 컬러가 연함 - 진함과 같이 순서형이라면 굳이 one-hot 인코딩을 안해도 된다.) one-hot encoding 의 예시는 아래 세 가지 카테고리로 보면 더 명확하게 이해가 된다. (image출처: https://towardsdatascience.com/encoding-categorical-variables-one-hot-vs-dummy-encoding-6d5b9c46e2db) 그럼 binary 말고 여러 카테고리가 있는 변수의 경우는 어떤 식으로 더미 변수를 만들까? Regression 모델을 만들 때에는 k개의 카테고리가 있다면, k-1개의 더미변수를 생성하게 된다. 위 그림에서 Blue일 때, d1, d2, d3 모두 0으로 코딩해도 Red, Green과 차이가 있으므로, d1과 d2만 만들어도 무방하다는 의미이다. 즉, d1과 d2가 0일 때, Blue가...

GLM과 이탈도 - 모형검정 & 적합도검정

 GLM에서 이탈도 이탈도 Deviance란 무엇일까? GLM에서 이탈도 deviance는 선형회귀모형에서 잔차제곱합에 대응하는 값으로 표본과 적합된 모형 간 편차를 정량화 하는 값이다. GLM에서 이탈도로 할 수 있는 검정이 무엇이 있을까? 1. 모형의 유의성 검정 2. 모형의 적합도평가 GLM 모형을 적합하면 다음과 같은 결과가 나오는데, 이탈도 값은 2개가 나온다. ①Null deviance ②Residual deviance 이 두 개의 이탈도 값이다. ①Null deviance는 절편만 있는 모형에서의 이탈도 ②Residual deviance는 β  가 포함된 모형에서의 이탈도를 의미한다. 먼저 ① 모형의 유의성 검정 을 살펴보겠다. 유의성 검정에서의 귀무가설과 대립가설은 다음과 같다. 귀무가설:  β1  =  β2  = 0 (Null model) 대립가설: 적어도 하나는 0이 아니다. 이를 검정하기 위한 검정통계량 LR(=가능도비 검정통계량) 은 다음과 같다. LR = [Null deviance] - [Residual deviance] = 2(현재모형 하에서 로그가능도 함수의 최댓값 - 귀무가설 하에서 로그가능도 함수의 최댓값) 따라서 이를 위 적합 결과에 적용하면 $$ LR = 225.76 - 189.12 = 36.64 $$ $$ 1 - pchisq(36.64, df=2) = 1.1(10)^{-8} $$ 결론: 유의확률이 매우 작으므로 귀무가설을 기각하고 대립가설을 선택할 수 있다. 모형의 유의성 검정에 대해 살펴보았으니 이번에는 두 번째인 ② 모형의 적합도 검정 을 살펴보자. 적합도 검정에서의 귀무가설과 대립가설은 다음과 같다. 귀무가설: 현재의 단순한 모형 M (=모형M에 포함되지 않은 모수들은 모두 0이다.) 대립가설: 포화모형 saturated model 이를 검정하기 위한 검정통계량은 이탈도 통계량으로 다음과 같이 정의한다. 이탈도 통계량 = 2[포화모형 로그가능도함수의 최댓값 ...