교재: Blitzstein·Hwang Introduction to Probability (Harvard Stat 110)
먼저 알아야 할 것
- 함수 (대학수학) → 확률변수와 분포
- 로그 (대학수학) → 엔트로피
- 집합 (이산수학) → 표본공간과 사건
- 순열과 조합 (이산수학) → 확률의 공리와 계산
- 이항정리 (이산수학) → 베르누이 시행과 이항분포
- 비둘기집 원리 (이산수학) → 해싱과 무작위 알고리즘의 확률
- 그래프의 기초 (이산수학) → 인접행렬 거듭제곱 ↔ 마르코프 전이
- 수열의 극한과 e (미분적분학) → 포아송 분포, 큰 수의 법칙
- 도함수의 활용과 최적화 (미분적분학) → 최대가능도 추정
- 이상적분 (미분적분학) → 연속 확률변수와 확률밀도
- 중적분과 변수변환 (미분적분학) → 정규분포
- 내적과 노름 (선형대수학) → 공분산과 상관계수
- 행렬 곱셈과 전치 (선형대수학) → 인접행렬 거듭제곱 ↔ 마르코프 전이
- 최소제곱법 (선형대수학) → 선형회귀
- 고윳값과 고유벡터 (선형대수학) → 마르코프 연쇄
- 대각화와 행렬 거듭제곱 (선형대수학) → PageRank
- 양의 정부호 행렬과 이차형식 (선형대수학) → 공분산 행렬과 다변량 정규분포
- 특잇값 분해 (선형대수학) → 주성분 분석
1단원 · 확률의 기초
읽기 전에
- 23명이 모이면 생일이 같은 두 사람이 있을 확률은 절반보다 클까, 작을까? → 확률의 공리와 계산
- 몬티 홀 문제에서 문을 바꾸면 이길 확률은 1/2일까? → 조건부 확률
- 99% 정확한 검사에서 양성이 나오면 병이 있을 확률은 99%일까? → 베이즈 정리
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 01 | 표본공간과 사건 | 일어날 수 있는 모든 결과의 집합과 그 부분집합 | 검증 | — |
| 02 | 확률의 공리와 계산 | 0~1, 전체 1, 겹치지 않으면 더한다. 균등이면 세기 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 03 | 조건부 확률 | 정보가 주어지면 표본공간이 줄어든다. 곱셈 법칙, 전확률 (무거움) | 검증 | — |
| 04 | 독립 | 한 사건이 다른 사건의 확률을 바꾸지 않는다 | 검증 | — |
| 05 | 독립과 배반 비교 | 가르는 질문: 같이 일어날 수 없는가, 서로 정보를 주지 않는가 | 검증 | — |
| 06 | 베이즈 정리 | 결과에서 원인의 확률을 거꾸로 구한다. 기저율을 잊으면 크게 틀린다 (무거움) | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | 베이즈 정리 예제 사다리 |
떠올려 보기: 노트를 닫고 확률의 세 공리, 조건부 확률의 정의와 곱셈 법칙·전확률 공식, 독립의 정의, 베이즈 정리를 차례로 쓰고, 각 식이 앞의 어느 식에서 나오는지 화살표로 잇는다.
2단원 · 이산 확률변수
읽기 전에
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 07 | 확률변수와 분포 | 결과에 수를 붙이는 함수. PMF, CDF, 지시 확률변수 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 08 | 기댓값과 선형성 | 독립이 아니어도 합의 기댓값 = 기댓값의 합 (무거움) | 검증 | 기댓값 선형성 예제 사다리 |
| 09 | 분산과 표준편차 | 평균에서 얼마나 흩어지나. 독립합의 분산은 더해진다 | 검증 | — |
| 10 | 베르누이 시행과 이항분포 | n번 독립 시행 중 성공 횟수 | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 11 | 기하분포 | 첫 성공까지의 시도 횟수. 무기억성 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 12 | 포아송 분포 | 드문 사건이 일정 시간에 몇 번 일어나나. 이항의 극한 | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 13 | 이항·기하·포아송 비교 | 가르는 질문: 무엇을 세는가 | 검증 | — |
떠올려 보기: 기댓값의 정의와 선형성, 분산의 계산 공식과 독립합의 분산, 이항·기하·포아송의 PMF·평균·분산을 표로 써 보고, 이항에서 포아송이 나오는 극한을 한 줄로 설명한다.
3단원 · 연속 확률변수
읽기 전에
- 확률밀도가 2라면 그 값이 나올 확률이 2라는 뜻일까? → 연속 확률변수와 확률밀도
- 요청이 1초에 평균 3개 올 때, 다음 요청까지 1초 넘게 기다릴 확률은 얼마일까? → 균등분포와 지수분포
- 평균에서 표준편차 3개 넘게 벗어나는 일은 어떤 자료에서든 드물까? → 정규분포
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 14 | 연속 확률변수와 확률밀도 | 한 점의 확률은 0이고 넓이가 확률 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 15 | 균등분포와 지수분포 | 어디든 같은 확률 / 기다림의 무기억 분포 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 16 | 정규분포 | 종 모양. 평균과 표준편차로 정해지고 68-95-99.7 (무거움) | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: PDF와 CDF의 관계, 균등·지수·정규분포의 밀도·평균·분산을 표로 쓰고, 무기억성과 표준화가 각각 어떤 계산을 쉽게 하는지 한 줄씩 붙인다.
4단원 · 여러 확률변수
읽기 전에
- 두 변수 각각의 분포를 알면 둘이 함께 어떻게 나오는지도 알 수 있을까? → 결합분포와 조건부 기댓값
- 공분산이 0이면 두 변수는 서로 아무 관계가 없을까? → 공분산과 상관계수
- 상관된 2차원 정규 난수는 독립 난수로 어떻게 만들까? → 공분산 행렬과 다변량 정규분포
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 17 | 결합분포와 조건부 기댓값 | 두 확률변수를 함께 본다. 주변화와 조건부 (무거움) | 검증 | — |
| 18 | 공분산과 상관계수 | 함께 움직이는 정도. 상관은 인과가 아니다 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 19 | 공분산 행렬과 다변량 정규분포 | 여러 변수의 퍼짐을 행렬 하나로. 등고선은 타원 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 주변분포·조건부 분포·아담의 법칙·이브의 법칙, 공분산과 상관계수의 정의와 합의 분산, 공분산 행렬의 성질과 AΣAᵀ를 쓰고, 상관계수가 코사인인 이유를 한 문단으로 설명한다.
5단원 · 극한 정리
읽기 전에
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 20 | 확률 부등식 | 평균·분산만으로 꼬리 확률의 상한: 마르코프, 체비쇼프, 체르노프 (무거움) | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 21 | 큰 수의 법칙 | 표본평균은 기댓값으로 모인다 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 22 | 중심극한정리 | 독립인 것들의 합은 정규분포에 가까워진다 (무거움) | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 마르코프·체비쇼프·체르노프를 가정과 함께 쓰고, 체비쇼프로 큰 수의 법칙을 증명하고, 중심극한정리를 표준화 식으로 쓴 뒤 세 결과가 ‘평균의 오차’에 대해 각각 무엇을 말하는지 비교한다.
6단원 · 확률 과정과 컴퓨팅
읽기 전에
- 오늘 비가 왔다면 한 달 뒤 날씨 확률은 오늘 날씨에 얼마나 달려 있을까? → 마르코프 연쇄
- 아무도 가리키지 않는 웹 페이지의 PageRank는 0일까? → PageRank
- 무작위 퀵정렬은 이미 정렬된 입력에서도 빠를까? → 해싱과 무작위 알고리즘의 확률
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 23 | 마르코프 연쇄 | 다음 상태가 현재에만 달린 과정. 전이행렬과 정상분포 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 24 | 인접행렬 거듭제곱 ↔ 마르코프 전이 | (Ak)_ij는 보행 수, (Pk)_ij는 k단계 확률 | 검증 | — |
| 25 | PageRank | 무작위 서퍼의 정상분포 = 고유벡터. 거듭제곱법 | 그림1 · 구현 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 26 | 해싱과 무작위 알고리즘의 확률 | 생일 문제, 해시 충돌, 무작위 퀵정렬의 기대 비교 횟수 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 27 | 몬테카를로 방법 | 무작위 표본으로 적분·확률을 어림. 오차는 1/√n | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 전이행렬과 정상분포의 식, 수렴을 보장하는 조건과 깨지는 두 경우, PageRank의 갱신 식과 순간이동이 필요한 이유, 퀵정렬 쌍의 비교 확률, 몬테카를로 오차 1/√n을 쓰고, 행렬 거듭제곱이 보행 수와 전이 확률을 동시에 세는 이유를 한 문단으로 설명한다.
7단원 · 통계적 추론
읽기 전에
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 28 | 기술통계 | 평균·중앙값·분위수·분산, 히스토그램 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 29 | 표본분포와 추정량 | 표본에서 계산한 값도 확률변수다. 불편성, n − 1, MSE | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 30 | 최대가능도 추정 | 관측을 가장 그럴듯하게 만드는 모수. 로그를 취해 미분 (무거움) | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | 최대가능도 예제 사다리 |
| 31 | 신뢰구간 | 추정의 불확실성을 폭으로 나타낸다. ‘95%’의 뜻에 주의 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 32 | 가설검정과 p값 | 우연만으로 이만한 차이가 나올 확률. 가설이 참일 확률이 아니다 (무거움) | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | 가설검정 예제 사다리 |
| 33 | 베이즈 추론과 MAP | 사전 믿음 × 가능도 → 사후 믿음. MAP = 정규화된 MLE | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 추정량의 편향·분산·MSE, 최대가능도의 네 단계 절차, 95% 신뢰구간의 올바른 해석, p값의 정의와 두 가지 오류, 사후분포 ∝ 가능도 × 사전분포를 쓰고, MLE와 MAP와 신뢰구간·신용구간의 차이를 표로 정리한다.
8단원 · 데이터 모델
읽기 전에
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 34 | 선형회귀 | 가우스 잡음의 최대가능도 = 최소제곱 | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 35 | 과적합과 교차검증 | 훈련 데이터를 외우면 새 데이터에서 틀린다. 나눠서 검증 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 36 | 주성분 분석 | 데이터가 가장 퍼진 방향으로 좌표를 다시 잡아 차원을 줄인다 (무거움) | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | 주성분 분석 예제 사다리 |
떠올려 보기: 선형회귀 모델과 MLE = 최소제곱의 이유, 훈련·검증·시험 집합의 역할과 k겹 교차검증 절차, PCA의 네 단계와 첫 주성분이 최대 분산 방향인 이유를 쓴다.
9단원 · 정보이론
읽기 전에
- 공정한 동전과 90% 앞면 동전 중 결과를 저장하는 데 비트가 더 많이 드는 쪽은? → 엔트로피
- 분류 모델이 교차 엔트로피를 줄이는 것은 무엇을 최대화하는 것과 같을까? → 교차 엔트로피와 KL 발산
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 37 | 엔트로피 | 평균 놀라움 = 평균적으로 필요한 비트 수 (무거움) | 그림1 · 구현 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 38 | 교차 엔트로피와 KL 발산 | 잘못된 분포로 부호화할 때 드는 추가 비트 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 엔트로피의 정의와 범위, 원천 부호화 정리, 교차 엔트로피 = 엔트로피 + KL, 기브스 부등식을 쓰고, 교차 엔트로피 손실이 최대가능도와 같은 이유를 한 문단으로 설명한다.
다른 과목과의 연결
- 인접행렬 거듭제곱 ↔ 마르코프 전이 (확률과 통계): (A^k)_ij는 보행 수, (P^k)_ij는 k단계 확률
- 베르누이 시행과 이항분포 ↔ 통계적 다중화 (4-1학기 컴퓨터 통신): 동시 사용자 수 X ~ Binomial(n, p)
- 정규분포 ↔ 통계적 일탈 기준 ↔ 정규분포 (4-1학기 이상 심리학): 이상행동의 통계적 절단점은 꼬리 확률, 평균 − 2σ면 약 2.3%
- 독립 ↔ 도박사의 오류 ↔ 독립 (4-1학기 이상 심리학): 도박사의 오류는 독립 시행에 기억이 있다고 믿는 착각
흐름
점선 테두리는 아직 작성하지 않은 개념이다.
graph TD
n01["01 표본공간과 사건"]
n02["02 확률의 공리와 계산"]
n03["03 조건부 확률"]
n04["04 독립"]
n05["05 독립과 배반 비교"]
n06["06 베이즈 정리"]
n07["07 확률변수와 분포"]
n08["08 기댓값과 선형성"]
n09["09 분산과 표준편차"]
n10["10 베르누이 시행과 이항분포"]
n11["11 기하분포"]
n12["12 포아송 분포"]
n13["13 이항·기하·포아송 비교"]
n14["14 연속 확률변수와 확률밀도"]
n15["15 균등분포와 지수분포"]
n16["16 정규분포"]
n17["17 결합분포와 조건부 기댓값"]
n18["18 공분산과 상관계수"]
n19["19 공분산 행렬과 다변량 정규분포"]
n20["20 확률 부등식"]
n21["21 큰 수의 법칙"]
n22["22 중심극한정리"]
n23["23 마르코프 연쇄"]
n24["24 인접행렬 거듭제곱 ↔ 마르코프 전이"]
n25["25 PageRank"]
n26["26 해싱과 무작위 알고리즘의 확률"]
n27["27 몬테카를로 방법"]
n28["28 기술통계"]
n29["29 표본분포와 추정량"]
n30["30 최대가능도 추정"]
n31["31 신뢰구간"]
n32["32 가설검정과 p값"]
n33["33 베이즈 추론과 MAP"]
n34["34 선형회귀"]
n35["35 과적합과 교차검증"]
n36["36 주성분 분석"]
n37["37 엔트로피"]
n38["38 교차 엔트로피와 KL 발산"]
n01 --> n02
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n29 --> n31
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n06 --> n33
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n16 --> n34
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n18 --> n36
n08 --> n37
n37 --> n38
n30 --> n38
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