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과학

디리클레 분포

디리클레 분포과학
영문명
Dirichlet distribution
모수
양의 집중도 벡터 α
대상
합이 1인 비율 벡터
이차원 관계
두 성분에서는 베타 분포와 연결
디리클레 분포는 합이 1인 여러 비율을 함께 표현하는 연속확률분포다. 각 성분에 양의 집중도 모수를 부여하며, 독립적인 확률변수들을 단순히 나열한 분포와는 다르다.

합이 1인 공간

K개 성분의 비율 x_i가 양수이고 합이 1인 영역을 생각하자. 디리클레 밀도는 정규화 상수에 각 x_i^(α_i−1)을 곱한 형태다. 한 성분이 커지면 나머지 성분들의 합은 작아져야 하므로 성분들은 서로 독립이 아니다. 성분이 K개여도 합 제약 때문에 자유롭게 정할 수 있는 좌표는 K−1개다.

모수의 비율과 평균

α_0를 모든 집중도의 합이라고 하면 각 성분의 평균은 α_i/α_0다. α=(2,3,5)이면 평균 비율은 (0.2,0.3,0.5)다. α=(20,30,50)도 평균은 같지만 전체 집중도는 다르다. 두 모수가 같은 평균을 준다고 해서 같은 분포가 되는 것은 아니다. 큰 전체 집중도는 이 평균 주변으로 더 모이는 형태와 연결된다.

분산 차이를 계산한다

성분 i의 분산은 α_i(α_0−α_i)/(α_0²(α_0+1))다. 평균 비율 p_i를 사용하면 p_i(1−p_i)/(α_0+1)로도 쓸 수 있다. 첫 성분 평균이 0.2인 앞의 예에서 전체 집중도 10이면 분산은 0.16/11이고, 100이면 0.16/101이다. 동일한 평균에서도 비율의 불확실성이 달라진다는 점을 보여 준다.

모수와 관측 비율

집중도 벡터 자체는 합이 1일 필요가 없지만 생성된 비율 벡터는 합이 1이어야 한다. K=2에서는 첫 성분이 베타 분포를 따르고 둘째는 1에서 첫 성분을 뺀 값이다. 모든 집중도가 1이면 단체 내부에서 균등한 밀도를 갖지만 각 성분이 서로 독립인 균등분포라는 뜻은 아니다. 자료가 비율이라는 사실 외에 분포가 가정하는 의존성과 집중 형태가 적절한지 확인해야 한다.

관련 문서

베타 분포 / 확률분포 / 기댓값 / 분산 / 공분산 / 균등분포