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과학

불완전 베타 함수

불완전 베타 함수과학
영문명
Incomplete beta function
비정규화 형태
B_x(a,b)=∫₀ˣt^(a−1)(1−t)^(b−1)dt
정규화 형태
I_x(a,b)=B_x(a,b)/B(a,b)
기본 조건
a,b>0과 0≤x≤1
불완전 베타 함수는 베타 적분의 위쪽 끝을 1이 아닌 x까지로 제한한 함수다. 완전 베타 함수로 나눈 정규화 형태는 베타 분포의 누적확률과 연결된다.

완전 적분과의 차이

완전 베타 함수 B(a,b)는 0부터 1까지 적분해 모수에 따른 수 하나를 준다. 불완전 형태에서는 위끝 x도 바뀌므로 누적되는 양이 달라진다. x=1이면 B_x=B이고, 정규화한 I_1은 1이다. x=0이면 두 불완전 형태 모두 0이다. 불완전이라는 말이 근사값이나 계산이 덜 끝났다는 뜻은 아니다.

정규화 차이의 예

a=2,b=2라면 적분 안의 식은 t(1−t)다. B_x=x²/2−x³/3이고 B(2,2)=1/6이므로 I_x=3x²−2x³다. x=1/4에서 B_x는 5/192이지만 I_x는 5/32다. 같은 입력에서도 완전 베타 함수로 나누었는지에 따라 숫자가 달라지므로 함수 이름과 반환값의 규약을 확인해야 한다.

대칭으로 보완 확률 구하기

변수 치환으로 I_x(a,b)=1−I_(1−x)(b,a)를 얻는다. 모수 순서도 함께 바뀌는 관계다. a=b=2,x=1/4의 예에서는 I_(3/4)=27/32여서 두 누적값의 합이 1이다. a와 b가 다른데 입력만 1−x로 바꾸고 모수 순서를 그대로 유지하면 일반적으로 같은 관계가 되지 않는다.

확률과 수치적 주의

정규화 형태는 베타 분포의 누적분포함수다. 구간 [u,v]의 확률은 I_v−I_u로 계산할 수 있다. 매우 작은 꼬리를 1에서 큰 누적값을 빼는 방식으로 계산하면 정밀도를 잃을 수 있어 보완 함수를 직접 계산하는 방법을 검토한다. 양의 모수에서 얻은 확률 해석과 경계 모수에 대한 극한 처리도 구분해야 한다.

관련 문서

베타 함수 / 베타 분포 / 누적분포함수 / 확률밀도함수 / 수치 적분 / 감마 함수