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베타 분포

Q's Laboratory

베타(beta) 분포는 [0,1][0,1]에서 정의되는 분포로, 베이지안 모델링에서 이항 분포하는 변수의 사전 분포로 자주 사용되고, 정해진 구간 [a,b][a, b]에서 변화하는 확률변수를 모델링하는 데에 사용하기도 한다. (프로젝트 네트워크에서 각 작업의 소요시간 분포)

베타 분포는 감마 분포를 따르는 두 확률변수의 비율이 베타 분포를 따르며, 이 성질을 이용하여 확률밀도함수를 유도할 수 있다. 이렇게 구한 밀도함수에서 정규화 상수로 베타 함수를 사용하며, 이 때문에 1940년대까지 피어슨 1유형 분포라고 불리다가 지금은 베타 분포라고 부른다.


확률밀도함수 유도

독립적인 두 확률변수 X1X_1과 X2X_2가 각각 X1∼Gamma(α,1)X_1 \sim Gamma(\alpha, 1), X2∼Gamma(β,1)X_2 \sim Gamma(\beta, 1)의 분포를 따를 때, Y=X1X1+X2Y = \frac{X_1}{X_1 + X_2}의 확률밀도함수를 구하는 과정은 다음과 같다.

우선, Z=X1+X2Z = X_1 + X_2라는 보조변수를 도입하면, YY, ZZ의 결합확률밀도함수를 구하는 문제는,

A={(x1,x2)∣0≤x1,x2}B={(y,z)∣0≤y≤1,0≤z}A = \{ (x_1, x_2) | 0 \leq x_1, x_2 \} \\ \\ B = \{ (y, z) | 0 \leq y \leq 1, 0 \leq z \}

에서 AA에서 BB로의 전단사 변환이 된다.

Y=u(X1,X2)=X1X1+X2Y = u(X_1, X_2) = \frac {X_1}{X_1 + X_2}, Z=v(X1,X2)=X1+X2Z = v(X_1, X_2) = X_1 + X_2를 역변환하면 아래와 같다.

u−1(Y,Z):X1=YZv−1(Y,Z):X2=Z(1−Y)u^{-1}(Y, Z) : X_1 = YZ \\ \\ v^{-1}(Y, Z) : X_2 = Z(1-Y)

자코비안 행렬을 구하면 다음과 같다.

∣J∣=∣∂x1∂y∂x1∂z∂x2∂y∂x2∂z∣=∣zy−z1−y∣=z|J| = \begin{vmatrix} \frac{\partial x_1}{\partial y} & \frac{\partial x_1}{\partial z} \\ \frac{\partial x_2}{\partial y} & \frac{\partial x_2}{\partial z} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} z & y \\ -z & 1-y \end{vmatrix} = z

위를 바탕으로, (Y,Z)(Y, Z)의 결합확률밀도함수를 구하면,

fY,Z(y,z)=fX1(yz)fX2(z(1−y))=1Γ(α)(yz)α−1e−yz1Γ(β){z(1−y)}β−1e−z(1−y)=1Γ(α)Γ(β)yα−1(1−y)β−1zα+β−1e−z\begin{aligned} f_{Y, Z}(y, z) &= f_{X_1}(yz)f_{X_2}(z(1-y)) \\ &= \frac 1 {\Gamma(\alpha)} (yz)^{\alpha -1} e^{-yz} \frac 1 {\Gamma(\beta)} \{z(1-y)\}^{\beta -1} e^{-z(1-y)} \\ &= \frac 1 {\Gamma(\alpha) \Gamma(\beta)} y^{\alpha-1} (1-y)^{\beta - 1} z^{\alpha + \beta - 1} e^{-z} \end{aligned}

가 된다. 이제, YY의 주변부 확률밀도함수를 구하면,

fY(y)=∫zfY,Z(y,z)dz=∫0∞1Γ(α)Γ(β)yα−1(1−y)β−1zα+β−1e−zdz=1Γ(α)Γ(β)yα−1(1−y)β−1∫0∞zα+β−1e−zdzΓ(α+β)함수의 정의=Γ(α+β)Γ(α)Γ(β)B(α,β)의 역수yα−1(1−y)β−1=1B(α,β)yα−1(1−y)β−1,0≤y≤1\begin{aligned} f_Y(y) &= \int_z f_{Y, Z}(y, z) dz \\ &= \int_0^{\infty} \frac 1 {\Gamma(\alpha) \Gamma(\beta)} y^{\alpha-1} (1-y)^{\beta - 1} z^{\alpha + \beta - 1} e^{-z} dz \\ &= \frac 1 {\Gamma(\alpha) \Gamma(\beta)} y^{\alpha-1} (1-y)^{\beta - 1} \underset{\Gamma(\alpha + \beta)\text{함수의 정의}}{\boxed{\int_0^\infty z^{\alpha + \beta - 1} e^{-z} dz}} \\ &= \underset{\Beta(\alpha, \beta)\text{의 역수}}{\boxed{\frac {\Gamma(\alpha + \beta)}{\Gamma(\alpha)\Gamma(\beta)}}} y^{\alpha-1} (1-y)^{\beta - 1} \\ &= \frac 1 {\Beta(\alpha, \beta)} y^{\alpha-1} (1-y)^{\beta - 1}, 0 \leq y \leq 1 \end{aligned}

가 된다.


성질

기댓값과 분산

베타 분포의 기댓값과 분산은 다음과 같다.

E(X)=αα+βVar(X)=αβ(α+β)2(α+β+1)\begin{gathered} \mathbb E (X) = \frac {\alpha}{\alpha + \beta} \\ \\ Var(X) = \frac{\alpha \beta}{(\alpha+\beta)^2(\alpha + \beta + 1)} \end{gathered}

확률밀도함수의 형태

베타 분포는 α,β<1\alpha, \beta < 1이면 UU자 형태, (α−1)(β−1)<0(\alpha - 1)(\beta - 1) < 0이면 JJ자 형태를 가지며, 나머지 경우에는 모두 단조형태를 가진다.

이항 분포와의 관계

B(n,p)B(n, p)의 분포함수는 Beta(k+1,n−k)Beta (k + 1, n - k)의 우측 꼬리확률이 된다. 즉, X∼B(n,p)X \sim B(n, p)이고, Y∼Beta(k+1,n−k)Y \sim Beta(k+1, n-k)일 때,

P[Y≥p]=P[X≤k]P[ Y \geq p ] = P [X \leq k]

가 성립한다. 이때, kk는 1보다 큰 자연수이다.

증명

Y∼beta(k+1,n−k)Y \sim beta(k + 1, n-k)의 꼬리확률 P(Y≥p)P(Y \geq p)은 다음과 같다.

∫p1Γ(n+1)Γ(k+1)Γ(n−k)yk(1−y)n−k−1dy=Γ(n+1)Γ(k+1)Γ(n−k)[∫p∞yk(1−y)n−k−1dy]=Γ(n+1)Γ(k+1)Γ(n−k)[yk(1−y)n−k1n−k(−1)∣p1+∫p1kn−kyk−1(1−y)n−kdy]부분적분=n!k!(n−k−1)!1n−kpk(1−p)n−k+n!(k−1)!(n−k)!∫p1yk−1(1−y)n−kdy=n!k!(n−k)!pk(1−p)n−k+n!(k−1)!(n−k)![yk−1(1−y)n−k+11n−k+1(−1)∣p1+∫p1k−1n−k+1yk−2(1−y)n−k+1dy]=n!k!(n−k)!pk(1−p)n−k+n!(k−1)!(n−k+1)!pk−1(1−p)n−k+1+n!(k−2)!(n−k+1)!∫p1yk−2(1−y)n−k+1dy=…=(nk)pk(1−p)n−k+(nk−1)pk−1(1−p)n−k+1+(nk−2)pk−2(1−p)n−k+2+⋯+(n0)p0(1−p)n=∑x=0k(nx)px(1−p)n−x=P(X≤k)\begin{aligned} \int_p^1 \frac{\Gamma(n+1)}{\Gamma(k+1)\Gamma(n-k)} y^{k} (1-y)^{n-k-1} dy &= \frac{\Gamma(n+1)}{\Gamma(k+1)\Gamma(n-k)} \big[ \int_p^\infty y^{k} (1-y)^{n-k-1} dy \big] \\ &= \frac{\Gamma(n+1)}{\Gamma(k+1)\Gamma(n-k)} \underset{\text{부분적분}}{\boxed{\big[ y^k (1-y)^{n-k} \frac 1 {n-k} (-1) \big|_p^1 + \int_p^1 \frac k {n-k} y^{k-1} (1-y)^{n-k} dy \big] }}\\ &= \frac{n!}{k! (n-k-1)!} \frac 1 {n-k} p^k (1-p)^{n-k} + \frac{n!}{(k-1)!(n-k)!} \int_p^1 y^{k-1} (1-y)^{n-k} dy \\ &= \frac{n!}{k! (n-k)!} p^k (1-p)^{n-k} + \frac{n!}{(k-1)!(n-k)!} \big[ y^{k-1} (1-y)^{n-k+1} \frac 1 {n-k+1} (-1) \big|_p^1 + \int_p^1 \frac {k-1}{n-k+1} y^{k-2} (1-y)^{n-k+1} dy \big] \\ &= \frac{n!}{k! (n-k)!} p^k (1-p)^{n-k} + \frac{n!}{(k-1)!(n-k+1)!} p^{k-1} (1-p)^{n-k+1} + \frac {n!}{(k-2)!(n-k+1)!} \int_p^1y^{k-2} (1-y)^{n-k+1} dy \\ &= \dots \\ &= \binom n k p^k (1-p)^{n-k} + \binom n {k-1} p^{k-1} (1-p)^{n-k+1} + \binom n {k-2} p^{k-2} (1-p)^{n-k+2} + \dots + \binom n 0 p^0 (1-p)^n \\ &= \sum_{x=0}^k \binom n x p^x (1-p)^{n-x} = P(X \leq k) \end{aligned}

■\blacksquare


디리클레 분포와의 관계

베타 분포를 다변수로 확장하면 디리클레(Dirichlet) 분포가 된다. 즉, 베타 분포는 α=c1\alpha = c_1, β=c0\beta = c_0인 디리클레 분포와 같다.