수학 개념 지도
확률과 통계(Probability and statistics)

무작위 행보(Random walk)

매 걸음 동전을 던져 앞뒤로 한 칸씩 움직이는 운동. 평균적으로는 제자리지만, 퍼지는 폭은 걸음 수의 제곱근만큼 자란다.

Xn=∑k=1nSk,Sk=±1,sd⁡(Xn)=nX_n = \sum_{k=1}^{n} S_k,\quad S_k = \pm 1, \qquad \operatorname{sd}(X_n) = \sqrt{n}
먼저 보면 좋은 개념분산과 표준편차

한 걸음마다 동전을 던져 앞면이면 +1, 뒷면이면 −1만큼 움직입니다. 30명이 n=n = 걸음씩 걸은 자취가 아래 그림입니다. 다시 걷기

가로축은 걸음 수, 세로축은 위치입니다. 점선은 ±√n, ±2√n입니다.

평균⁠(mean)⁠ 위치는 0입니다. 앞뒤가 반반이니까요. 그런데 사람들은 점점 넓게 퍼집니다. 한 걸음의 분산⁠(variance)⁠이 1이고, 독립⁠(independence)⁠인 걸음을 더하면 분산이 더해지니 n걸음 뒤 분산은 n, 표준편차⁠(standard deviation)⁠는 n\sqrt n입니다. 100걸음 뒤 전형적인 거리는 10칸 정도이고(네 명 가운데 세 명쯤이 ±10칸 안, 20칸 넘게 벗어나는 사람은 3.5%쯤), 10000걸음 뒤에도 전형적인 거리는 100칸 정도입니다. 잉크 방울이 물에 퍼지는 확산이 이 느린 퍼짐입니다.

1905년 아인슈타인은 물에 뜬 아주 작은 알갱이(꽃가루에서 나온 입자 같은)가 쉬지 않고 떨리는 브라운 운동⁠(Brownian motion)⁠을, 보이지 않는 물 분자들에게 사방에서 무작위로 떠밀리는 걸음으로 설명했습니다. 알갱이가 퍼지는 거리가 시간의 제곱근으로 자란다는 그의 예측은 몇 해 뒤 실험으로 확인되어, 분자가 실제로 있다는 결정적인 증거가 되었습니다. 같은 퍼짐은 인공지능⁠(artificial intelligence)⁠에서도 쓰입니다. 그림의 모든 화소에 작은 무작위 걸음을 거듭 더하면 그림은 잡음으로 퍼져 버리는데, 이 과정을 거꾸로 되돌리도록 신경망⁠(neural network)⁠을 학습시켜 잡음에서 그림을 만드는 것이 확산 모델⁠(diffusion model)⁠입니다.

걸음을 마친 3000명의 위치 분포. 곡선은 평균 0, 분산 n인 정규분포입니다.

n걸음 뒤 위치가 2k−n2k - n일 확률⁠(probability)⁠은 앞면이 k번 나올 확률, 곧 (nk)/2n\binom{n}{k}/2^n입니다. 도착점까지 가는 길의 개수를 세는 것이 파스칼의 삼각형⁠(Pascal's triangle)⁠입니다. 걸음 수가 많아지면 이 분포는 종 모양이 되는데, 이것이 중심극한정리⁠(central limit theorem)⁠가 말하는 정규분포⁠(normal distribution)⁠입니다.

한 걸음당 평균 이동 Xn/nX_n/n은 큰 수의 법칙⁠(law of large numbers)⁠대로 0으로 가지만, 위치 XnX_n 자체는 한없이 멀어질 수 있습니다. 그래도 직선 위의 걸음은 확률 1로 언젠가 출발점으로 돌아옵니다(돌아오기까지 걸리는 걸음 수의 기댓값⁠(expected value)⁠은 무한하지만요). 1921년 헝가리 출신 수학자 조지 폴리아(포여 죄르지)는 평면 위의 격자를 걸어도 확률 1로 돌아오지만, 3차원 격자에서는 영영 돌아오지 못할 확률이 약 66%라는 것을 보였습니다. 과거의 경로와 상관없이 지금 위치만이 다음 위치의 확률을 정하는 이런 과정을 일반화한 것이 마르코프 연쇄⁠(Markov chain)⁠입니다.

양 끝에 벽이 있으면 어느 쪽 벽에 먼저 닿는지가 문제가 됩니다. 이것이 도박꾼의 파산⁠(gambler's ruin)⁠입니다. 0에서 출발해 한 번도 0 아래로 내려가지 않고 2n걸음 뒤 0으로 돌아오는 길의 수는 카탈랑 수⁠(Catalan number)⁠ 1n+1(2nn)\frac{1}{n+1}\binom{2n}{n}입니다.

직선 대신 그래프 위를 걸을 수도 있습니다. 점마다 거기서 나가는 선 가운데 하나를 무작위로 골라 옮겨 가는 것입니다. 어느 점에서든 선을 따라 다른 모든 점에 갈 수 있으면, 오래 걸은 뒤 각 점에 머무는 시간의 비율은 출발점과 상관없이 그래프의 모양이 정합니다. 많은 선이 모여드는 점, 그리고 그런 점에서 선을 받는 점일수록 비율이 높습니다. 웹 페이지를 점, 링크를 선으로 삼은 이 비율이 구글 검색의 순위 기준이었던 페이지랭크⁠(PageRank)⁠입니다. 웹에는 빠져나갈 링크가 없는 막다른 페이지도 있어서, 페이지랭크는 가끔 아무 페이지로나 건너뛰는 규칙을 더해 이 조건을 맞춥니다.

이 개념이 나오는 큰 생각대칭과 불변량무작위성

이 개념이 나오는 긴 글

확률 도박판에서 온 편지 1654년, 도중에 멈춘 내기의 판돈을 어떻게 나눌까? 두 수학자가 주고받은 편지에서 확률론이 태어났다. 최소제곱과 선형대수 잃어버린 소행성 1801년, 발견 몇 주 만에 태양 뒤로 사라진 세레스. 스물네 살의 가우스는 흩어진 관측값에서 궤도를 되찾았다. 그래프 이론 일곱 다리의 도시 쾨니히스베르크의 일곱 다리를 한 번씩만 건너 산책할 수 있을까? 오일러는 지도를 지우고 점과 선만 남겼다. 계산언어학 말을 세는 기계 문법은 규칙일까, 확률일까? 파니니의 문법에서 촘스키의 위계, 섀넌의 영어 엔트로피, 오늘날의 언어 모델까지. 조합론 세지 않고 세기 시의 운율을 세던 인도의 운율학자부터 오일러의 생성함수까지. 하나하나 늘어놓지 않고 경우의 수를 세는 법은 어떻게 자라났을까? 라플라시안 라플라시안, 가장 많이 재사용된 식 이웃의 평균에서 나를 뺀다. 이 한 줄이 열의 법칙이고, 도박꾼이 이길 확률이고, 전기 회로와 나무 세기이고, 북의 음색이고, 사진의 윤곽선이고, 그래프를 가르는 칼이고, 잡음에서 그림을 빚는 확산 모델의 밑그림이다.

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