중심극한정리: 평범한 것들은 정규분포이다.

 

 

이번글에서는 중심극한 정리를 소개합니다. 

저번글에서는 $[0,1]$ 구간에서 uniform random 변수를 생성하는 여러 가지 방법을 알아봤는데, 사실  정규분포를 따르는 난수를 발생하는 데에 궁극적인 목적이 있습니다. 그 과정에서 알아두는 좋을 것이 바로 중심극한정리입니다.

 

어떤 $n$개의 확률변수(또는 샘플) $X_1, X_2, \cdots, X_n$ 있고, 이것들이 다 동일한 분포를 따르고 서로 독립이라 합시다(이것을 iid, independent and identically distributed, 독립 항등 분포라고 다양하게 부릅니다.)

$X_i$ 각각의 평균은 $\mu$, 분산을 $\sigma^2$이라 합시다.  이들의 표본 평균 $\bar{X}$을

$$\bar{X} = \frac{X_1+X_2+\cdots+X_n}{n} =\frac1n \sum_{i=1}^n X_i \tag{1}$$

라 하면

중심극한정리(CLT, Central Limit Theorem)
$n$이 무한정 커질 때,
$$\bar{X} \sim \mathcal{N}\left(\mu, \frac{\sigma^2}{n} \right)$$

라는 것입니다. $\mathcal{N}$은 정규분포를 뜻합니다.

 

이 정리의 key point는 바로 정규분포를 따른다는 데 있습니다. 왜냐면 무작정 $\bar{X}$의 평균과 분산을 구해보면

$$\mathbb{E}(\bar{X}) = \frac1n\sum_{i=1}^n \mathbb{E}(X_i) = \frac1n \sum_{i=1}^n \mu  = \mu$$

이고

$$\mathbb{V}(\bar{X}) = \frac{1}{n^2} \sum_{i=1}^n \mathbb{V}(X_i) = \frac{1}{n^2} \sum_{i=1}^n \sigma^2 = \frac{\sigma^2}n$$

입니다. 

 

이렇게 평균, 분산은 구하기가 쉽습니다. 그런데 이게 정규분포를 따른다는 것이 획기적인 거죠.  예제를 보겠습니다.

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1. 동전 던기지

동전 아니져 코인 맞습니다

1. 동전의 앞면을 0, 뒷면을 1이라 하고 몇 번 던져봅니다. 그래서 나온 sample(표본)들을 평균합니다. 이것이 표본 평균이죠.

2. 이 표본 평균들을 아주 많이 구합니다. 이 구한 것들을 히스토그램을 그려서 분포를 살펴봅니다.

3. 중심 극한 정리에 따르면, 1번에서 표본의 개수가 많을수록(수식(1)의 $n$) 정규분포로 가겠죠, 이게 맞는지 2번 그래프에서 살펴보는 겁니다.

 

먼저 python code를 보시죠.

 

import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def clt_coinTest():
    coin_face = [0, 1]
    nAct = 20
    nSimulation = 5000
    data =[]
    for i in range(nSimulation):
        res = np.random.choice(coin_face, size=nAct)
        res_avr = np.average(res)
        data.append(res_avr)
    plt.hist(data, bins=20)
    plt.show()

if __name__ == '__main__':
    clt_coinTest()

 

    nAct = 20

이 부분은 표본 평균을 만들 샘플의 갯수입니다. 일단 $n=20$이라 하죠.

    nSimulation = 5000

표본평균을 5000개 만드는 변수입니다

        res = np.random.choice(coin_face, size=nAct)
        res_avr = np.average(res)
        data.append(res_avr)

- 개수(size)가 nAct 개인 난수 배열을 만듭니다. coin_face 가 [0,1] 두 원소로 이루어진 list형 data이고 이 중에서 radom choice 해서 res라는 변수에 쌓는 것입니다.

- res에 쌓인 데이터들을 average 합니다. 그럼 결과적으로 res_avr이 표본 평균이 됩니다.

- 이 표본 평균을 data라는 변수에 쌓습니다.

 

    plt.hist(data, bins=20)

계급의 개수가 20개인 histogram을 만듭니다.

 

$n=20$일 때, 히스토그램

뭔가 정규분포스럽지만.. 처참한 결과이지요. 아예 데이터가 없는 이빨 빠진 구간도 보입니다. 정규분포라고 하기엔 무리가 있습니다. $n$을 크게 키워볼까요?

 

$n=1000$일 때 히스토그램

알이 속속들이 차있는 약간의 대칭형 모양이 나옵니다. $n$을 더 키워보겠습니다.

$n$=10만일 때 히스토그램

비로소 대칭형 모양이 나오는 듯합니다. 여기서 중요한 사실은 히스토그램이 그려지는 $x$축의 range를 보시죠.

$n=20$일 때는 0.1~0.8,  $n=1000$일 때는 0.44~0.56 , $n=100,000$일 때는 0.495~0.595 사이로 좁아지게 되죠? 중심 극한 원리 때문입니다.

동전 던졌을 때 나오는 면이 0,1 인  확률변수 $X$의 확률은 각각 $\frac12$입니다. 즉,

$X$	0	1
$p$	$\frac12$	$\frac12$

입니다. $X$의 평균과 분산을 각각 구해보면

$$\mathbb{E}(X) = \frac12,  \mathbb{V}(X)= \mathbb{E}(X^2) -(\mathbb{E}(X))^2 = 1-\frac14= \frac34$$

입니다.

따라서 표본평균 $\bar{X}$의 평균과 분산은 각각

$$\mathbb{E}(\bar{X}) = \frac12 , \mathbb{V}(\bar{X}) =\frac3{4n}$$

이 됩니다. 따라서 $n$이 커질수록, 분산이 0으로 가게 되어  히스토그램처럼 range가 줄어들게 되는 것이죠.

주사위도 던져볼까요?

 

2. 주사위 던지기

임성훈 화백의 카툰 [주사위는 던져졌다], 카이사르의 운명은?

동전과 달리 주사위는 6개의 면이 있습니다. 

python code는 다음과 같습니다. 동전 던지기 code와 거의 비슷합니다.

import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def clt_diceTest():
    dice_face = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
    nAct = 100000
    nSimulation = 5000
    data =[]
    for i in range(nSimulation):
        res = np.random.choice(dice_face, size=nAct)
        res_avr = np.average(res)
        data.append(res_avr)
    plt.hist(data, bins=20)
    plt.show()

if __name__ == '__main__':
    clt_diceTest()

결과를 볼까요? 표본 평균이 10만 인 상황입니다.

$n=100,000$인 히스토그램

물론 이것도 $n$이 작으면 처참한 그림이 나오죠

$n=5$일 때, 벌서는 사람 같네요.

 

위의 예제에서 보았듯이 표본 평균의 분포는 표본이 많아질수록 정규분포 모양을 띄게 됩니다. 위의 동전, 주사위 예제는 아주 간단한 관찰이었고, 다음 글에서는 정말 제대로 된 정규분포 모양을 얻기 위해 uniform random변수들을 이용해 볼 생각입니다.

임성훈 화백의 카툰 [주사위는 던져졌다]