Random Walk   랜덤 보행, 확률 보행

(2025-10-08)

랜덤 워크, 무작위 행보


1. Random Walk 이란?

  ㅇ 단위 보행 마다 움직이는 방향 및 보폭이 랜덤한 확률적 현상을 나타내는 말

  ㅇ n회 걸음 후 출발점부터의 총 이동 거리를 확률적으로 추정하는 문제
     - n이 무한대이면, 확률분포가 정규분포에 접근하며,
     - n이 극한으로 연속이면, 물리적으로 브라운 운동으로 묘사됨

  ㅇ Yn = Yn-1 + en
     -  Yn : n번째 보행까지 이동한 거리
     -  e : 무작위한 단위 걸음

  ㅇ 例) 도박, 주가 시세 변화, 브라운 운동, 기체 분자의 확산 등


2. 단순 확률 보행 (Simple Random Walk)

  ㅇ 확률 보행의 특별한 경우로써, 
     - 단위 걸음이 +1,-1 처럼 단지 두 경우 만 있을 경우를 말함
     - 만일, 두 경우 각 확률이 서로 같을(대칭)때는,
        . 대칭 단순 확률보행(Symmetric Simple Random Walk) 이라고 함


3. 단순 확률 보행의 확률 계산 예시(例示) 및 의미

  ㅇ 매 시점(걸음) 마다 확률변수  :  {#X_i = \{+1, -1\}#}
  ㅇ (+1),(-1) 각 경우의 발생 확률  :  {#p = \frac{1}{2}#}
  ㅇ t번 걸었을 때의 전체 이동량  :  {#S_t = X_1 + X_2 + \cdots + X_t#}
  ㅇ 확률변수 {#X_i#}의 기대값(평균)  :  {#E[X_i] = \sum^n_{i=1} x_i P(x_i) = (+1)\frac{1}{2} + (-1)\frac{1}{2} = 0#}
  ㅇ 확률변수 {#X_i#}의 분산  :  {#Var(X_i) = E[X_i^2] - (E[X_i])^2 = 1 - 0 = 1#}
  ㅇ 전체 이동량(합) {#S_t#}의 분산  :
     - {#X_i#}들은 서로 독립이므로, 합 {#S_t#}의 분산은 단순히 합쳐짐
     - {#Var(S_t) = Var(X_1 + X_2 + \cdots + X_t) = t \cdot Var(X_i) = t#}
  ㅇ 전체 이동량(합) {#S_t#}의 표준편차  :  {#\sigma_{S_t} = \sqrt{Var(S_t)} = \sqrt{t}#}
  ㅇ 전체 이동량(합) {#S_t#}의 확률분포  :  
     - {#X_i#}들이 서로 독립이고 평균 0, 분산 1이므로,
     - {#S_t#}의 확률분포는, t가 커질수록 `정규분포`에 근사함 (중심극한정리)
  ㅇ 중심극한정리 (정규분포로의 수렴)  :  
       
[#\frac{S_t - E[S_t]}{\sqrt{Var(S_t)}} = \frac{S_t}{\sqrt{t}} \rightarrow \mathcal{N}(0,1)#]
- 여기서, 표준화 확률변수 : {#Z_i = \frac{X_i - μ}{σ} = \frac{S_t - E[S_t]}{\sqrt{Var(S_t)}}#} . 평균 0, 표준편차 1로 변환된(표준화된) 표준 정규분포의 표준화된 확률 변수 ㅇ 결국, 랜덤보행의 합은, 평균 0, 분산이 시간 t에 비례하는 정규분포가 됨 ㅇ 만일, 각 걸음의 표준편차가 {#σ#}라면, : {#Var(X_i) = \sigma^2 #} - 전체 이동량(합)의 분산 : {#Var(S_t) = t\sigma^2#} - 전체 이동량(합)의 표준편차 : {#σ\sqrt{t}#} ㅇ 따라서, 시간이 흐를수록, - 각 걸음의 기대값(평균)은, 0 이지만, - 전체 이동량(합)은, 때론 큰 값이거나 때론 작은 값일 수 있으며, - 전체 이동량(합)의 확률분포는, 표준편차가 {#σ\sqrt{t}#}인 정규분포로 근사됨 ㅇ 이를 물리적으로 설명하면, - 시간이 두 배가 되면, 이동의 "불확실성(흩어짐의 폭)"이, 2배가 아니라 √2배가 됨 - 즉, "확률적 확산"의 속도는, 시간의 제곱근에 비례한다는 뜻임

▷ 특별한 랜덤과정
1. 베르누이 과정   2. 포아송 과정   3. 가우스 과정   4. 랜덤 보행   5. 백색 과정   6.
▷마르코프 과정
 
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