한양과학기술고등학교

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조건부확률과 베이즈 정리

조건부확률과 베이즈 정리

교육과정: 확률과 통계 — 확률. 정확도 99%짜리 검사에서 양성이 나왔다. 그럼 내가 실제로 병일 확률도 99%일까? 놀랍게도 병이 드물면 그 확률은 20%도 안 될 수 있다. 슬라이더를 움직이며 왜 그런지 눈으로 확인해 보자.

미리 보기 — 유병률 1%, 민감도 99%, 특이도 95%로 두면 "양성일 때 실제 병일 확률" P(D|+)는 약 16.7%. 대부분의 위양성이 병이 없는 다수에서 나오기 때문이다. 핵심 교훈: P(양성|병) 과 P(병|양성) 은 전혀 다른 값이다.

1. 직접 해보기 — 1000명 검사하기

아래 슬라이더로 유병률(병을 가진 사람 비율), 민감도(병이 있을 때 양성이 나올 확률 P(+|D)), 특이도(병이 없을 때 음성이 나올 확률 P(−|Dc))를 조절하라. 격자·나무그림·분할표가 즉시 바뀐다.

유병률 P(D) 1.0%
민감도 P(+|D) 99.0%
특이도 P(−|Dᶜ) 95.0%
집단 크기 프리셋
진양성 TP (병 O · 양성) – 위음성 FN (병 O · 음성) – 위양성 FP (병 X · 양성) – 진음성 TN (병 X · 음성) –
아이콘은 왼쪽부터 병이 있는 사람(TP→FN), 그다음 병이 없는 사람(FP→TN) 순으로 배치된다.
양성 판정을 받았을 때 실제로 병일 확률  P(D | +)
16.7%
= 양성 중 진짜 환자 수 / 전체 양성자 수
P(D) 유병률
1.0%
P(D | +) 양성일 때 병
16.7%
P(D | −) 음성일 때 병
0.01%
P(+) 양성이 나올 확률
5.94%
나무그림 (tree diagram)

2 × 2 분할표 (집단 1000명 기준)

병 있음 (D)병 없음 (Dᶜ)합계
검사 양성 (+)105060
검사 음성 (−)0941941
합계109901000
관찰 포인트 — ① 유병률을 낮출수록 P(D|+)가 급격히 떨어진다. ② 특이도를 99%→95%로만 낮춰도 위양성(주황)이 확 늘어난다. ③ 민감도가 아무리 높아도, 병 자체가 드물면 "양성 = 병"이 되지 않는다. ④ 반대로 음성이 나오면 병일 확률은 거의 0에 가깝다(음성의 안심 효과가 크다).

2. 조건부확률의 정의

사건 A가 일어났다는 조건 아래에서 사건 B가 일어날 확률을 조건부확률 P(B|A)라 하고, 다음과 같이 정의한다 (단, P(A) > 0).

P(B | A) = P(A ∩ B) / P(A)

표본공간 전체가 아니라 "A가 일어난 세계"로 무대를 좁힌 뒤 그 안에서 B의 비율을 보는 것이다. 위 위젯에서 P(D|+)는 "무대를 양성 판정자로 좁힌 뒤" 그중 실제 환자의 비율이다.

P(D | +) = P(D ∩ +) / P(+) = (진양성 수) / (진양성 수 + 위양성 수)

곱셈정리

정의의 양변에 P(A)를 곱하면 두 사건이 함께 일어날 확률을 얻는다.

P(A ∩ B) = P(A) · P(B | A) = P(B) · P(A | B)

예: 병이 있고(P(D)) 그 상태에서 양성이 나올(P(+|D)) 확률 → P(D ∩ +) = P(D)·P(+|D). 이것이 나무그림에서 한 가지를 따라 확률을 곱해 내려가는 이유다.

3. 전확률 공식과 베이즈 정리

표본공간이 서로 배반인 D와 Dc로 나뉜다고 하자. 사건 +(양성)는 "병 있으면서 양성" 또는 "병 없으면서 양성" 두 갈래로만 일어난다. 각 갈래의 확률을 더하면 전확률 공식이다.

P(+) = P(D)·P(+|D) + P(Dᶜ)·P(+|Dᶜ)

이제 조건부확률의 정의에 곱셈정리와 전확률 공식을 대입하면 베이즈 정리가 나온다.

P(D | +) =  P(D)·P(+|D)  /  [ P(D)·P(+|D) + P(Dᶜ)·P(+|Dᶜ) ]

지금 슬라이더 값으로 실제 숫자를 대입하면 이렇게 된다 (값을 바꾸면 아래 식도 즉시 갱신된다):

…
사전확률 → 사후확률 — 검사 전 "병일 것 같다"의 정도가 사전확률 P(D)(=유병률), 검사 결과(양성)라는 증거를 반영해 갱신한 것이 사후확률 P(D|+)다. 베이즈 정리는 "증거를 만나 믿음을 업데이트하는 공식"이다.

4. P(A|B) ≠ P(B|A) — 조건을 뒤집지 마라

가장 흔한 실수는 두 조건부확률을 같은 것으로 착각하는 것이다.

표현의미예시 값
P(+ | D)병이 있는 사람이 양성일 확률 (민감도)0.990
P(D | +)양성인 사람이 실제로 병일 확률0.167

둘을 잇는 다리가 바로 베이즈 정리다. 두 값의 비는 곱셈정리에서 곧바로 나온다.

P(D | +) / P(+ | D) = P(D) / P(+)

즉 P(D)가 P(+)보다 훨씬 작으면(=병이 드물면) P(D|+)는 P(+|D)보다 훨씬 작아진다. "검사 정확도"라는 말은 보통 P(+|D), P(−|Dc)를 가리키지, 우리가 정말 알고 싶은 P(D|+)가 아니다.

독립 사건

두 사건 A, B가 서로 독립이면, 한쪽이 일어났다는 정보가 다른 쪽 확률을 바꾸지 않는다.

P(B | A) = P(B)  ⟺  P(A ∩ B) = P(A) · P(B)

검사가 병과 독립이라면(=엉터리 검사) P(+|D) = P(+|Dc)가 되어, 양성이 나와도 P(D|+) = P(D) 그대로다. 검사가 정보를 주는 것은 두 사건이 독립이 아니기 때문이다. 위젯에서 민감도와 (1−특이도)를 같게 맞춰 보면 P(D|+)가 유병률과 똑같아진다.

5. 몬티 홀을 조건부확률로 보기

문 A·B·C 중 하나에 자동차가 있고 내가 A를 골랐다. 진행자가 B를 열어 염소를 보여줬다. 구하고 싶은 것은 "진행자가 B를 열었다"는 조건 아래 자동차가 C에 있을 확률 P(C차 | B열림)이다.

P(B열림 | A차) = 1/2,   P(B열림 | B차) = 0,   P(B열림 | C차) = 1
P(B열림) = ⅓·½ + ⅓·0 + ⅓·1 = 1/2
P(C차 | B열림) = (⅓ · 1) / (1/2) = 2/3,   P(A차 | B열림) = (⅓ · ½) / (1/2) = 1/3

진행자의 문 열기는 정답을 아는 사람의 선택이라 정보가 담겨 있고, 그 조건이 확률을 1/3에서 2/3로 갱신한다. 질병 검사에서 "양성"이라는 증거가 확률을 갱신하는 것과 똑같은 구조다.

한 줄 요약 — 조건부확률 P(B|A) = P(A∩B)/P(A)는 "무대를 A로 좁힌 뒤 B의 비율". 베이즈 정리는 사전확률(유병률)과 증거(검사 결과)를 결합해 사후확률 P(D|+)를 준다. 병이 드물면 아무리 정확한 검사여도 양성 대부분이 위양성이라, P(양성|병) ≠ P(병|양성).