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MATH003 학부

확률과 통계: 불확실성의 과학

확률과 통계의 수학적 기초에 대한 포괄적인 대학 수준의 소개 과정입니다. 미적분학 1년 이상을 전제로 하며, 확률 모델, 랜덤 변수, 기대값, 표본 분포, 우도 및 베이지안 추론, 변수 간의 관계 등을 다룹니다.

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수학
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강좌 개요

📚 콘텐츠 개요

확률과 통계의 수학적 기초를 다루는 포괄적인 대학 수준의 소개 과정. 미적분학 1년 분량의 지식을 전제로 하며, 확률 모델, 무작위 변수, 기대값, 표본 분포, 우도 및 베이지안 추론, 변수 간 관계 등을 다룹니다.

미적분 기반의 확률과 통계적 추론을 통해 불확실성의 엄밀한 수학적 과학을 숙달하세요.

저자: 마이클 J. 에반스와 제프리 S. 로젠탈

감사의 글: 저자들은 토론토 대학교, 맥마스터 대학교, 펜웨르 대학교 등의 기관에서 활동하는 다양한 검토자들과 동료들의 기여를 인정합니다. 또한 토론토 대학교의 재정 및 인프라 지원에 감사를 표합니다.

🎯 학습 목표

  1. 표본 공간, 사건, 확률 측도를 사용하여 공식적인 확률 모델을 정의한다.
  2. 순열, 부분집합, 이항 계수 등의 조합 원리를 활용하여 균일 확률 문제를 해결한다.
  3. 전체 확률의 법칙과 베이즈 정리를 활용하여 다단계 시스템을 분석하고, 새로운 정보에 따라 믿음을 갱신한다.
  4. 이산형 및 절대 연속형 무작위 변수를 정의하고 구별하며, 각각의 확률/밀도 함수를 이해한다.
  5. 실제 세계 현상을 모델링하기 위해 주요 확률 분포(베르누이, 이항, 포아송, 정규 등)를 식별하고 적용한다.
  6. 다변량 분포에 대해 경계 밀도, 조건부 분포를 계산하고 독립성을 평가한다.
  7. 이산형, 연속형, 혼합형 무작위 변수의 기대값, 분산, 공분산을 계산한다.
  8. 무의식 통계학자의 법칙(LOTUS)과 선형성 성질을 활용하여 변환된 변수의 기대값을 계산한다.
  9. 확률 생성 함수(PGF)와 모멘트 생성 함수(MGF)를 사용하여 모멘트를 유도한다.
  10. 서로 독립이고 동일하게 분포된(기울기) 시퀀스의 함수에 대한 표본 분포를 정의하고 도출한다.

수업

Lesson

This lesson introduces formal probability models as a rigorous framework to replace subjective intuition, highlighting the relative frequency interpretation and the Law of Large Numbers. Students learn to apply these mathematical structures to quantify uncertainty and manage risk in complex, real-world scenarios where human cognitive biases often fail.

This lesson introduces random variables as deterministic functions that map sample space outcomes to real numbers, providing a quantitative framework for probability. Students learn to utilize indicator functions, understand probability distributions, and apply the continuity of probability to analyze complex events.

This lesson introduces mathematical expectation as the long-run average of a random variable and explores its core properties, including linearity, monotonicity, and independence. Students learn to apply the Law of the Unconscious Statistician (LOTUS) to efficiently calculate the expected values of transformed variables without needing to derive their specific probability distributions.

This lesson introduces sampling distributions as the probability laws governing statistics, which are functions of independent and identically distributed (i.i.d.) random variables. Students learn to derive exact distributions for small sample sizes and explore how these concepts bridge the gap between raw data and statistical inference.

This lesson introduces statistical inference as the formal process of using sample data to estimate the underlying probability distributions and mechanics of a system. It emphasizes that inference is necessary to distinguish between inherent random variation and structural uncertainty, allowing researchers to make robust predictions beyond simple descriptive summaries.

This lesson explores likelihood-based inference, focusing on how the likelihood function quantifies the support for different parameter values given observed data. Students learn to use log-likelihoods for computational efficiency, apply the Central Limit Theorem for asymptotic inference, and utilize Fisher Information to measure the precision of statistical estimates.

This lesson introduces the Bayesian paradigm, which treats unknown parameters as random variables rather than fixed constants to allow for direct probability statements about them. Students learn to construct a complete Bayesian model by combining a sampling model with a prior distribution to update beliefs through the joint distribution.

This lesson explores the mathematical foundations of optimal statistical inference by defining the Mean Squared Error (MSE) as the sum of an estimator's variance and squared bias. Students learn how to minimize this error to identify the best estimators and understand the role of sufficiency and posterior means in decision theory.

This lesson introduces model checking as a critical validation step that ensures statistical inferences are grounded in reality rather than mathematical fiction. Students will learn to distinguish between parameter estimation and model validation, emphasizing that even the most precise calculations are meaningless if the underlying model assumptions do not accurately reflect the data-generating process.

This lesson defines a statistical relationship as any change in the conditional distribution of a response variable $Y$ when a predictor $X$ varies, moving beyond simple correlation to include shifts in mean, variance, or shape. It also emphasizes that establishing causality requires rigorous experimental design, such as blinding and blocking, to account for confounding variables and eliminate bias.

This lesson introduces stochastic processes as systems that evolve over time through probabilistic rather than deterministic rules, with a primary focus on the Simple Random Walk. Students learn to calculate path probabilities and expected values while exploring key concepts like the parity rule, Martingale fairness, and the foundational mechanics of the Gambler’s Ruin model.