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시스템의 확률 값 시험을 위한 신뢰구간 비교 분석
Comparison of confidence intervals for testing probabilities of a system 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.5 no.5, 2010년, pp.435 - 443  

황익순 (Software-Networks Department, TELECOM SudParis)

초록
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확률적 특성을 가지는 시스템의 시험을 위해서는 시험 입력을 일정 횟수만큼 반복하여 제공하고 관찰된 데이터를 기반으로 판정이 내려져야 한다. 구간 추정 기법을 이용하여 관찰된 데이터로부터 확률 값이 올바른지 여부를 판단할 수 있으며, 이 때 적절한 신뢰구간의 선택은 시험의 품질을 결정하는 중요한 요인이 된다. 본 논문에서는 다양한 크기의 표본에 대해 대표적인 구간 추정 기법인 Wald 신뢰구간과 Agresti-Coull 신뢰구간을 비교 분석한다. 각 신뢰구간이 확률 값 시험에 사용되었을 경우 올바른 구현 제품이 시험을 통과할 확률과 잘못된 구현제품이 시험을 통과하지 못할 확률을 기반으로 비교 분석을 수행하며, 확률 값이 올바른지를 판단하기 위한 양측검정뿐만 아니라 확률 값이 기준 확률 이상인지 여부를 판단하기 위한 단측검정을 사용하는 경우에 대해서도 비교 분석을 수행한다. 비교 분석 결과 양측검정의 경우 Agresti-Coull 신뢰구간을 사용할 것을 추천하며, 단측검정의 경우 큰 크기의 표본에 대해서는 Agresti-Coull 신뢰구간을, 적은 크기의 표본에 대해서는 Wald 신뢰구간 또는 Agresti-Coull 신뢰구간을 선택적으로 사용할 것을 추천한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

When testing systems that incorporate probabilistic behavior, it is necessary to apply test inputs a number of times in order to give a test verdict. Interval estimation can be used to assert the correctness of probabilities where the selection of confidence interval is one of the important issues f...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 신뢰구간이 확률 값 시험에 사용되는 경우의 특성을 고려하여 40에서 100,000까지의 다양한 크기의 표본에 대해 Wald 신뢰구간과 Agresti-Coull 신뢰구간을 비교 분석하였다. 올바른 구현 제품이 시험을 통과할 확률(PEP)과 잘못된 구현 제품이 시험을 통과하지 못할 확률(PNEF)을 기반으로 하여 비교 분석을 수행하였으며, 확률 값이 올바른지를 판단하기 위한 양측검정뿐만 아니라 확률 값이 기준 확률 값 이상인지 여부를 판단하기 위한 단측검정을 사용할 경우에 대해서도 비교 분석을 수행하였다.
  • 본 논문에서는 확률 값 시험 특성을 고려하여 40에서 100,000까지의 다양한 크기의 표본에 대해 신뢰구간에 대한 비교 분석을 수행한다. 기존에 가장 널리 사용되어 온 Wald 신뢰구간과 Agresti-Coull 신뢰구간을 분석 대상으로 하며, 기존의 커버리지 확률과 신뢰구간의 길이를 기반으로 한 분석과는 달리 해당 신뢰구간을 확률 값 시험에 사용했을 때 측정되는 PEP와 PNEF를 기반으로 하여 비교 분석을 수행한다1).

가설 설정

  • PFSM의 한 상태에서 입력 a에 대해 p와 1-p의 확률 값을 가지고 x와 y를 출력으로 내는 천이 t1과 t2가 각각 존재한다고 가정하자. 해당 상태에서 입력 a가 주어졌을 때 t1과 t2 중 하나를 선택하여 실행하는 행위는 하나의 실험(experiment) 또는 시도(trial)라 한다.
  • 일반적으로 널리 알려진 구간 추정 기법은 Central Limit Theorem (CLT), 즉 많은 수의 동일한 분포 함수 (distribution function)을 가지는 독립적인 랜덤 변수의 합은 정규 분포 (normal distribution)에 가까워진다는 이론을 기반으로 한 Wald 신뢰구간이다 [2]. 모집단의 분포 함수가 확률 값 p를 파라미터로 가지는 이항 분포 (binomial distribution)라 가정하자. 모집단으로부터 얻은 크기가 n인 표본에 대해 n의 값이 충분히 크다면, p에 대해 100(1-α)%의 신뢰수준을 가지는 Wald 신뢰구간은 다음과 같이 주어진다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
구간 추정 기법이란 무엇인가? 구간 추정(interval estimation) 기법은 특정한 분포함수(distribution function)를 가지는 모집단에 대해 분포 함수의 파라미터 값을 모집단으로부터 관찰된 데이터, 즉 표본(sample)을 기반으로 하여 일정 수준의 신뢰수준(confidence level)를 가지고 구간으로 추정하는 기법이다. 구간 추정 기법 중 일반적으로 널리 알려진 방법은 Central Limit Theorem(CLT)을 기반으로 한 Wald 신뢰구간(confidence interval)이다 [2].
구간 추정 기법 중 일반적으로 널리 알려진 방법은 무엇인가? 구간 추정(interval estimation) 기법은 특정한 분포함수(distribution function)를 가지는 모집단에 대해 분포 함수의 파라미터 값을 모집단으로부터 관찰된 데이터, 즉 표본(sample)을 기반으로 하여 일정 수준의 신뢰수준(confidence level)를 가지고 구간으로 추정하는 기법이다. 구간 추정 기법 중 일반적으로 널리 알려진 방법은 Central Limit Theorem(CLT)을 기반으로 한 Wald 신뢰구간(confidence interval)이다 [2]. 비록 Wald 신뢰구간이 널리 사용되어 왔지만 Wald 신뢰구간은 추정하고자 하는 확률 값이 0 또는 1에 근접할 경우 낮은 커버리지 확률 (coverage probability: 해당 신뢰 구간이 실제 확률 값을 포함하고 있을 확률)을 제공하는 등의 문제점이 있는 것으로 알려져 있다 [3, 4].
본 연구에서 Wald 신뢰구간의 문제점을 해결하기 위해 추천된 신뢰구간은 무엇인가? 비록 Wald 신뢰구간이 널리 사용되어 왔지만 Wald 신뢰구간은 추정하고자 하는 확률 값이 0 또는 1에 근접할 경우 낮은 커버리지 확률 (coverage probability: 해당 신뢰 구간이 실제 확률 값을 포함하고 있을 확률)을 제공하는 등의 문제점이 있는 것으로 알려져 있다 [3, 4]. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 신뢰구간이 제안되었으며, [3]과 [4]에서는 각각 양측검정과 단측검정을 사용하는 경우 다양한 신뢰구간에 대한 비교 분석을 수행하여 양측검정 사용시에는 Agresti-Coull 신뢰구간 [5]을 포함한 몇 개의 신뢰구간을 사용할 것을 추천하였고, 단측검정 사용시에는 Jeffreys 신뢰구간 [3]을 사용할 것을 추천하였다. 하지만 최적의 신뢰구간에 대해서는 의견의 차이를 보이고 있으며, 신뢰구간의 비교를 위한 적절한 기준의 설정 및 설정된 기준의 적합성에 대한 논의가 계속되고 있다 [6].
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참고문헌 (9)

  1. O. Markowitch, Y. Roggeman. Probabilistic non-repudiation without trusted third party. Second Conference on Security in Communication Networks 1999, Amalfi, Italy. 

  2. S.M. Ross, Introduction to Probability and Statistics for Engineers and Scientists, Johns Wilely & Sons, New York, 1987. 

  3. L. D. Brown, T. T. Cai, A. DasGupta. "Interval Estimation for a Binomial Proportion," Statistical Science, Vol. 16, No. 2, pp. 101-117, 2001. 

  4. T. T. Cai, "One-sided confidence intervals in discrete distributions", Journal of Statistical Planning and Inference, Vol. 131, No. 1, pp. 63-88, 2005. 

  5. A. Agresti, B. Coull, "Approximate is better than 'exact' for interval estimation of binomial proportions", The American Statistician, Vol. 52, No. 2, pp. 119-126, 1998. 

  6. 류제복, "이항신뢰구간에 대한 소고", 한국통계 학회논문집, 제16권 제5호, pp. 731-743, 2009. 

  7. Iksoon Hwang, Ana Cavalli, Testing a probabilistic FSM using interval estimation, Computer Networks, Vol. 54, No. 7 pp. 1108-1125, 2010. 

  8. 황익순, 박재성, "구간 추정 기법을 이용한 이 동통신 시스템의 통화 성공률 시험 방법", Technical report, 수원대학교, 2010. 

  9. 방송통신위원회 이용자보호국, 2009년도 통신서비스 품질 평가 결과, 2010. URL http://www.wiseuser.go.kr/quality/main.do 

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