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베이지안 실험계획법의 이해와 응용
Understanding Bayesian Experimental Design with Its Applications 원문보기

응용통계연구 = The Korean journal of applied statistics, v.27 no.6, 2014년, pp.1029 - 1038  

이군희 (서강대학교 경영전문대학원)

초록
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본 연구에서는 베이지안 실험계획법에 대하여 논의하고 간단한 모의실험을 통하여 최적화된 베이지안 실험계획법이 어떠한 특징을 가지고 있는지 설명하였다. 실험을 설계하는 경우 연구자는 관심있는 주제가 모수추정인지 아니면 예측인지를 결정하고 사전확률우도함수를 기반으로 이에 맞는 사후확률을 찾아 효용함수와 결합하여 최적의 실험설계를 찾는 것이 베이지안 실험계획법의 기본 원리이다. 만일 사전적 정보가 존재하지 않는다면 무정보적 부적합 사전확률을 이용하여 실험을 설계할 수 있으며, 이는 비 베이지안적 접근방법과 일치하게 된다. 만일 모수나 예측값에 대한 사전적 정보가 존재하는 경우에는 베이지안 실험계획법이 유일한 해결 방법이다. 하지만 모형의 복잡도가 증가하게 되면, 최적해를 찾는 과정이 매우 복잡해져서 극복해야 하는 많은 문제점들이 존재하므로 향후 많은 연구가 필요한 분야이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Bayesian experimental design is a useful concept in applied statistics for the design of efficient experiments especially if prior knowledge in the experiment is available. However, a theoretical or numerical approach is not simple to implement. We review the concept of a Bayesian experiment approac...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 실험계획법 분야에서 매우 중요하게 활용될 수 있는, 하지만 아직 학문적으로나 실용적인 측면에서 한계점이 많이 지적되고 있는 베이지안 실험계획법에 대하여 논의하고 간단한 모의실험을 통하여 최적화된 베이지안 실험계획법이 어떠한 특징을 가지고 있는지 설명하였다. 어떠한 실험을 설계하는 경우, 모수 또는 예측값에 대한 사전적 정보가 존재하지 않는다면 무정보적 부적합 사전확률을 이용 하여 실험을 설계할 수 있으며, 이는 비 베이지안적 접근방법과 일치하게 된다.
  • 결국 베이지안 실험계획법은 실험목적에 맞는 효용함수를 정의하고, 효용함수를 최대화시키는 실험설계를 찾는 과정을 의미한다. 본 연구에서는 통계분석모형에서 나타나는 효용함수의 모습을 알아보고 최적화 실험설계를 찾기 위한 방법과 이에 대한 특징을 예를 통하여 알아보기로 한다.

가설 설정

  • 선형 모형의 가정: [y|θ, σ] ∼ N ( Xθ, σ2 I ) .
  • 일반적인 선형모형 형태인 Y = Xθ + ε에서 ε ∼ N(0, σ2 I)을 가정하고(여기서 I는 단위행렬), k개의 모수로 구성된 θ에 대한 사전분포를 공액분포인 정규분포로 가정하면, 다음과 같이 정리할 수 있다.
  • 회귀모 형의 절편과 기울기를 나타내는 θ = (α, β)에 대한 사전분포의 분산이 각각 1이라고 가정하고, 공분산 이 0일 경우, 0.5일 경우, −0.5일 경우, 그리고 R행렬이 0에 가까운 경우와 0에 가까운 비정칙 행렬 일 경우, 마지막으로 사전적 정보가 없는 형태인 부적합 분포로 만들어진 0행렬을 가정하였을 경우, 식 (2.1)의 형태로 나타난 기대 효용함수가 어떠한 변화를 나타내는 지 살펴보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
실험설계를 선택하는 문제는 대단히 어려운 문제인 이유는? 최적화된 실험설계는 자료가 수집되기 이전에 결정되어야 하고, 설령 자료가 존재한다고 하여도 특정한 형태의 실험설계 조건아래서 자료 수집이 가능하기 때문에 연구자 입장에서 실험설계를 선택하는 문제는 대단히 어려운 문제이다. 더군다나 전문가로부터 모수에 대한 사전적 정보가 존재하여 이를 기반으로 최적화된 실험설계를 찾고자 한다면, 기존의 우도함수 기반 최적화 접근방법에는 한계가 존재하며, 따라서 베이지안적 접근방법이외에는 해결방법이 없게 된다.
베이지안 실험계획법이 의미하는 것은? 결국 베이지안 실험계획법은 실험목적에 맞는 효용함수를 정의하고, 효용함수를 최대화시키는 실험설계를 찾는 과정을 의미한다. 본 연구에서는 통계분석모형에서 나타나는 효용함수의 모습을 알아보고 최적화 실험설계를 찾기 위한 방법과 이에 대한 특징을 예를 통하여 알아보기로 한다.
모수나 예측값에 대한 사전적 정보가 존재하는 경우에는 베이지안 실험계획법이지만 사전적 정보가 존재하지 않는다면 어떤 방법을 사용하는가? 실험을 설계하는 경우 연구자는 관심있는 주제가 모수추정인지 아니면 예측인지를 결정하고 사전확률과 우도함수를 기반으로 이에 맞는 사후확률을 찾아 효용함수와 결합하여 최적의 실험설계를 찾는 것이 베이지안 실험계획법의 기본 원리이다. 만일 사전적 정보가 존재하지 않는다면 무정보적 부적합 사전확률을 이용하여 실험을 설계할 수 있으며, 이는 비 베이지안적 접근방법과 일치하게 된다. 만일 모수나 예측값에 대한 사전적 정보가 존재하는 경우에는 베이지안 실험계획법이 유일한 해결 방법이다.
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참고문헌 (12)

  1. Berger, J. O. (1985). Statistical Decision Theory and Bayesian Analysis, Springer, New York. 

  2. Box, G. E. P. and Tiao, G. C.(1973). Bayesian Inference in Statistical Analysis, Addison-Wesley, Reading, MA. 

  3. Chaloner, K. and Larntz, K.(1989). Optimal Bayesian design applied to logistic regression experiments, Journal of Statistical Planning and Inference, 21, 191-208. 

  4. Chaloner, K. and Verdinellli, I.(1995). Bayesian experimental design: A review, Statistical Science, 10, 273-304. 

  5. Huan, X. and Marzouk, Y. M.(2013). Simulation-based optimal Bayesian experimental design for nonlinear systems, Journal of Computational Physics, 232, 288-317. 

  6. Lindley, D. V. (1972). Bayesian Statistics-A Review, SIAM, Philadelphia. 

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  8. Raiffa, H. and Schlaifer, R. (1961). Applied Statistical Decision Theory, Harvard Business School, Boston. 

  9. Shannon, C. E. (1948). A mathematical theory and communication, Bell System Technology Journal, 27, 379-423, 623-656. 

  10. Sun, D., Tsutakawa, R. K. and Lu, W. S. (1996). Bayesian design of experiment for quantal response: What is promised versus what is delivered, Journal of Statistical Planning and Inference, 52, 289-306. 

  11. Tanner, M. A. (1998). Tools for Statistical Inference: Methods for the Exploration of Posterior Distributions and Likelihood Functions, Springer, New York. 

  12. Tsutakawa, R. K. (1972). Design of experiment for bioassay, Journal of the American Statistical Association, 67, 584-590. 

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