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155 / GRAPHICAL MODEL LAB
먼저 알아두면 좋아요 · 연결된 선수 절의 조건부확률·Bayes 추론·유한 그래프·주변화
단원 목록 (600) · Energy와 Partition Function
이해하는 속도로 읽으세요.개념도이론실험확인 문제
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먼저 그림으로 이해하기

한 번에 한 단계씩 살펴보세요.

작은 Ising 모형의 에너지·정규화·기대값·엔트로피를 정확히 계산합니다.

Three-spin Ising triangle: E=−JΣedges si sj−hΣi si, J=1, h=0.3, temperature T=1. Relative weights are peak-scaled; partition Z is computed with the removed scale restored.

ABC
구조 그림입니다. 간선 길이는 의존 강도를 나타내지 않습니다. 주황 테두리는 관측 또는 조건화 표시입니다.
070.8660
가로: 세 부호 할당 번호 · 파랑: Boltzmann 질량 · 주황: 균등 기준 1/8
spinsenergyrelative Boltzmann weightprobability
-1,-1,-1-2.10.1650.136
1,-1,-11.30.0060.005
-1,1,-11.30.0060.005
1,1,-10.70.010.008
-1,-1,11.30.0060.005
1,-1,10.70.010.008
-1,1,10.70.010.008
1,1,1-3.910.825

log partition Z = 4.092

고정 기준 예제의 그림과 수치입니다. 각 단계에서 같은 그림의 의미를 차례로 살펴보세요. 고정된 기준 예제이며 아래 실험의 설정과 독립적입니다.
1 / 4

에너지

이 단원은 세 부호의 작은 모형입니다.

E=−JΣsi sj−hΣsi

실험에서 확인하기 →
이 단원 목차

에너지는 확률의 음의 로그 형태

세 부호 sᵢ∈{−1,1}가 삼각형으로 연결된 작은 모형을 생각합니다. 결합 J와 공통 field h로 에너지를 정의하고 온도 T>0에서 exp(−E/T)를 가중치로 사용합니다. 물리 단위를 생략한 이 예제는 kB=1인 무차원 관례입니다.

E(s)=−J(sAsB+sBsC+sCsA)−h(sA+sB+sC),p(s)=e−E(s)/T/Z.E(s)=-J(s_As_B+s_Bs_C+s_Cs_A)-h(s_A+s_B+s_C),\quad p(s)=e^{-E(s)/T}/Z.

모든 상태를 합한 Partition Function

세 이진 부호의 8개 상태를 열거해 Z=Σs exp(−E(s)/T)를 구합니다. J=h=0이면 모든 에너지가 0, Z=8, 각 확률은 1/8입니다. Z는 확률이 아니라 가중치 합이므로 1보다 커도 됩니다.

수치 계산은 로그 가중치의 최댓값 M을 빼서 상대 가중치를 만든 뒤 logZ=M+logΣexp(logw−M)로 배율을 복구합니다. 표의 relative weight를 그대로 더한 값은 원래 Z가 아닙니다.

낮은 온도와 대칭

J>0이면 이웃이 같은 방향인 상태를 선호합니다. h=0이면 모든 부호를 뒤집어도 에너지가 같아 평균 전체 부호는 정확히 0입니다. 낮은 온도에서는 +++와 --- 같은 최저 에너지 상태에 질량이 몰립니다. 평균 부호가 0이라고 모든 상태가 균등하다는 뜻은 아닙니다.

기대 에너지와 엔트로피

정규화한 확률로 E[E], E[Σs]를 구합니다. 로그 확률 −E/T−logZ를 평균하면 entropy=E[E]/T+logZ입니다. 단위는 nats입니다. 온도에 대한 미분이나 다른 모수에 대한 미분을 읽을 때 이 1/T 인자를 빼먹으면 안 됩니다.

H(p)=−∑sp(s)log⁡p(s)=E[E]/T+log⁡Z,∂log⁡Z∂h=E[∑isi]/T.H(p)=-\sum_s p(s)\log p(s)=E[E]/T+\log Z,\quad \frac{\partial\log Z}{\partial h}=E[\sum_i s_i]/T.

큰 에너지 모형의 학습으로 연결

정확한 Z는 상태 수에 지수적으로 많은 합일 수 있습니다. 에너지 기반 학습은 관측 상태의 점수뿐 아니라 이 정규화의 변화도 고려해야 합니다. 작은 8상태 모형에서 가능한 직접 열거를 대규모 신경 에너지 모형에서도 무료로 할 수 있다고 일반화하지 마세요. 근사 표집·변분법 등은 별도의 정확성과 혼합 조건을 갖습니다.

확인 문제와 해설

  1. logZ를 복구할 때 뺀 최댓값은? 다시 더합니다.
  2. h=0의 평균 부호는? 반전 대칭으로 0입니다.
  3. 낮은 온도가 모든 모형에서 단일 상태만 남긴다는 뜻인가요? 아니요. 최저 에너지 상태가 여러 개일 수 있습니다.

추가 읽기: Stanford CS228, Probabilistic Graphical Models.

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설명할 수 있나요?

실험 설정과 무관한 기준 예제를 묻습니다. 답을 고르고 설명을 확인해보세요.

1. 표의 가중치는 무엇인가요?
2. 온도가 낮아지면 어느 상태를 더 강조하나요?

선택한 답과 학습 표시는 이 브라우저에 저장됩니다. 다시 풀거나 표시를 해제할 수 있습니다.