Простое объяснение теоремы байеса. Формула полной вероятности

При выводе формулы полной вероятности предполагалось, что событие А , вероятность которого следовало определить, могло произойти с одним из событий Н 1 , Н 2 , ... , Н n , образующих полную группу попарно несовместных событий. При этом вероятности указанных событий (гипотез) были известны заранее. Предположим, что произведен эксперимент, в результате которого событие А наступило. Эта дополнительная информация позволяет произвести переоценку вероятностей гипотез Н i , вычислив Р(Н i /А).

или, воспользовавшись формулой полной вероятности, получим

Эту формулу называют формулой Байеса или теоремой гипотез. Формула Байеса позволяет «пересмотреть» вероятности гипотез после того, как становится известным результат опыта, в результате которого появилось событие А .

Вероятности Р(Н i) − это априорные вероятности гипотез (они вычислены до опыта). Вероятности же Р(Н i /А) − это апостериорные вероятности гипотез (они вычислены после опыта). Формула Байеса позволяет вычислить апостериорные вероятности по их априорным вероятностям и по условным вероятностям события А .

Пример . Известно, что 5 % всех мужчин и 0.25 % всех женщин дальтоники. Наугад выбранное лицо по номеру медицинской карточки страдает дальтонизмом. Какова вероятность того, что это мужчина?

Решение . Событие А – человек страдает дальтонизмом. Пространство элементарных событий для опыта – выбран человек по номеру медицинской карточки – Ω = {Н 1 , Н 2 } состоит из 2 событий:

Н 1 −выбран мужчина,

Н 2 −выбрана женщина.

Эти события могут быть выбраны в качестве гипотез.

По условию задачи (случайный выбор) вероятности этих событий одинаковые и равны Р(Н 1 ) = 0.5; Р(Н 2 ) = 0.5.

При этом условные вероятности того, что человек страдает дальтонизмом, равны соответственно:

Р(А/Н 1 ) = 0.05 = 1/20; Р(А/Н 2 ) = 0.0025 = 1/400.

Так как известно, что выбранный человек дальтоник, т. е. событие произошло, то используем формулу Байеса для переоценки первой гипотезы:

Пример. Имеются три одинаковых по виду ящика. В первом ящике 20 белых шаров, во втором – 10 белых и 10 черных, в третьем – 20 черных шаров. Из выбранного наугад ящика вынули белый шар. Вычислить вероятность того, что шар вынут из первого ящика.

Решение . Обозначим через А событие – появление белого шара. Можно сделать три предположения (гипотезы) о выборе ящика: Н 1 , Н 2 , Н 3 − выбор соответственно первого, второго и третьего ящика.

Так как выбор любого из ящиков равновозможен, то вероятности гипотез одинаковы:

Р(Н 1 )=Р(Н 2 )=Р(Н 3 )= 1/3.

По условию задачи вероятность извлечения белого шара из первого ящика

Вероятность извлечения белого шара из второго ящика

Вероятность извлечения белого шара из третьего ящика

Искомую вероятность находим по формуле Байеса:

Повторение испытаний. Формула Бернулли .

Проводится n испытаний, в каждом из которых событие А может произойти или не произойти, причем вероятность события А в каждом отдельном испытании постоянна, т.е. не меняется от опыта к опыту. Как найти вероятность события А в одном опыте мы уже знаем.

Представляет особый интерес вероятность появления определенного числа раз (m раз) события А в n опытах. подобные задачи решаются легко, если испытания являются независимыми.

Опр. Несколько испытаний называюся независимыми относительно события А , если вероятность события А в каждом из них не зависит от исходов других опытов.

Вероятность Р n (m) наступления события А ровно m раз (ненаступление n-m раз, событие ) в этих n испытаниях. Событие А появляется в самых разных последовательностях m раз).

- формулу Бернулли.

Очевидны следующие формулы:

Р n (mменее k раз в n испытаниях.

P n (m>k) = P n (k+1) + P n (k+2) +…+ P n (n) - вероятность наступления события А более k раз в n испытаниях.

Начнем с примера. В урне, стоящей перед вами, с равной вероятностью могут быть (1) два белых шара, (2) один белый и один черный, (3) два черных. Вы тащите шар, и он оказывается белым. Как теперь вы оцените вероятность этих трех вариантов (гипотез)? Очевидно, что вероятность гипотезы (3) с двумя черными шарами = 0. А вот как подсчитать вероятности двух оставшихся гипотез!? Это позволяет сделать формула Байеса, которая в нашем случае имеет вид (номер формулы соответствует номеру проверяемой гипотезы):

Скачать заметку в формате или

х – случайная величина (гипотеза), принимающая значения: х 1 – два белых, х 2 – один белый, один черный; х 3 – два черных; у – случайная величина (событие), принимающая значения: у 1 – вытащен белый шар и у 2 – вытащен чёрный шар; Р(х 1) – вероятность первой гипотезы до вытаскивания шара (априорная вероятность или вероятность до опыта) = 1/3; Р(х 2) – вероятность второй гипотезы до вытаскивания шара = 1/3; Р(х 3) – вероятность третьей гипотезы до вытаскивания шара = 1/3; Р(у 1 |х 1) – условная вероятность вытащить белый шар, в случае, если верна первая гипотеза (шары белые) = 1; Р(у 1 |х 2) – вероятность вытащить белый шар, в случае, если верна вторая гипотеза (один шар белый, второй – черный) = ½; Р(у 1 |х 3) – вероятность вытащить белый шар, в случае, если верна третья гипотеза (оба черных) = 0; Р(у 1) – вероятность вытащить белый шар = ½; Р(у 2) – вероятность вытащить черный шар = ½; и, наконец, то, что мы ищем – Р(х 1 |у 1) – вероятность того, что верна первая гипотеза (оба шара белых), при условии, что мы вытащили белый шар (апостериорная вероятность или вероятность после опыта); Р(х 2 |у 1) – вероятность того, что верна вторая гипотеза (один шар белый, второй – черный), при условии, что мы вытащили белый шар.

Вероятность того, что верна первая гипотеза (два белых), при условии, что мы вытащили белый шар :

Вероятность того, что верна вторая гипотеза (один белый, второй – черный), при условии, что мы вытащили белый шар :

Вероятность того, что верна третья гипотеза (два черных), при условии, что мы вытащили белый шар :

Что делает формула Байеса? Она дает возможность на основании априорных вероятностей гипотез – Р(х 1), Р(х 2) , Р(х 3) – и вероятностей наступления событий – Р(у 1), Р(у 2) – подсчитать апостериорные вероятности гипотез, например, вероятность первой гипотезы, при условии, что вытащили белый шар – Р(х 1 |у 1) .

Вернемся еще раз к формуле (1). Первоначальная вероятность первой гипотезы была Р(х 1) = 1/3. С вероятностью Р(у 1) = 1/2 мы могли вытащить белый шар, и с вероятностью Р(у 2) = 1/2 – черный. Мы вытащили белый. Вероятность вытащить белый при условии, что верна первая гипотеза Р(у 1 |х 1) = 1. Формула Байеса говорит, что так как вытащили белый, то вероятность первой гипотезы возросла до 2/3, вероятность второй гипотезы по-прежнему равна 1/3, а вероятность третьей гипотезы обратилась в ноль.

Легко проверить, что вытащи мы черный шар, апостериорные вероятности изменились бы симметрично: Р(х 1 |у 2) = 0, Р(х 2 |у 2) = 1/3, Р(х 3 |у 2) = 2/3.

Вот что писал Пьер Симон Лаплас о формуле Байеса в работе , вышедшей в 1814 г.:

Это основной принцип той отрасли анализа случайностей, которая занимается переходами от событий к причинам.

Почему формула Байеса так сложна для понимания!? На мой взгляд, потому, что наш обычный подход – это рассуждения от причин к следствиям. Например, если в урне 36 шаров из которых 6 черных, а остальные белые. Какова вероятность вытащить белый шар? Формула Байеса позволяет идти от событий к причинам (гипотезам). Если у нас было три гипотезы, и произошло событие, то как именно это событие (а не альтернативное) повлияло на первоначальные вероятности гипотез? Как изменились эти вероятности?

Я считаю, что формула Байеса не просто о вероятностях. Она изменяет парадигму восприятия. Каков ход мыслей при использовании детерминистской парадигмы? Если произошло событие, какова его причина? Если произошло ДТП, чрезвычайное происшествие, военный конфликт. Кто или что явилось их виной? Как думает байесовский наблюдатель? Какова структура реальности, приведшая в данном случае к такому-то проявлению… Байесовец понимает, что в ином случае результат мог быть иным…

Немного иначе разместим символы в формулах (1) и (2):

Давайте еще раз проговорим, что же мы видим. С равной исходной (априорной) вероятностью могла быть истинной одна из трех гипотез. С равной вероятностью мы могли вытащить белый или черный шар. Мы вытащили белый. В свете этой новой дополнительной информации следует пересмотреть нашу оценку гипотез. Формула Байеса позволяет это сделать численно. Априорная вероятность первой гипотезы (формула 7) была Р(х 1) , вытащили белый шар, апостериорная вероятность первой гипотезы стала Р(х 1 |у 1). Эти вероятности отличаются на коэффициент .

Событие у 1 называется свидетельством, в большей или меньшей степени подтверждающим или опровергающим гипотезу х 1 . Указанный коэффициент иногда называют мощностью свидетельства. Чем мощнее свидетельство (чем больше коэффициент отличается от единицы), тем больше факт наблюдения у 1 изменяет априорную вероятность, тем больше апостериорная вероятность отличается от априорной. Если свидетельство слабое (коэффициент ~ 1), апостериорная вероятность почти равна априорной.

Свидетельство у 1 в = 2 раза изменило априорную вероятность гипотезы х 1 (формула 4). В то же время свидетельство у 1 не изменило вероятность гипотезы х 2 , так как его мощность = 1 (формула 5).

В общем случае формула Байеса имеет следующий вид:

х – случайная величина (набор взаимоисключающих гипотез), принимающая значения: х 1 , х 2 , … , х n . у – случайная величина (набор взаимоисключающих событий), принимающая значения: у 1 , у 2 , … , у n . Формула Байеса позволяет найти апостериорную вероятность гипотезы х i при наступлении события y j . В числителе – произведение априорной вероятности гипотезы х i – Р(х i ) на вероятность наступления события y j , если верна гипотеза х i – Р(y j |х i ). В знаменателе – сумма произведений того же, что и в числителе, но для всех гипотез. Если вычислить знаменатель, то получим суммарную вероятность наступления события у j (если верна любая из гипотез) – Р(y j ) (как в формулах 1–3).

Еще раз о свидетельстве. Событие y j дает дополнительную информацию, что позволяет пересмотреть априорную вероятность гипотезы х i . Мощность свидетельства – – содержит в числителе вероятность наступления события y j , если верна гипотеза х i . В знаменателе – суммарная вероятность наступления события у j (или вероятность наступления события у j усредненная по всем гипотезам). у j выше для гипотезы x i , чем в среднем для всех гипотез, то свидетельство играет на руку гипотезе x i , увеличивая ее апостериорную вероятность Р(y j |х i ). Если вероятность наступления события у j ниже для гипотезы x i , чем в среднем для всех гипотез, то свидетельство понижает, апостериорную вероятность Р(y j |х i ) для гипотезы x i . Если вероятность наступления события у j для гипотезы x i такая же, как в среднем для всех гипотез, то свидетельство не изменяет апостериорную вероятность Р(y j |х i ) для гипотезы x i .

Предлагаю вашему вниманию несколько примеров, которые, надеюсь, закрепят ваше понимание формулы Байеса.

Задача 2. Два стрелка независимо друг от друга стреляют по одной и той же мишени, делая каждый по одному выстрелу. Вероятность попадания в мишень для первого стрелка равна 0,8, для второго - 0,4. После стрельбы в мишени обнаружена одна пробоина. Найти вероятность того, что эта пробоина принадлежит первому стрелку. .

Задача 3. Объект, за которым ведется наблюдение, может быть в одном из двух состояний: Н 1 = {функционирует} и Н 2 = {не функционирует}. Априорные вероятности этих состояний Р(Н 1) = 0,7, Р(Н 2) = 0,3. Имеется два источника информации, которые приносят разноречивые сведения о состоянии объекта; первый источник сообщает, что объект не функционирует, второй - что функционирует. Известно, что первый источник дает правильные сведения с вероятностью 0,9, а с вероятностью 0,1 - ошибочные. Второй источник менее надежен: он дает правильные сведения с вероятностью 0,7, а с вероятностью 0,3 - ошибочные. Найдите апостериорные вероятности гипотез. .

Задачи 1–3 взяты из учебника Е.С.Вентцель, Л.А.Овчаров. Теория вероятностей и ее инженерные приложения, раздел 2.6 Теорема гипотез (формула Байеса).

Задача 4 взята из книги , раздел 4.3 Теорема Байеса.

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ INFORMATION TECHNOLOGY, COMPUTER SCIENCE, AND MANAGEMENT

О применимости формулы Байеса

DOI 10.12737/16076

А. И. Долгов **

1Акционерное общество «Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи», г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

On applicability of Bayes" formula*** A. I. Dolgov1**

1«Design bureau on monitoring of control, navigation and communication systems» JSC, Rostov-on-Don, Russian Federation

Предметом данного исследования является формула Байеса. Цель настоящей работы - анализ и расширение области применения формулы. Первоочередной задачей представляется изучение публикаций, посвященных указанной проблеме, позволившее выявить недостатки применения формулы Байе-са, приводящие к некорректным результатам. Следующая задача - построение модификаций формулы Байеса, обеспечивающих учет различных одиночных свидетельств с получением корректных результатов. И, наконец, на примере конкретных исходных данных сравниваются некорректные результаты, получаемые с применением формулы Байеса, и корректные результаты, вычисляемые с помощью предлагаемых модификаций. При проведении исследования использованы два метода. Во-первых, проведен анализ принципов построения известных выражений, применяемых для записи формулы Байеса и ее модификаций. Во-вторых, выполнена сравнительная оценка результатов (в том числе количественная). Предлагаемые модификации обеспечивают более широкое применение формулы Байеса в теории и на практике, в том числе при решении прикладных задач.

Ключевые слова: условные вероятности, несовместные гипотезы, совместимые и несовместимые свидетельства, нормирование.

Bayes" formula is the research subject. The work objective is to analyze the formula application and widen the scope of its applicability. The first-priority problem includes the identification of the Bayes" formula disadvantages based on the study of the relevant publications leading to incorrect results. The next task is to construct the Bayes" formula modifications to provide an accounting of various single indications to obtain correct results. And finally, the incorrect results obtained with the application of Bayes" formula are compared to the correct results calculated with the use of the proposed formula modifications by the example of the specific initial data. Two methods are used in studies. First, the analysis of the principles of constructing the known expressions used to record the Bayesian formula and its modifications is conducted. Secondly, a comparative evaluation of the results (including the quantitative one) is performed. The proposed modifications provide a wider application of Bayes" formula both in theory and practice including the solution of the applied problems.

Keywords: conditional probabilities, inconsistent hypotheses, compatible and incompatible indications, normalizing.

Введение. Формула Байеса находит все более широкое применение в теории и практике , в том числе при решении прикладных задач с помощью вычислительной техники . Использование взаимно независимых вычислительных процедур позволяет особенно эффективно применять данную формулу при решении задач на многопроцессорных вычислительных системах , так как в этом случае параллельная реализация выполняется на уровне общей схемы, и при добавлении очередного алгоритма или класса задач нет необходимости повторно проводить работу по распараллеливанию.

Предметом данного исследования является применимость формулы Байеса для сравнительной оценки апостериорных условных вероятностей несовместных гипотез при различных одиночных свидетельствах. Как показывает анализ, в таких случаях сравниваются нормированные вероятности несовместных комбинированных событий, принадле-

S X <и ч и

IS eö И IS X X <и H

"Работа выполнена в рамках инициативной НИР.

**E-mail: [email protected]

""The research is done within the frame of the independent R&D.

жащих разным полным группам событий . При этом сравниваемые результаты оказываются неадекватными реальным статистическим данным. Это обусловлено следующими факторами:

Используется некорректное нормирование ;

Не принимается во внимание наличие или отсутствие пересечений учитываемых свидетельств.

С целью устранения обнаруженных недостатков выявляются случаи применимости формулы Байеса. Если же указанная формула неприменима, решается задача построения ее модификации, обеспечивающей учет различных одиночных свидетельств с получением корректных результатов. На примере конкретных исходных данных выполнена сравнительная оценка результатов:

Некорректных - получаемых с использованием формулы Байеса;

Корректных - вычисляемых с помощью предлагаемой модификации.

Исходные положения. В основу излагаемых далее утверждений положим принцип сохранения отношений вероятностей: «Корректная обработка вероятностей событий осуществима лишь при нормировании с применением одного общего нормирующего делителя, обеспечивающего равенство отношений нормированных вероятностей отношениям соответствующих им нормируемых вероятностей» . Данный принцип представляет субъективную основу теории вероятностей, однако не отражается должным образом в современной учебной и научно-технической литературе.

При нарушении указанного принципа искажаются сведения о степени возможности рассматриваемых событий. Получаемые на основе искаженных сведений результаты и принимаемые решения оказываются неадекватными реальным статистическим данным.

В предлагаемой статье будут использованы следующие понятия:

Элементарное событие - событие, не делимое на элементы;

Комбинированное событие - событие, представляющее то или иное сочетание элементарных событий;

Совместимые события - события, которые в одних случаях сравнительной оценки их вероятностей могут быть несовместными, а других случаях совместными;

Несовместимые события - события, которые во всех случаях являются несовместными.

Согласно теореме умножения вероятностей, вероятность Р (И ^Е) произведения элементарных событий И ^ и

Е вычисляется в виде произведения вероятностей Р(Ик Е) = Р(Е)Р(И^Е) . В связи с этим формула Байеса часто

записывается в виде Р(Ик\Е) =--- , описывающем определение апостериорных условных вероятностей

Р(И^Е) гипотез Ик (к = 1,...п) на основе нормирования априорных вероятностей Р(И^Е) учитываемых комбинированных несовместимых событий И к Е. Каждое из таких событий представляет произведение, сомножителями которого являются одна из рассматриваемых гипотез и одно учитываемое свидетельство. При этом все рассматривае-

мые события ИкЕ (к = 1,...п) образуют полную группу иИкЕ несовместимых комбинированных событий, в связи

с чем их вероятности Р(Ик Е) должны быть нормированы с учетом формулы полной вероятности , согласно кото-

рой Р(Е) = 2 Р(Ик)Р(Е\Ик). Поэтому формула Байеса чаще всего записывается в наиболее употребляемом виде:

Р(Ик) Р(ЕИк)

Р(Ик\Е) = -. (1)

^ кацией формулы Байеса.

й Анализ особенностей построения формулы Байеса, нацеленного на решение прикладных задач, а также примеры

«и ее практического применения позволяют сделать важный вывод относительно выбора полной группы сравниваемых по степени возможности комбинированных событий (каждое из которых является произведением двух элементарных событий - одной из гипотез и учитываемого свидетельства). Такой выбор осуществляется субъективно лицом, принимающим решение, на основе объективных исходных данных, присущих типовым условиям обстановки: виды и количество оцениваемых гипотез и конкретно учитываемое свидетельство.

Несравниваемые вероятности гипотез при одиночных несовместимых свидетельствах. Формула Байеса традиционно применяется в случае определения не сравниваемых по степени возможности апостериорных условных веро-

ятностей гипотез Н^ при одиночных несовместимых свидетельствах, каждое из которых может «появиться

только в комбинации с какой-либо из этих гипотез» . При этом выбираются полные группы и НкЕ, комбиниро-

ванных событий в виде произведений, сомножителями которых являются одно из свидетельств ц. (1=1,...,т) и одна

из п рассматриваемых гипотез.

Формула Байеса применяется для сравнительной оценки вероятностей комбинированных событий каждой такой полной группы, отличающейся от других полных групп не только учитываемым свидетельством е, но и в общем случае видами гипотез Н ^ и (или) их количеством п (см., например, )

РНкЫ = Р(Нк) Р(еН)

% Р(Нк) Р(Ег\Нк) к = 1

В частном случае при п = 2

РНк\Е,~ Р(Нк) Р(ЕН)

% Р(Нк) Р(Е,\Н к) к = 1

и получаемые результаты являются правильными, ввиду соблюдения принципа сохранения отношений вероятностей:

Р(Н1Е,) _ Р(Н 1)Р(Е,\Н1) / Р(Н2) Р(Е,\Н2) = Р(Н 1) Р(Е,\Н1)

Р(Н 2= % РШ1!) РЕ,\Н0 % ^) РЕ,\Н) " Р(Н 2> 2>"

Субъективность выбора полной группы сравниваемых по степени возможности комбинированных событий (с

теми или иными изменяемыми элементарными событиями) позволяет выбрать полную группу событий и Нк Е ■ с

отрицанием элементарного события Е ■ () и записать формулу Байеса (1 = 1,.. .,т) так:

Р(Нк\Е) -=-РНШ±.

% Р(Нк)Р(Е,Нк)

Такая формула также применима и дает возможность получить правильные результаты, если вычисляемые к

нормированные вероятности сравниваются при различных рассматриваемых гипотезах, но не при различных свиде- ^

тельствах. ¡^

Сравниваемые вероятности гипотез при одиночных несовместимых свидетельствах. Судя по известным публи- ^

няется для сравнительной оценки апостериорных условных вероятностей гипотез при различных одиночных свиде- ^

тельствах. При этом не уделяется внимание следующему факту. В указанных случаях сравниваются нормируемые ^ вероятности несовместных (несовместимых) комбинированных событий, принадлежащих разным полным группам н событий. Однако в данном случае формула Байеса неприменима, так как сравниваются не входящие в одну полную § группу комбинированные события, нормирование вероятностей которых осуществляется с использованием разных л нормирующих делителей. Нормированные вероятности несовместных (несовместимых) комбинированных событий можно сравнивать только в том случае, если они принадлежат одной и той же полной группе событий и нормированы ¡3 с использованием общего делителя, равного сумме вероятностей всех нормируемых событий, входящих в полную §

В общем случае в качестве несовместимых свидетельств могут рассматриваться:

Два свидетельства (например, свидетельство и его отрицание); ^

Три свидетельства (к примеру, в игровой ситуации выигрыш, проигрыш и ничья); ^

Четыре свидетельства (в частности, в спорте выигрыш, проигрыш, ничья и переигровка) и т. д. ^

Рассмотрим довольно простой пример (соответствующий примеру, приведенному в ) применения формулы ^ Байеса для определения апостериорных условных вероятностей гипотезы Н ^ при двух несовместимых событиях в

виде свидетельства Л]- и его отрицания Л]

Р(Н,к) - ^ . ^ Р(А^к» , (2)

] Е Р(Нк> Р(А]\вк> к - 1

■ _ Р(НкА ]) Р(Нк> Р(А ]\нк>

Р(Н,\А,) ----к-]-. (3)

V к\Л]> Р(А > п

] Е Р(Нк) Р(А]\Нк) к -1

В случаях (2) и (3) субъективно выбранными полными группами сравниваемых по степени возможности ком-

бинированных событий являются соответственно множества и Н к А и и Н к А. Это тот случай, когда формула

к-1 к ] к-1 к ]

Байеса неприменима, т. к. нарушен принцип сохранения отношений вероятностей - не соблюдается равенство отношений нормированных вероятностей отношениям соответствующих им нормируемых вероятностей:

Р(Н к А]] Р(Нк) Р(А]\Нк) / Р(Нк) Р(А]\Нк) Р(Нк) Р(А] Нк)

Р(Нк Е Р(Нк) Р(А]\Нк)/ Е Р(Нк) Р(А]\Нк) Р(Нк) Р(А] Нк)

к - 1 /к - 1 Согласно принципу сохранения отношений вероятностей, корректная обработка вероятностей событий осуществима лишь при нормировании с применением одного общего нормирующего делителя, равного сумме всех сравниваемых нормируемых выражений. Поэтому

Е Р(Нк)Р(А]\Нк) + Е Р(Нк)Р(А]\Нк) - Е Р(Нк)[Р(А]\Нк) + Р(Нк) Р(А]\Нк)] - ЕР(Нк) - 1. к -1 к -1 к -1 к -1

Таким образом, обнаруживается тот факт, что существуют разновидности формулы Байеса, отличающиеся от

известных отсутствием нормирующего делителя:

А,) - Р(Н) Р(А]\Нк), Р(Нк А,) - Р(Н) Р(А, Н к). (4)

J к I ■> к

При этом соблюдается равенство отношений нормированных вероятностей отношениям соответствующих им нормируемых вероятностей:

т^А^ Р(Нк) Р(А]\Нк)

А,) Р(Н к) Р(А,Нк)

На основе субъективного выбора нетрадиционно записываемых полных групп несовместных комбинированных событий можно увеличить количество модификаций формулы Байеса, включающих свидетельства, а также то или иное количество их отрицаний. Например, наиболее полной группе комбинированных событий

и и Нк /"./ ^ и и Нк Ё\ соответствует (с учетом отсутствия нормирующего делителя) модификация формула; =1 А"=1 ; =1 лы Байеса

Р(Нк\~) - Р(Н к) ПЁ^^^

где элементарное событие в виде свидетельства Е\ е II II / "/ является одним из элементов указанного множе-

о При отсутствии отрицаний свидетельств, то есть при Ё\ = // е и /"./,

^ Р(Н\Е) Р(Нк) Р(Е,\Нк)

Е Р(Нк) Р(Е\Нк) к - 1

Таким образом, модификация формулы Байеса, предназначенная для определения сравниваемых по степени возможности условных вероятностей гипотез при одиночных несовместимых свидетельствах выглядит следующим образом. В числителе содержится нормируемая вероятность одного из комбинированных несовместных событий, об-110 разующих полную группу, выраженную в виде произведения априорных вероятностей, а в знаменателе - сумма всех

нормируемых вероятностей. При этом соблюдается принцип сохранения отношений вероятностей - и получаемый результат является правильным.

Вероятности гипотез при одиночных совместимых свидетельствах. Формулы Байеса традиционно применяются для определения сравниваемых по степени возможности апостериорных условных вероятностей гипотез Нк (к = 1,...,п) при одном из нескольких рассматриваемых совместимых свидетельств ЕЛ (1 = 1,...,т). В частности (см.,

например, и ), при определении апостериорных условных вероятностей Р(Н 1Е^) и Р(Н 1 Е2) при каждом из двух совместимых свидетельств Е1 и Е2 употребляются формулы вида:

P(H 1) PE\H1) P(Hj) P(E2Hj) P(H J E1) = --1-и P(H J E 2) =--1-. (5)

I P(Hk) PE\Hk) I P(Hk) P(E2 Hk)

k = 1 k = 1 Необходимо учесть, что это еще один случай, когда формула Байеса неприменима. Причем в данном случае должны быть устранены два недостатка:

Проиллюстрированное нормирование вероятностей комбинированных событий некорректно, ввиду принадлежности разным полным группам рассматриваемых событий ;

В символических записях комбинированных событий HkEx и HkE2 не находит отражения тот факт, что учитываемые свидетельства E х и E 2 являются совместимыми.

Для устранения последнего недостатка может быть использована более развернутая запись комбинированных событий с учетом того, что совместимые свидетельства E1 и E2 в одних случаях могут быть несовместными, а в других совместными:

HkE1 = HkE1 E2 и HkE2 = HkE 1E2+HkE1 E2, где E1 и E 2 являются свидетельствами, противоположными E1 и E 2.

Очевидно, что в таких случаях произведение событий Hk E1E2 учитывается дважды. Кроме того, оно может быть учтено еще раз отдельно, однако этого не происходит. Дело в том, что в рассматриваемой ситуации на оцениваемую обстановку влияют три вероятных несовместимых комбинированных события: HkE1E2, HkE 1E2 и

Hk E1E2. При этом для лица, принимающего решение, представляет интерес оценка по степени возможности лишь

двух несовместимых комбинированных событий: HkE1 E2 и HkE 1E2, что соответствует рассмотрению только g

одиночных свидетельств. ¡Ц

Таким образом, при построении модификации формулы Байеса для определения апостериорных условных ве- ¡^

роятностей гипотез при одиночных совместимых свидетельствах необходимо исходить из следующего. Лицо, прини- ^

мающее решение, интересует, какое именно элементарное событие, представленное тем или иным свидетельством из

числа рассматриваемых, реально произошло в конкретных условиях. Если происходит другое элементарное событие в К

виде одиночного свидетельства, требуется пересмотр решения, обусловленного результатами сравнительной оценки н

апостериорных условных вероятностей гипотез с непременным учетом других условий, влияющих на реальную об- щ

становку. 3

Введем следующее обозначение: HkE- для одного (и только одного) несовместимого комбинированного со- ^

бытия, состоящего в том, что из m > 1 рассматриваемых элементарных событий Ei (i = 1,...,m) совместно с гипотезой «

Hk произошло одно элементарное событие Ex и не произошли другие элементарные события. се"

В наиболее простом случае рассматриваются два одиночных несовместимых свидетельства. Если подтвер-

ждается одно из них, условная вероятность свидетельства в общем виде выражается формулой л

P(Hk E-) = P(Ei\Hk) -P(EjE^Hk) = P(Ei\Hk) -P(M^Hk)P(M^Hk) , i = 1, -2 (6) g

В справедливости формулы можно наглядно убедиться (рис. 1).

Рис. 1. Геометрическая интерпретация вычисления Р(Нк Е-) при / = 1,...,2 При условно независимых свидетельствах

Р(К1К2\Нк) = р(Е\Нк)Р(Е2\Нк),

поэтому с учетом (6)

Р(Нк Е-) = РЕ Нк) - Р(Е1 Нк) Р(Е21Нк) , = 1,.,2. (7)

Аналогично вероятность Р(НкЕ-) одного из трех (/ = 1,...,3) несовместимых событий НкЕ^ выражается формулой

Например, при i = 1:

p(HkEl) = P(Ei\Hk)-[ S P(Ei\Hk)P(Ej\Hk) ] + P(EiE2E3Hk)

p(HkE-) = P(E7|Hk)- P(E]E^Hk)- P(E7EjHk) + P(E]E2E3\Hk)

Справедливость данной формулы наглядно подтверждает геометрическая интерпретация, представленная на

Рис. 2. Геометрическая интерпретация вычисления Р(Нк Е-) при / = 1,...,3

Методом математической индукции можно доказать общую формулу для вероятности Р(Нк Е-) при любом количестве свидетельств е, 0=1,...,т):

Р(НкЕ-) = Р(Е,Нк)- т РЕ\Нк) Р(Е]\Нк) + 1 Р(Е\Нк) Р(Е]\Нк) Р(Е^Нк) +■■■ + (-1)

] = 1(] * 0 ],1 * 1

Используя теорему умножения вероятностей, запишем условную вероятность Р(НкЕ~-) в двух формах:

^ из которых следует, что

P(Hk E -) = P(H k) P(E-|Hk) = P(E-) P(Hk

E-)= P(HkE-) "" P(E-)

С использованием формулы полной вероятности P(Ei) = S P(H£) P(Ei Hk) получается, что

Е-) = Р(НкЕТ)

2 Р(НкЕ-) к = 1

Подставив в полученную формулу выражения для Р(НкЕ-) в виде правой части (8), получим окончательный вид формулы для определения апостериорных условных вероятностей гипотез Н^ (к = 1,.. .,п) при одном из нескольких рассматриваемых несовместимых одиночных свидетельств: (Е ^ \Нк)

Р(Нк)[Р(Е,\Нк) - 2 Р(Е,\Нк) Р(Ер к) +...+ (-1)т-1 Р(П Р(Ерк)] Р(Н, Е~) =-] = 1(] * ■----(9)

к 1 п т т т

2 Р(Н к) 2 [Р(Е,\Н к) - 2 Р(ЕгНк) Р(Е^Нк) + ...+ (-1)т-1 Р(П Р (Ер к)]

к=1 , = 1 } = 1(} *,) ■! =1

Сравнительные оценки. Рассматриваются довольно простые, но наглядные примеры, ограничивающиеся анализом вычисляемых апостериорных условных вероятностей одной из двух гипотез при двух одиночных свидетельствах. 1. Вероятности гипотез при несовместимых одиночных свидетельствах. Сравним результаты, получаемые с применением формул Байеса (2) и (3), на примере двух свидетельств Л. = Л и Л. = Л при исходных данных:

Р(Н1 = 0,7; Р(Н2) = 0,3; Р(Л| Н^ = 0,1; Р(Л\н 1) = 0,9; Р(Л\Н2) = 0,6; Р(Л\Н2) = 0,4. В рассматриваемых примерах с гипотезой Н1 традиционные формулы (2) и (3) приводят к следующим результатам:

Р(Н.) Р(А\Но 0 07

Р(Н, Л) =-- 11 = - = 0,28,

2 Р(Н к) Р(А\Нк) к = 1

Р(Н Л Р(А\Н 1) 0 63

Р(Н, Л) =-- 11 = - = 0,84,

2 Р(Нк) Р(А\Нк) к = 1

ормирующих делит Р(Н 1 Л) = Р(Н^ Р(Л\Нр = 0,07; Р(Н^ А) = Р(Н1) Р(л|Н^ = 0,63. 1ения предлагаемых формул отно:

Р<Н)Р(АНА-Р(А|Н1) _ 0,07

а при предлагаемых формулах (4), не имеющих нормирующих делителей: «и

Таким образом, в случае применения предлагаемых формул отношение нормируемых вероятностей равно от- й ношению нормированных вероятностей: К

гт ж Р(Н 1) Р(А\Н 1) А11 |

При использовании известных формул при таком же отношении -;-=-= 0,11 нормируемых веро- н

Р(Н 1) Р(А\Н 1) «§

ятностей, указанных в числителях, отношение получаемых нормированных вероятностей: 2

Р(Н 1) Р(А\Н 1) Р(А\Н 1) 0,63

Р(Н1 Л) = 0,28 Р(Н 1 Л) = 0,84

То есть принцип сохранения отношений вероятностей не соблюдается, и получаются неверные результаты. При этом £

в случае применения известных формул значение относительного отклонения отношения (11) апостериорных услов- и ных вероятностей гипотез от корректных результатов (10) оказывается весьма существенным, так как составляет

°,33 - °,П х 100 = 242%.. I

2. Вероятности гипотез при совместимых одиночных свидетельствах. Сравним результаты, получаемые с приме- д нением формул Байеса (5) и построенной корректной модификации (9), используя следующие исходные данные: ^

Р(Н1 = 0,7; Р(Н2) = 0,3; Р(Е1Н1) = 0,4; Р(Е2Н1) = 0,8; Р(Е1\Н2) = 0,7; Р(Е^Н2) = 0,2. 113

В рассматриваемых примерах с гипотезой H 2 в случае использования традиционных формул (5):

P(H 2) P(E1 H 2) Q, 21

P(H 2 E1) =-2-!-2- = - = Q,429,

I p(Hk) p(El Hk) k = 1

P(H 2) P(E 2 H 2) Q,Q6

P(H 2 E 2) =-2-- = - = 0,097.

I P(Hk) P(E 2 Hk) k = 1

В случае же применения предлагаемой формулы (9) с учетом (7) P(H

P(H2) 0,168

E.) ----- 0,291,

Z P(Hk) Z "

P(H2) 0,018

E0) ----- 0,031.

Z P(Hk) Z k - 1 i - 1

При использовании предлагаемых корректных формул, ввиду одинаковых знаменателей, отношение P(H2) -

Нормируемых вероятностей, указываемых в числителях, равно отношению

P(H2)

нормированных вероятностей:

То есть принцип сохранения отношений вероятностей соблюдается.

Однако в случае применения известных формул при отношении указанных в числителях нормируемых вероятностей

Р(Н 2) Р(Е1\Н 2) _ 0,21 _3 5 Р(Н 2)Р(Е 2 Н 2) 0,06 ,

отношение нормированных вероятностей:

Р(Н 2 = 0.429 = 4,423. (13)

Р(Н 2 \е2) 0,097

То есть принцип сохранения отношений вероятностей, как и прежде, не соблюдается. При этом в случае применения известных формул значение относительного отклонения отношения (13) апостериорных условных вероятностей гипотез от корректных результатов (12) также оказывается весьма существенным:

9,387 4,423 х 100 = 52,9%.

Заключение. Анализ построения конкретных формульных соотношений, реализующих формулу Байеса и ее модификации, предлагаемые для решения практических задач, позволяют утверждать следующее. Полная группа сравнивае-2 мых по степени возможности комбинированных событий может выбираться субъективно лицом, принимающим решение. Данный выбор основывается на учитываемых объективных исходных данных, характерных для типовой об-й становки (конкретные виды и количество элементарных событий - оцениваемых гипотез и свидетельств). Представ--о ляет практический интерес субъективный выбор других вариантов полной группы сравниваемых по степени возмож-

ности комбинированных событий - таким образом обеспечивается существенное разнообразие формульных соотношений при построении нетрадиционных вариантов модификаций формулы Байеса. На этом, в свою очередь, может ^ основываться совершенствование математического обеспечения программной реализации, а также расширение области применения новых формульных соотношений для решения прикладных задач.

Библиографический список

1. Gnedenko, B. V. An elementary introduction to the theory of probability / B. V. Gnedenko, A. Ya. Khinchin. - 114 New York: Dover Publications, 1962. - 144 р.

2. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей / Е. С. Вентцель. - 10-е изд., стер. - Москва: Высшая школа, 2006. - 575 с.

3. Андронов. А. М., Теория вероятностей и математическая статистика / А. М. Андронов, Е. А. Копытов, Л. Я. Гринглаз. - Санкт-Петербург: Питер, 2004. - 481 с.

4. Змитрович, А. И. Интеллектуальные информационные системы / А. И. Змитрович. - Минск: ТетраСи-стемс, 1997. - 496 с.

5. Черноруцкий, И. Г. Методы принятия решений / И. Г. Черноруцкий. - Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2005. - 416 с.

6. Naylor, C.-M. Build Your Own Expert System / C.-M. Naylor. - Chichester: John Wiley & Sons, 1987. - 289 p.

7. Романов, В. П. Интеллектуальные информационные системы в экономике / В. П. Романов. - 2-е изд., стер.

Москва: Экзамен, 2007. - 496 с.

8. Экономическая эффективность и конкурентоспособность / Д. Ю. Муромцев [и др.]. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007.- 96 с.

9. Долгов, А. И. Корректные модификации формулы Байеса для параллельного программирования / А. И. Долгов // Суперкомпьютерные технологии: мат-лы 3-й всерос. науч-техн. конф. - Ростов-на-Дону. - 2014.- Т. 1 - С. 122-126.

10. Долгов, А. И. О корректности модификаций формулы Байеса / А. И. Долгов // Вестник Дон. гос. техн. ун-та.

2014. - Т. 14, № 3 (78). - С. 13-20.

1. Gnedenko, B.V., Khinchin, A.Ya. An elementary introduction to the theory of probability. New York: Dover Publications, 1962, 144 р.

2. Ventsel, E.S. Teoriya veroyatnostey. 10th ed., reimpr. Moscow: Vysshaya shkola, 2006, 575 p. (in Russian).

3. Andronov, А.М., Kopytov, E.A., Gringlaz, L.Y. Teoriya veroyatnostey i matematicheskaya statistika. St.Petersburg: Piter, 2004, 481 p. (in Russian).

4. Zmitrovich, А.1. Intellektual"nye informatsionnye sistemy. Minsk: TetraSistems, 1997, 496 p. (in Russian).

5. Chernorutskiy, I.G. Metody prinyatiya resheniy. St.Petersburg: BKhV-Peterburg, 2005, 416 p. (in Russian).

6. Naylor, C.-M. Build Your Own Expert System. Chichester: John Wiley & Sons, 1987, 289 p.

7. Romanov, V.P. Intellektual"nye informatsionnye sistemy v ekonomike. 2nd ed., reimpr. Moscow: Ekzamen, 2007, 496 p. (in Russian).

8. Muromtsev, D.Y., et al. Ekonomicheskaya effektivnost" i konkurentosposobnost". Tambov: Izd-vo Tamb. gos. tekhn. un-ta, 2007, 96 p. (in Russian). IB

9. Dolgov, А1. Korrektnye modifikatsii formuly Bayesa dlya parallel"nogo programmirovaniya. Superkomp"yuternye tekhnologii: mat-ly 3-y vseros. nauch-tekhn. konf. Rostov-on-Don, 2014, vol. 1, pp. 122-126 (in Russian). ^

10. Dolgov, А1. O korrektnosti modifikatsiy formuly Bayesa. ^ Vestnik of DSTU, 2014, vol. 14, no. 3 (78), pp. 13-20 (in Russian). *

Кто такой Байес? и какое отношение он имеет к менеджменту? – может последовать вполне справедливый вопрос. Пока поверьте мне на слово: это очень важно!.. и интересно (по крайней мере, мне).

В какой парадигме действуют большинство менеджеров: если я наблюдаю нечто, какие выводы могу из этого сделать? Чему учит Байес: что должно быть на самом деле, чтобы мне довелось наблюдать это нечто? Именно так развиваются все науки, и об этом пишет (цитирую по памяти): человек, у которого нет в голове теории, будет шарахаться от одной идеи к другой под воздействием различных событий (наблюдений). Не даром говорят: нет ничего более практичного, чем хорошая теория.

Пример из практики. Мой подчиненный совершает ошибку, и мой коллега (руководитель другого отдела) говорит, что надо бы оказать управленческое воздействие на нерадивого сотрудника (проще говоря, наказать/обругать). А я знаю, что этот сотрудник делает 4–5 тысяч однотипных операций в месяц, и совершает за это время не более 10 ошибок. Чувствуете различие в парадигме? Мой коллега реагирует на наблюдение, а я обладаю априорным знанием, что сотрудник допускает некоторое количество ошибок, так что еще одна не повлияла на это знание… Вот если по итогам месяца окажется, что таких ошибок, например, 15!.. Это уже станет поводом для изучения причин несоответствия стандартам.

Убедил в важности Байесовского подхода? Заинтриговал? Надеюсь, что «да». А теперь ложка дегтя. К сожалению, идеи Байеса редко даются с первого захода. Мне откровенно не повезло, так как я знакомился с этими идеями по популярной литературе, после прочтения которой оставалось много вопросов. Планируя написать заметку, я собрал всё, что ранее конспектировал по Байесу, а также изучил, что пишут в Интернете. Предлагаю вашему вниманию мое лучшее предположение на тему Введение в Байесовскую вероятность .

Вывод теоремы Байеса

Рассмотрим следующий эксперимент: мы называем любое число лежащее на отрезке и фиксируем, когда это число будет, например, между 0,1 и 0,4 (рис. 1а). Вероятность этого события равна отношению длины отрезка к общей длине отрезка , при условии, что появления чисел на отрезке равновероятны . Математически это можно записать p (0,1 <= x <= 0,4) = 0,3, или кратко р (X ) = 0,3, где р – вероятность, х – случайная величина в диапазоне , Х – случайная величина в диапазоне . То есть, вероятность попадания в отрезок равна 30%.

Рис. 1. Графическая интерпретация вероятностей

Теперь рассмотрим квадрат x (рис. 1б). Допустим, мы должны называть пары чисел (x , y ), каждое из которых больше нуля и меньше единицы. Вероятность того, что x (первое число) будет в пределах отрезка (синяя область 1), равна отношению площади синей области к площади всего квадрата, то есть (0,4 – 0,1) * (1 – 0) / (1 * 1) = 0,3, то есть те же 30%. Вероятность того, что y находится внутри отрезка (зеленая область 2) равна отношению площади зеленой области к площади всего квадрата p (0,5 <= y <= 0,7) = 0,2, или кратко р (Y ) = 0,2.

Что можно узнать о значениях одновременно x и y . Например, какова вероятность того, что одновременно x и y находятся в соответствующих заданных отрезках? Для этого надо посчитать отношение площади области 3 (пересечения зеленой и синей полос) к площади всего квадрата: p (X , Y ) = (0,4 – 0,1) * (0,7 – 0,5) / (1 * 1) = 0,06.

А теперь допустим мы хотим знать какова вероятность того, что y находится в интервале , если x уже находится в интервале . То есть фактически у нас есть фильтр и когда мы называем пары (x , y ), то мы сразу отбрасывает те пары, которые не удовлетворяют условию нахождения x в заданном интервале, а потом из отфильтрованных пар мы считаем те, для которых y удовлетворяет нашему условию и считаем вероятность как отношение количества пар, для которых y лежит в вышеупомянутом отрезке к общему количеству отфильтрованных пар (то есть для которых x лежит в отрезке ). Мы можем записать эту вероятность как p (Y |X у х попал в диапазоне ». Очевидно, что эта вероятность равна отношению площади области 3 к площади синей области 1. Площадь области 3 равна (0,4 – 0,1) * (0,7 – 0,5) = 0,06, а площадь синей области 1 (0,4 – 0,1) * (1 – 0) = 0,3, тогда их отношение равно 0,06 / 0,3 = 0,2. Другими словами, вероятность нахождения y на отрезке при условии, что x принадлежит отрезку p (Y |X ) = 0,2.

В предыдущем абзаце мы фактически сформулировали тождество: p (Y |X ) = p (X , Y ) / p(X ). Читается: «вероятность попадания у в диапазон , при условии, что х попал в диапазон , равна отношению вероятности одновременного попадания х в диапазон и у в диапазон , к вероятности попадания х в диапазон ».

По аналогии рассмотрим вероятность p (X |Y ). Мы называем пары (x , y ) и фильтруем те, для которых y лежит между 0,5 и 0,7, тогда вероятность того, что x находится в отрезке при условии, что y принадлежит отрезку равна отношению площади области 3 к площади зеленой области 2: p (X |Y ) = p (X , Y ) / p (Y ).

Заметим, что вероятности p (X , Y ) и p (Y, Х ) равны, и обе равны отношению площади зоны 3 к площади всего квадрата, а вот вероятности p (Y |X ) и p (X |Y ) не равны; при этом вероятность p (Y |X ) равна отношению площади области 3 к области 1, а p (X |Y ) – области 3 к области 2. Заметим также, что p (X , Y ) часто обозначают как p (X &Y ).

Итак, мы ввели два определения: p (Y |X ) = p (X , Y ) / p(X ) и p (X |Y ) = p (X , Y ) / p (Y )

Перепишем эти равенства виде: p (X , Y ) = p (Y |X ) * p(X ) и p (X , Y ) = p (X |Y ) * p (Y )

Поскольку левые части равны, равны и правые: p (Y |X ) * p(X ) = p (X |Y ) * p (Y )

Или мы можем переписать последнее равенство в виде:

Это и есть теорема Байеса!

Неужели столь несложные (почти тавтологические) преобразования рождают великую теорему!? Не спешите с выводами. Давайте еще раз проговорим, что же мы получили. Имелась некая исходная (априорная) вероятность р (Х), того, что случайная величина х равномерно распределенная на отрезке попадает в диапазон Х . Произошло некое событие Y , в результате которого мы получили апостериорную вероятность той же самой случайной величины х : р (Х|Y), и эта вероятность отличается от р (Х) на коэффициент . Событие Y называется свидетельством, в большей или меньшей степени подтверждающим или опровергающим Х . Указанный коэффициент иногда называют мощностью свидетельства . Чем мощнее свидетельство, тем больше факт наблюдения Y изменяет априорную вероятность, тем больше апостериорная вероятность отличается от априорной. Если свидетельство слабое, апостериорная вероятность почти равна априорной.

Формула Байеса для дискретных случайных величин

В предыдущем разделе мы вывели формулу Байеса для непрерывных случайных величин х и y, определенных на отрезке . Рассмотрим пример с дискретными случайными величинами, принимающими каждая по два возможных значения. В ходе проведения плановых медицинских осмотров установлено, что в сорокалетнем возрасте 1% женщин болеет раком молочной железы. 80% женщин больных раком получают положительные результаты маммографии. 9,6% здоровых женщин также получают положительные результаты маммографии. В ходе проведения осмотра женщина данной возрастной группы получила положительный результат маммографии. Какова вероятность того, что у неё на самом деле рак молочной железы?

Ход рассуждений/вычислений следующий. Из 1% больных раком маммография даст 80% положительных результатов = 1%*80% = 0,8%. Из 99% здоровых женщин маммография даст 9,6% положительных результатов = 99%*9,6% = 9,504%. Итого из 10,304% (9,504% + 0,8%) с положительными результатами маммографии, только 0,8% больных, а остальные 9,504% здоровых. Таким образом, вероятность того, что при положительном результате маммографии женщина больна раком составляет 0,8%/10,304% = 7,764%. А вы думали, что 80% или около того?

В нашем примере формула Байеса принимает следующий вид:

Давайте еще раз проговорим «физический» смысл этой формулы. Х – случайная величина (диагноз), принимающая значения: Х 1 – болен и Х 2 – здоров; Y – случайная величина (результат измерения –маммографии), принимающая значения: Y 1 – положительный результат и Y 2 – отрицательный результат; р(Х 1) – вероятность болезни до проведения маммографии (априорная вероятность), равная 1%; р(Y 1 |X 1 ) – вероятность положительного результата в случае, если пациентка больна (условная вероятность, так как она должна быть задана в условиях задачи), равная 80%; р(Y 1 |X 2 ) – вероятность положительного результата в случае, если пациентка здорова (также условная вероятность), равная 9,6%; р(Х 2) – вероятность того, что пациентка здорова до проведения маммографии (априорная вероятность), равная 99%; р(Х 1 |Y 1 ) – вероятность того, что пациентка больна, при условии положительного результата маммографии (апостериорная вероятность).

Видно, что апостериорная вероятность (то, что мы ищем) пропорциональна априорной вероятности (исходной) с несколько более сложным коэффициентом . Подчеркну еще раз. На мой взгляд, это фундаментальный аспект Байесовского подхода. Измерение (Y ) добавило некоторое количество информации к первоначально имевшейся (априорной), что уточнило наше знание об объекте.

Примеры

Для закрепления пройденного материала попробуйте решить несколько задач.

Пример 1. Имеется 3 урны; в первой 3 белых шара и 1 черный; во второй - 2 белых шара и 3 черных; в третьей - 3 белых шара. Некто подходит наугад к одной из урн и вынимает из нее 1 шар. Этот шар оказался белым. Найдите апостериорные вероятности того, что шар вынут из 1-й, 2-й, 3-й урны.

Решение. У нас есть три гипотезы: Н 1 = {выбрана первая урна), Н 2 = {выбрана вторая урна}, Н 3 = {выбрана третья урна}. Так как урна выбирается наугад, то априорные вероятности гипотез равны: Р(Н 1) = Р(Н 2) = Р(Н 3) = 1/3.

В результате опыта появилось событие А = {из выбранной урны вынут белый шар}. Условные вероятности события А при гипотезах Н 1 , Н 2 , Н 3: Р(A|Н 1) = 3/4, Р(A|Н 2) = 2/5, Р(A|Н 3) = 1. Например, первое равенство читается так: «вероятность вынуть белый шар, если выбрана первая урна равна 3/4 (так как всего шаров в первой урне 4, а белых из них – 3)».

Применяя формулу Бейеса, находим апостериорные вероятности гипотез:

Таким образом, в свете информации о появлении события А вероятности гипотез изменились: наиболее вероятной стала гипотеза Н 3 , наименее вероятной - гипотеза Н 2 .

Пример 2. Два стрелка независимо друг от друга стреляют по одной и той же мишени, делая каждый по одному выстрелу. Вероятность попадания в мишень для первого стрелка равна 0,8, для второго - 0,4. После стрельбы в мишени обнаружена одна пробоина. Найти вероятность того, что эта пробоина принадлежит первому стрелку (Исход {обе пробоины совпали} отбрасываем, как ничтожно маловероятный).

Решение. До опыта возможны следующие гипотезы: Н 1 = {ни первый, ни второй стрелки не попадут}, Н 2 = {оба стрелка попадут}, H 3 - {первый стрелок попадет, а второй - нет}, H 4 = {первый стрелок не попадет, а второй попадет). Априорные вероятности гипотез:

Р(H 1) = 0,2*0,6 = 0,12; Р(H 2) = 0,8*0,4 = 0,32; Р (H 3) = 0,8*0,6 = 0,48; Р(H 4) = 0,2*0,4 = 0,08.

Условные вероятности наблюденного события А = {в мишени одна пробоина} при этих гипотезах равны: P(A|H 1) = P(A|H 2) = 0; P(A|H 3) = P(A|H 4) = 1

После опыта гипотезы H 1 и H 2 становятся невозможными, а апостериорные вероятности гипотез H 3 , и H 4 по формуле Бейеса будут:

Байес против спама

Формула Байеса нашла широкое применение в разработке спам-фильтров. Предположим, вы хотите обучить компьютер определять, какие из писем являются спамом. Будем исходить из словаря и словосочетаний, используя байесовские оценки. Создадим вначале пространство гипотез. Пусть относительно любого письма у нас есть 2 гипотезы: H A – это спам, H B – это не спам, а нормальное, нужное, письмо.

Вначале «обучим» нашу будущую систему борьбы со спамом. Возьмем все имеющиеся у нас письма и разделим их на две «кучи» по 10 писем. В одну отложим спам-письма и назовем ее кучей H A , в другую – нужную корреспонденцию и назовем ее кучей H B . Теперь посмотрим: какие слова и словосочетания встречаются в спам- и нужных письмах и с какой частотой? Эти слова и словосочетания назовем свидетельствами и обозначим E 1 , E 2 … Выясняется, что общеупотребительные слова (например, слова «как», «твой») в кучах H A и H B встречаются примерно с одинаковой частотой. Таким образом, наличие этих слов в письме ничего не говорит нам о том, к какой куче его отнести (слабое свидетельство). Присвоим этим словам нейтральное значение оценки вероятности «спамности», скажем, 0,5.

Пусть словосочетание «разговорный английский» встречается всего в 10 письмах, причем чаще в спам-письмах (например, в 7 спам-письмах из всех 10), чем в нужных (в 3 из 10). Поставим этому словосочетанию для спама более высокую оценку 7/10, а для нормальных писем более низкую: 3/10. И наоборот, выяснилось, что слово «дружище» чаще встречалось в нормальных письмах (6 из 10). И вот мы получили коротенькое письмо: «Дружище! Как твой разговорный английский?» . Попробуем оценить его «спамность». Общие оценки P(H A), P(H B) принадлежности письма к каждой куче поставим, воспользовавшись несколько упрощенной формулой Байеса и нашими приблизительными оценками:

P(H A) = A/(A+B), где А = p a1 *p a2 *…*p an , B = p b1 *p b2 *…*p b n = (1 – p a1)*(1 – p a2)*… *(1 – p an).

Таблица 1. Упрощенная (и неполная) Байес-оценка письма

Таким образом, наше гипотетическое письмо получило оценку вероятности принадлежности с акцентом в сторону «спамности». Можем ли мы принять решение о том, чтобы бросить письмо в одну из куч? Выставим пороги принятия решений:

• Будем считать, что письмо принадлежит куче H i , если P(H i) ≥ T.
• Письмо не принадлежит куче, если P(H i) ≤ L.
• Если же L ≤ P(H i) ≤ T, то нельзя принять никакого решения.

Можно принять T = 0,95 и L = 0,05. Поскольку для рассматриваемого письма и 0,05 < P(H A) < 0,95, и 0,05 < P(H В) < 0,95, то мы не сможем принять решение, куда отнести данное письмо: к спаму (H A) или к нужным письмам (H B). Можно ли улучшить оценку, используя больше информации?

Да. Давайте вычислим оценку для каждого свидетельства другим способом, так, как это, собственно, и предложил Байес. Пусть:

F a – это общее количество писем спама;

F ai – это количество писем со свидетельством i в куче спама;

F b – это общее количество нужных писем;

F bi – это количество писем со свидетельством i в куче нужных (релевантных) писем.

Тогда: p ai = F ai /F a , p bi = F bi /F b . P(H A) = A/(A+B), P(H B) = B/(A+B), где А = p a1 *p a2 *…*p an , B = p b1 *p b2 *…*p b n

Обратите внимание – оценки слов-свидетельств p ai и p bi стали объективными и их можно вычислять без участия человека.

Таблица 2. Более точная (но неполная) Байес-оценка по наличным признакам из письма

Мы получили вполне определенный результат – с большим перевесом с вероятностью письмо можно отнести к нужным письмам, поскольку P(H B) = 0,997 > T = 0,95. Почему результат изменился? Потому, что мы использовали больше информации – мы учли количество писем в каждой из куч и, кстати, гораздо более корректно определили оценки p ai и p bi . Определили их так, как это сделано у самого Байеса, вычислив условные вероятности. Другими словами, p a3 – это вероятность появления в письме слова «дружище» при условии того, что это письмо уже принадлежит спам-куче H A . Результат не заставил себя ждать – кажется, мы можем принять решение с большей определенностью.

Байес против корпоративного мошенничества

Любопытное применение Байесовского подхода описал MAGNUS8 .

В моем текущем проекте (ИС для выявления мошенничества на производственном предприятии) используется формула Байеса для определения вероятности фрода (мошенничества) при наличии/отсутствии нескольких фактов, косвенно свидетельствующих в пользу гипотезы о возможности совершения фрода. Алгоритм самообучаем (с обратной связью), т.е. пересчитывает свои коэффициенты (условные вероятности) при фактическом подтверждении или неподтверждении фрода при проверке службой экономической безопасности.

Стоит, наверное, сказать, что подобные методы при проектировании алгоритмов требуют достаточно высокой математической культуры разработчика, т.к. малейшая ошибка в выводе и/или реализации вычислительных формул сведет на нет и дискредитирует весь метод. Вероятностные методы особенно этим грешат, поскольку мышление человека не приспособлено для работы с вероятностными категориями и, соответственно, отсутствует «наглядность» и понимание «физического смысла» промежуточных и итоговых вероятностных параметров. Такое понимание есть лишь для базовых понятий теории вероятностей, а дальше нужно лишь очень аккуратно комбинировать и выводить сложные вещи по законам теории вероятностей - здравый смысл для композитных объектов уже не поможет. С этим, в частности, связаны достаточно серьезные методологические баталии, проходящие на страницах современных книг по философии вероятности, а также большое количество софизмов, парадоксов и задачек-курьезов по этой теме.

Еще один нюанс, с которым пришлось столкнуться - к сожалению, практически все мало-мальски ПОЛЕЗНОЕ НА ПРАКТИКЕ на эту тему написано на английском языке. В русскоязычных источниках в основном только общеизвестная теория с демонстрационными примерами лишь для самых примитивных случаев.

Полностью соглашусь с последним замечанием. Например, Google при попытке найти что-то типа «книги Байесовская вероятность», ничего внятного не выдал. Правда, сообщил, что книгу с байесовской статистикой запретили в Китае . (Профессор статистики Эндрю Гельман сообщил в блоге Колумбийского университета, что его книгу «Анализ данных с помощью регрессии и многоуровневых/иерархических моделей» запретили публиковать в Китае. Тамошнее издательство сообщило, что «книга не получила одобрения властей из-за различных политически чувствительных материалов в тексте».) Интересно, не аналогичная ли причина привела к отсутствию книг по Байесовской вероятности в России?

Консерватизм в процессе обработки информации человеком

Вероятности определяют степень неопределенности. Вероятность, как согласно Байесу, так и нашей интуиции, составляет просто число между нулем и тем, что представляет степень, для которой несколько идеализированный человек считает, что утверждение верно. Причина, по которой человек несколько идеализирован, состоит в том, что сумма его вероятностей для двух взаимно исключающих событий должна равняться его вероятности того, что произойдет любое из этих событий. Свойство аддитивности имеет такие последствия, что мало реальных людей могут соответствовать им всем.

Теорема Байеса – это тривиальное последствие свойства аддитивности, бесспорное и согласованное для всех сторонников вероятностей, как Байеса, так и других. Один их способов написать это следующий. Если Р(H А |D) – последующая вероятность того, что гипотеза А была после того, как данная величина D наблюдалась, Р(H А) – его априорная вероятность до того, как наблюдалась данная величина D, Р(D|H А) – вероятность того, что данная величина D будет наблюдаться, если верно Н А, а Р(D) – безусловная вероятность данной величины D, то

(1) Р(H А |D) = Р(D|H А) * Р(H А) / Р(D)

Р(D) лучше всего рассматривать как нормализующую константу, заставляющую апостериорные вероятности составить в целом единицу по исчерпывающему набору взаимно исключающих гипотез, которые рассматриваются. Если ее необходимо подсчитать, она может быть такой:

Но чаще Р(D) устраняется, а не подсчитывается. Удобный способ устранять ее состоит в том, чтобы преобразовать теорему Байеса в форму отношения вероятность–шансы.

Рассмотрим другую гипотезу, Н B , взаимно исключающую Н А, и изменим мнение о ней на основе той же самой данной величины, которая изменила ваше мнение о Н А. Теорема Байеса говорит, что

(2) Р(H B |D) = Р(D|H B) * Р(H B) / Р(D)

Теперь разделим Уравнение 1 на Уравнение 2; результат будет таким:

где Ω 1 – апостериорные шансы в пользу Н А через H B , Ω 0 – априорные шансы, a L – количество, знакомое статистикам как отношение вероятности. Уравнение 3 – это такая же соответствующая версия теоремы Байеса как и Уравнение 1, и часто значительно более полезная особенно для экспериментов, с участием гипотез. Сторонники Байеса утверждают, что теорема Байеса – формально оптимальное правило о том, как пересматривать мнения в свете новых данных.

Мы интересуемся сравнением идеального поведения, определенного теоремой Байеса, с фактическим поведением людей. Чтобы дать вам некоторое представление о том, что это означает, давайте попробуем провести эксперимент с вами как с испытуемым. Эта сумка содержит 1000 покерных фишек. У меня две такие сумки, причем в одной 700 красных и 300 синих фишек, а в другой 300 красных и 700 синих. Я подбросил монету, чтобы определить, какую использовать. Таким образом, если наши мнения совпадают, ваша вероятность в настоящее время, что выпадет сумка, в которой больше красных фишек – 0,5. Теперь, Вы наугад составляете выборку с возвращением после каждой фишки. В 12 фишках вы получаете 8 красных и 4 синих. Теперь, на основе всего, что вы знаете, какова вероятность того, что выпала сумка, где больше красных? Ясно, что она выше, чем 0,5. Пожалуйста, не продолжайте читать, пока вы не записали вашу оценку.

Если вы похожи на типичного испытуемого, ваша оценка попала в диапазон от 0,7 до 0,8. Если бы мы проделали соответствующее вычисление, тем не менее, ответ был бы 0,97. Действительно очень редко человек, которому предварительно не продемонстрировали влияние консерватизма, приходит к такой высокой оценке, даже если он был знаком с теоремой Байеса.

Если доля красных фишек в сумке – р , то вероятность получения r красных фишек и (n – r ) синих в n выборках с возвращением – p r (1– p) n– r . Так, в типичном эксперименте с сумкой и покерными фишками, если Н A означает, что доля красных фишек составляет р А и Н B – означает, что доля составляет р B , тогда отношение вероятности:

При применении формулы Байеса необходимо учитывать только вероятность фактического наблюдения, а, не вероятности других наблюдений, которые он, возможно, сделал бы, но не сделал. Этот принцип имеет широкое воздействие на все статистические и нестатистические применения теоремы Байеса; это самый важный технический инструмент размышления Байеса.

Байесовская революция

Ваши друзья и коллеги разговаривают о чем-то, под названием «Теорема Байеса» или «Байесовское правило», или о чем-то под названием байесовское мышление. Они действительно заинтересованы в этом, так что вы лезете в интернет и находите страницу о теореме Байеса и… Это уравнение. И все… Почему математическая концепция порождает в умах такой энтузиазм? Что за «байесианская революция» происходит в среде учёных, причем утверждается, что даже сам экспериментальный подход может быть описан, как её частный случай? В чём секрет, который знают последователи Байеса? Что за свет они видят?

Байесовская революция в науке произошла не потому, что все больше и больше когнитивных ученых внезапно начали замечать, что ментальные явления имеют байесовскую структуру; не потому, что ученые в каждой области начали использовать байесовский метод; но потому, что наука сама по себе является частным случаем теоремы Байеса; экспериментальное свидетельство есть байесовское свидетельство. Байесовские революционеры утверждают, что когда вы выполняете эксперимент и получаете свидетельство, которое «подтверждает» или «опровергает» вашу теорию, это подтверждение или опровержение происходит по байесовским правилам. Для примера, вы должны принимать во внимание не только то, что ваша теория может объяснить явление, но и то, что есть другие возможные объяснения, которые также могут предсказать это явление.

Ранее, наиболее популярной философией науки была – старая философия, которая была смещена байесовской революцией. Идея Карла Поппера, что теории могут быть полностью фальсифицированы, однако никогда не могут быть полностью подтверждены, это еще один частный случай байесовских правил; если p(X|A) ≈ 1 – если теория делает верные предсказания, тогда наблюдение ~X очень сильно фальсифицирует А. С другой стороны, если p(X|A) ≈ 1 и мы наблюдаем Х, это не очень сильно подтверждает теорию; возможно какое-то другое условие В, такое что p(X|B) ≈ 1, и при котором наблюдение Х не свидетельствует в пользу А но свидетельствует в пользу В. Для наблюдения Х определенно подтверждающего А, мы должны были бы знать не то, что p(X|A) ≈ 1, а что p(X|~A) ≈ 0, что мы не можем знать, поскольку мы не можем рассматривать все возможные альтернативные объяснения. Например, когда эйнштейновская теория общей относительности превзошла ньютоновскую хорошо подтверждаемую теорию гравитации, это сделало все предсказания ньютоновской теории частным случаем предсказаний эйнштейновской.

Похожим образом, попперовское заявление, что идея должна быть фальсифицируема может быть интерпретировано как манифестация байесовского правила о сохранении вероятности; если результат Х является положительным свидетельством для теории, тогда результат ~Х должен опровергать теорию в каком-то объеме. Если вы пытаетесь интерпретировать оба Х и ~Х как «подтверждающие» теорию, байесовские правила говорят, что это невозможно! Чтобы увеличить вероятность теории вы должны подвергнуть ее тестам, которые потенциально могут снизить ее вероятность; это не просто правило, чтобы выявлять шарлатанов в науке, но следствие из теоремы байесовской вероятности. С другой стороны, идея Поппера, что нужна только фальсификация и не нужно подтверждение является неверной. Теорема Байеса показывает, что фальсификация это очень сильное свидетельство, по сравнению с подтверждением, но фальсификация все еще вероятностна по своей природе; она не управляется фундаментально другими правилами и не отличается в этом от подтверждения, как утверждает Поппер.

Таким образом, мы обнаруживаем, что многие явления в когнитивных науках, плюс статистические методы, используемые учеными, плюс научный метод сам по себе – все они являются частными случаями теоремы Байеса. В этом и состоит Байесовская революция.

Добро пожаловать в Байесовский Заговор!

Литература по Байесовской вероятности

2. Очень много различных применений Байеса описывает нобелевский лауреат по экономике Канеман (со товарищи) в замечательной книге . Только в моем кратком конспекте этой очень большой книги я насчитал 27 упоминаний имени пресвитерианского священника. Минимум формул. (.. Мне очень понравилась. Правда, сложноватая, много математики (а куда без нее), но отдельные главы (например, глава 4. Информация), явно по теме. Советую всем. Даже, если математика для вас сложна, читайте через строку, пропуская математику, и выуживая полезные зерна…

14. (дополнение от 15 января 2017 г. ) , глава из книги Тони Крилли. 50 идей, о которых нужно знать. Математика.

Физик Нобелевский лауреат Ричарда Фейнмана, отзываясь об одном философе с особо большим самомнением, как-то сказал: «Меня раздражает вовсе не философия как наука, а та помпезность, которая создана вокруг нее. Если бы только философы могли сами над собой посмеяться! Если бы только они могли сказать: «Я говорю, что это вот так, а Фон Лейпциг считал, что это по-другому, а ведь он тоже кое-что в этом смыслит». Если бы только они не забывали пояснить, что это всего лишь их .

События образуют полную группу , если хотя бы одно из них обязательно произойдет в результате эксперимента и попарно несовместны.

Предположим, что событие A может наступить только вместе с одним из нескольких попарно несовместных событий , образующих полную группу. Будем называть события (i = 1, 2,…, n ) гипотезами доопыта (априори). Вероятность появления события А определяется по формуле полной вероятности :

Пример 16. Имеются три урны. В первой урне находятся 5 белых и 3 черных шара, во второй – 4 белых и 4 черных шара, а в третьей – 8 белых шаров. Наугад выбирается одна из урн (это может означать, например, что осуществляется выбор из вспомогательной урны, где находятся три шара с номерами 1, 2 и 3). Из этой урны наудачу извлекается шар. Какова вероятность того, что он окажется черным?

Решение. Событие A – извлечен черный шар. Если было бы известно, из какой урны извлекается шар, то искомую вероятность можно было бы вычислить по классическому определению вероятности. Введем предположения (гипотезы) относительно того, какая урна выбрана для извлечения шара.

Шар может быть извлечен или из первой урны (гипотеза ), или из второй (гипотеза ), или из третьей (гипотеза ). Так как имеются одинаковые шансы выбрать любую из урн, то .

Отсюда следует, что

Пример 17. Электролампы изготавливаются на трех заводах. Первый завод производит 30 % общего количества электроламп, второй – 25 %,
а третий – остальную часть. Продукция первого завода содержит 1% бракованных электроламп, второго – 1,5 %, третьего – 2 %. В магазин поступает продукция всех трех заводов. Какова вероятность того, что купленная в магазине лампа оказалась бракованной?

Решение. Предположения необходимо ввести относительно того, на каком заводе была изготовлена электролампа. Зная это, мы сможем найти вероятность того, что она бракованная. Введем обозначения для событий: A – купленная электролампа оказалась бракованной, – лампа изготовлена первым заводом, – лампа изготовлена вторым заводом,
– лампа изготовлена третьим заводом.

Искомую вероятность находим по формуле полной вероятности:

Формула Байеса. Пусть – полная группа попарно несовместных событий (гипотезы). А – случайное событие. Тогда,

Последнюю формулу, позволяющей переоценить вероятности гипотез после того, как становится известным результат испытания, в итоге которого появилось событие А, называют формулой Байеса .

Пример 18. В специализированную больницу поступают в среднем 50 % больных с заболеванием К , 30 % – c заболеванием L , 20 % –
с заболеванием M . Вероятность полного излечения болезни K равна 0,7 для болезней L и M эти вероятности соответственно равны 0,8 и 0,9. Больной, поступивший в больницу, был выписан здоровым. Найдите вероятность того, что этот больной страдал заболеванием K .

Решение. Введем гипотезы: – больной страдал заболеванием К L , – больной страдал заболеванием M .

Тогда по условию задачи имеем . Введем событие А – больной, поступивший в больницу, был выписан здоровым. По условию

По формуле полной вероятности получаем:

По формуле Байеса .

Пример 19. Пусть в урне пять шаров и все предположения о количестве белых шаров равновозможные. Из урны наудачу взят шар, он оказался белым. Какое предположение о начальном составе урны наиболее вероятно?

Решение. Пусть – гипотеза, состоящая в том, что в урне белых шаров , т. е. возможно сделать шесть предположений. Тогда по условию задачи имеем .

Введем событие А – наудачу взятый шар белый. Вычислим . Так как , то по формуле Байеса имеем:

Таким образом, наиболее вероятной является гипотеза , т. к. .

Пример 20. Два из трех независимо работающих элемента вычислительного устройства отказали. Найдите вероятность того, что отказали первый и второй элементы, если вероятности отказа первого, второго и третьего элементов соответственно равны 0,2; 0,4 и 0,3.

Решение. Обозначим через А событие – отказали два элемента. Можно сделать следующие гипотезы:

– отказали первый и второй элементы, а третий элемент исправен. Поскольку элементы работают независимо, применима теорема умножения: