Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Кафедра высшей математики

по дисциплине: «Теория вероятностей и математическая статистика»

«Формула полной вероятности и формула Бейеса(Байеса) и их применение»

Выполнил:

Руководитель: профессор Б.П.Зеленцов

Новосибирск, 2010

Введение 3

1. Формула полной вероятности 4-5

2. Формула Байеса(Бейеса) 5-6

3. Задачи с решениями 7-11

4. Основные сферы применения формулы Байеса(Бейеса) 11

Заключение 12

Литература 13

Введение

Теория вероятностей является одним из классических разделов математики. Она имеет длительную историю. Основы этого раздела науки были заложены великими математиками. Назову, например, Ферма, Бернулли, Паскаля.
Позднее развитие теории вероятностей определились в работах многих ученых.
Большой вклад в теорию вероятностей внесли ученые нашей страны:
П.Л.Чебышев, А.М.Ляпунов, А.А.Марков, А.Н.Колмогоров. Вероятностные и статистические методы в настоящее время глубоко проникли в приложения. Они используются в физике, технике, экономке, биологии и медицине. Особенно возросла их роль в связи с развитием вычислительной техники.

Например, для изучения физических явлений производят наблюдения или опыты. Их результаты обычно регистрируют в виде значений некоторых наблюдаемых величин. При повторении опытов мы обнаруживаем разброс их результатов. Например, повторяя измерения одной и той же величины одним и тем же прибором при сохранении определенных условий (температура, влажность и т.п.), мы получаем результаты, которые хоть немного, но все же отличаются друг от друга. Даже многократные измерения не дают возможности точно предсказать результат следующего измерения. В этом смысле говорят, что результат измерения есть величина случайная. Еще более наглядным примером случайной величины может служить номер выигрышного билета в лотерее. Можно привести много других примеров случайных величин. Все же и в мире случайностей обнаруживаются определенные закономерности. Математический аппарат для изучения таких закономерностей и дает теория вероятностей.
Таким образом, теория вероятностей занимается математическим анализом случайных событий и связанных с ними случайных величин.

1. Формула полной вероятности.

Пусть имеется группа событий H 1 , H 2 ,..., H n , обладающая следую­щими свойствами:

1) все события попарно несовместны: H i

H j =Æ; i , j =1,2,...,n ; i ¹ j ;

2) их объединение образует пространство элементарных исходов W:

.

Рис.8

В этом случае будем говорить, что H 1 , H 2 ,...,H n образуют полную группу событий . Такие события иногда называют гипотезами .

Пусть А – некоторое событие: А ÌW (диаграмма Венна представлена на рисунке 8). Тогда имеет место формула полной вероятности:

P (A ) = P (A /H 1)P (H 1) + P (A /H 2)P (H 2) + ...+P (A /H n )P (H n ) =

Доказательство. Очевидно: A =

, причем все события (i = 1,2,...,n ) попарно несовместны. Отсюда по теореме сложения вероятностей получаем

P (A ) = P (

) + P ( ) +...+ P (

Если учесть, что по теореме умножения P (

) = P (A/H i)P (H i) (i = 1,2,...,n ), то из последней формулы легко получить приведенную выше формулу полной вероятности.

Пример . В магазине продаются электролампы производства трех заводов, причем доля первого завода - 30%, второго - 50%, третьего - 20%. Брак в их продукции составляет соответственно 5%, 3% и 2%. Какова вероятность того, что случайно выбранная в магазине лампа оказалась бракованной.

Пусть событие H 1 состоит в том, что выбранная лампа произведена на первом заводе, H 2 на втором, H 3 - на третьем заводе. Очевидно:

P (H 1) = 3/10, P (H 2) = 5/10, P (H 3) = 2/10.

Пусть событие А состоит в том, что выбранная лампа оказалась бракованной; A/H i означает событие, состоящее в том, что выбрана бракованная лампа из ламп, произведенных на i -ом заводе. Из условия задачи следует:

P (A / H 1) = 5/10; P (A / H 2) = 3/10; P (A / H 3) = 2/10

По формуле полной вероятности получаем

2. Формула Байеса(Бейеса)

Пусть H 1 ,H 2 ,...,H n - полная группа событий и А Ì W – некоторое событие. Тогда по формуле для условной вероятности

(1)

Здесь P (H k /A ) – условная вероятность события (гипотезы) H k или вероятность того, что H k реализуется при условии, что событие А произошло.

По теореме умножения вероятностей числитель формулы (1) можно представить в виде

P = P = P (A /H k )P (H k )

Для представления знаменателя формулы (1) можно использовать формулу полной вероятности

P (A )

Теперь из (1) можно получить формулу, называемую формулой Байеса :

По формуле Байеса исчисляется вероятность реализации гипотезы H k при условии, что событие А произошло. Формулу Байеса еще называют формулой вероятности гипотез. Вероятность P (H k ) называют априорной вероятностью гипотезы H k , а вероятность P (H k /A ) – апостериорной вероятностью.

Теорема. Вероятность гипотезы после испытания равна произведению вероятности гипотезы до испытания на соответствующую ей условную вероятность события, которое произошло при испытании, деленному на полную вероятность этого события.

Пример. Рассмотрим приведенную выше задачу об электролампах, только изменим вопрос задачи. Пусть покупатель купил электролампу в этом магазине, и она оказалась бракованной. Найти вероятность того, что эта лампа изготовлена на втором заводе. Величина P (H 2) = 0,5 в данном случае это априорная вероятность события, состоящего в том, что купленная лампа изготовлена на втором заводе. Получив информацию о том, что купленная лампа бракованная, мы можем поправить нашу оценку возможности изготовления этой лампы на втором заводе, вычислив апостериорную вероятность этого события.

Выпишем формулу Байеса для этого случая

Из этой формулы получаем: P (H 2 /A ) = 15/34. Как видно, полученная информация привела к тому, что вероятность интересующего нас события оказывается ниже априорной вероятности.

3. Задачи с решениями.

Задача 1. В магазин поступила новая продукция с трех предприятий. Процентный состав этой продукции следующий: 20% - продукция первого предприятия, 30% - продукция второго предприятия, 50% - продукция третьего предприятия; далее, 10% продукции первого предприятия высшего сорта, на втором предприятии - 5% и на третьем - 20% продукции высшего сорта. Найти вероятность того, что случайно купленная новая продукция окажется высшего сорта.

Решение. Обозначим через В событие, заключающееся в том, что будет куплена продукция высшего сорта, через

обозначим события, заключающиеся в покупке продукции, принадлежащей соответственно первому, второму и третьему предприятиям.

Можно применить формулу полной вероятности, причем в наших обозначениях:

Подставляя эти значения в формулу полной вероятности, получим искомую вероятность:

Задача 2. Один из трех стрелков вызывается на линию огня и производит два выстрела. Вероятность попадания в мишень при одном выстреле для первого стрелка равна 0,3, для второго - 0,5; для третьего - 0,8. Мишень не поражена. Найти вероятность того, что выстрелы произведены первым стрелком.

Понимание (изучение) вероятностей начинается там, где заканчивается классический курс теории вероятностей. Почему-то в школе и вузе преподают частотную (комбинаторную) вероятность, или вероятность того, что определено. Человеческий мозг устроен иначе. У нас имеются теории (мнения) по поводу всего на свете. Мы субъективно оцениваем вероятность тех или иных событий. Мы также можем изменить свое мнение, если произошло нечто неожиданное. Это то, что мы делаем каждый день. Например, если вы встречаетесь с подругой у памятника Пушкину, вы понимаете, будет ли она вовремя, опоздает на 15 минут или полчаса. Но выйдя на площадь из метро, и увидев 20 см свежего снега, вы обновите свои вероятности, чтобы учесть новые данные.

Такой подход был впервые описан Байесом и Лапласом. Хотя Лаплас , я думаю, что он не был знаком с работой Байеса. По непонятной мне причине байесовский подход довольно слабо представлен в русскоязычной литературе. Для сравнения отмечу, что по запросу Байес Ozon выдает 4 ссылки, а Amazon – около 1000.

Настоящая заметка является переводом небольшой английской книги, и даст вам интуитивное понимание того, как использовать теорему Байеса. Она начинается с определения, а далее использует примеры в Excel, которые позволят отслеживать весь ход рассуждений.

Scott Hartshorn. Bayes’ Theorem Examples: A Visual Guide For Beginners. – 2016, 82 p.

Скачать заметку в формате или , примеры в формате

Определение теоремы Байеса и интуитивное объяснение

Теорема Байеса

где A и B – события, P(A) и P(B) – вероятности A и B без учета друг друга, P(A|B) – условная вероятность события А при условии, что B истинно, P (B|A) – условная вероятность B, если А истинно.

На самом деле, уравнение несколько сложнее, но для большинства применений достаточно и этого. Результат вычислений – это просто нормализованное взвешенное значение на основе первоначального предположения. Итак, возьмите первоначальное предположение, взвесьте его по отношению к другим первоначальным возможностям, нормализуйте на основе наблюдения:

В ходе решения проблем мы будем выполнять следующие шаги (далее они станут понятнее):

1. Определите, какую из вероятностей мы хотим вычислить, а какую мы наблюдаем.
2. Оцените начальные вероятности для всех возможных вариантов.
3. Предположив истинность некоего начального варианта, рассчитайте вероятность нашего наблюдения; и так для всех начальных вариантов.
4. Найдите взвешенную величину, как произведение начальной вероятности (шаг 2) и условной вероятности (шаг 3), и так для каждого из начальных вариантов.
5. Нормализуйте результаты: разделите каждую взвешенную вероятность (шаг 4) на сумму всех взвешенных вероятностей; сумма нормализованных вероятностей = 1.
6. Повторите шаги 2–5 для каждого нового наблюдения.

Пример 1. Простой пример с костями

Предположим, у вашего друга есть 3 кости: с 4, 6 и 8 гранями. Он случайным образом выбирает одну из них, не показывает вам, бросает и сообщает результат – 2. Вычислите вероятность того, что был выбран 4-гранник, 6-гранник, 8-гранник.

Шаг 1. Мы хотим вычислить вероятность выбора 4-гранника, 6-гранника или 8-гранника. Мы наблюдаем выпавшее число – 2.

Шаг 2. Поскольку костей было 3, исходная вероятность выбора каждой из них – 1/3.

Шаг 3. Наблюдение – кость упала гранью 2. Если был взят 4-гранник, шансы этого равны 1/4. Для 6-гранника шансы выпадения 2-ки – 1/6. Для 8-гранника – 1/8.

Шаг 4. Выпадение 2-ки для 4-гранника = 1/3 * 1/4 = 1/12, для 6-гранника = 1/3 * 1/6 = 1/18, для 8-гранника = 1/3 * 1/8 = 1/24.

Шаг 5. Общая вероятность выпадении 2-ки = 1/12 + 1/18 + 1/24 = 13/72. Это число меньше 1, потому что шансы бросить 2-ку меньше 1. Но мы знаем, что уже бросили именно 2-ку. Таким образом, нам нужно разделить шансы каждого варианта из шага 4 на 13/72, чтобы сумма всех шансов для всех костей лечь 2-ой равнялась 1. Этот процесс называется нормализацией.

Нормализуя каждую взвешенную вероятность, мы находим вероятность того, что именно эта кость была выбрана:

• 4-гранник = (1/12) / (13/72) = 6/13
• 6-гранник = (1/18) / (13/72) = 4/13
• 8-гранник = (1/24) / (13/72) = 3/13

И это ответ.

Когда мы начали решать задачу, мы предположили, что вероятность выбрать определенную кость равна 33,3%. После выпадения 2-ки, мы рассчитали, что шансы, что первоначально был выбран 4-гранник выросли до 46,1%, шансы выбора 6-гранника снизились до 30,8%, а шансы, что был выбран 8-гранник и вовсе упали до 23,1%.

Если сделать еще один бросок, мы могли бы использовать новые рассчитанные проценты в качестве наших начальных предположений и уточнить вероятности на основе второго наблюдения.

Если у вас единственное наблюдение, все шаги удобно представить в виде таблицы:

Таблица. 1. Пошаговое решение в виде таблицы (формулы см. в файле Excel на листе Пример 1 )

Обратите внимание:

• Если бы вместо 2-ки выпала, например, 7-ка, то шансы на шаге 3 у 4- и 6-гранника равнялись бы нулю, и после нормализации шансы 8-гранника составили бы 100%.
• Поскольку пример включает лишь три кости и один бросок, мы использовали простые дроби. Для большинства проблем с большим количеством вариантов и событий легче работать с десятичными дробями.

Пример 2. Больше костей. Больше бросков

На этот раз у нас 6 костей с 4, 6, 8, 10, 12 и 20 гранями. Мы выбираем одну из них случайным образом и бросаем 15 раз. Какова вероятность того, что была выбрана определенная кость?

Я использую модель в Excel (рис. 1; см. лист Пример 2 ). Случайные числа генерируются в столбце B с помощью функции =СЛУЧМЕЖДУ(1;$B$9). В данном случае в ячейке В9 выбран 8-гранник, поэтому случайные числа могут принимать значения от 1 до 8. Поскольку Excel обновляет случайные числа после каждого изменения на листе, я скопировал столбец В в буфер и вставил только значения в столбец C. Теперь значения не меняются и будут использоваться для последующих рисунков. (Я добавил вам возможность «поиграть» с выбором числа граней и случайными бросками на листе Пример 2 игровой . Особенно любопытные результаты получаются, если в ячейке В9 установить число 13 🙂 – Прим. Багузина .)

Рис. 1. Генератор случайных чисел

Шаг 2. Поскольку всего шесть кубиков, то вероятность выбрать один случайным образом равна 1/6 или 0,167.

Шаги 3 и 4. Запишем уравнение для вероятности первоначального выбора определенной кости после соответствующего броска. Как мы видели в конце примера 1, некоторые броски могут не соответствовать тем или иным костям. Например, выпадение 9-ки делает вероятность 4-, 6- и 8-гранной кости равной нулю. Если же выпало «легитимное» число, то его вероятность для данной кости равна единице, деленной на число граней. Для удобства мы объединили шаги 3 и 4, поэтому мы сразу запишем формулу для вероятности броска, умноженной на нормализованную вероятность после предыдущего броска (рис. 2):

ЕСЛИ(бросок > числа граней; 0; 1/число граней * предыдущая нормализованная вероятность)

Если вы аккуратно воспользуетесь , то сможете протащить эту формулу на все строки.

Рис. 2. Уравнение вероятности; чтобы увеличить изображение кликните на нем правой кнопкой мыши и выберите Открыть картинку в новой вкладке

Шаг 5. Последним шагом является нормализация результатов после каждого броска (область L11:R28 на рис. 3).

Рис. 3. Нормализация результатов

Итак, после 15 бросков с вероятностью 96,4% мы можем считать, что первоначально выбрали 8-гранную кость. Хотя остаются шансы, что была выбрана кость с бо льшим числом граней: 3,4% – за 10-гранную кость, 0,2% – за 12-гранную, 0,0001% – за 20-гранную. А вот вероятность 4- и 6-гранных костей равна нулю, так как среди выпавших чисел были 7 и 8. Это, естественно, соответствует тому, что мы ввели число 8 в ячейку В9, ограничив значения для генератора случайных чисел.

Если мы построим график вероятности каждого варианта первоначального выбора кости, бросок за броском, то увидим (рис. 4):

• После первого броска вероятность выбора 4-гранной кости падает до нуля, так как сразу же выпала 6-ка. Поэтому лидерство захватил вариант 6-гранной кости.
• Для нескольких первых бросков 6-гранная кость имеет наибольшую вероятность, так как она содержит меньше всего граней среди костей, которые могут отвечать выпавшим значениям.
• На пятом броске выпала 8-ка, вероятность 6-гранника падает до нуля, и 8-гранник становится лидером.
• Вероятности 10-, 12- и 20-гранных костей при первых бросках плавно уменьшались, а затем испытали всплеск, когда 6-гранная кость выпала из гонки. Это связано с тем, что результаты были нормализованы по гораздо меньшей выборке.

Рис. 4. Изменение вероятностей бросок за броском

Обратите внимание:

• Теорема Байеса для нескольких событий – просто повторное умножение на последовательно обновляемых данных. Окончательный ответ не зависит от того, в каком порядке наступали события.
• Не обязательно нормализовать вероятности после каждого события. Можете сделать это один раз в самом конце. Проблема в том, что, если не заниматься нормализацией постоянно, вероятности становятся такими маленькими, что Excel может работать некорректно из-за ошибок округления. Таким образом, практичнее нормализовывать на каждом шаге, чем проверять, не подошли ли вы к границе точности Excel.

Теорема Байеса. Терминология

• Начальная вероятность, вероятность каждой возможности до того, как произошло наблюдение, называется априорной .
• Нормализованный ответ после вычисления вероятности для каждой точки данных (для каждого наблюдения) называется апостериорным .
• Суммарная вероятность, используемая для нормализации ответа, является константой нормализации .
• Условная вероятность, т.е. вероятность каждого события, называется правдоподобием .

Вот как эти термины выглядят для первого примера (сравни с рис. 1).

Рис. 5. Термины теоремы Байеса

Сама теорема Байеса в новых определениях выглядит так (сравни с формулой 2):

Пример 3. Нечестная монета

У вас есть монета, которая, как вы подозреваете, не является честной. Вы кидаете ее 100 раз. Вычислите вероятность того, что нечестная монета упадет орлом вверх с вероятностью 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%.

Обратимся к файлу Excel, лист Пример 3 . В ячейках В13:В112 я сгенерировал случайное число от 0 до 1, и с помощью специальной вставки перенес значения в столбец С. В ячейке В8 я указал ожидаемый процент выпадений орла для этой нечестной монеты. В столбце D с помощью функции ЕСЛИ я превратил вероятности в единицы (орлы, для вероятности р от 0,35 до 1) или в нули (решки, для р от 0 до 0,35).

Рис. 6. Исходные данные для подбрасываний нечестной монеты

У меня получилось 63 орла и 37 решек, что хорошо соответствует генератору случайных чисел, если на входе мы установили вероятность орлов 65%.

Шаг 1. Мы хотим вычислить вероятности того, что орлы относятся к корзинам 0%, 10%, … 100%, наблюдая 63 орла и 37 решки при 100 бросках.

Шаг 2. Есть 11 начальных возможностей: вероятности 0%, 10%, … 100%. Будем наивно полагать, что все начальные возможности имеют равную вероятность, то есть 1 шанс из 11 (рис. 7). (Более реалистично мы могли бы придать начальным вероятностям, располагающимся в районе 50% большие веса, чем вероятностям на краях – 0% и 100%. Но самое замечательное заключается в том, что, поскольку у нас целых 100 подбрасываний, первоначальные вероятности не так уж важны!)

Шаг 3 и 4. Расчет правдоподобия. Чтобы рассчитать вероятность после каждого подбрасывания в Excel используется функция ЕСЛИ. В случае, если выпал орел, правдоподобие равно произведению возможности на предыдущую нормированную вероятность. Если выпала решка, правдоподобие равно (1 минус возможность) * предыдущую нормированную вероятность (рис. 8).

Рис. 8. Правдоподобие

Шаг 5. Нормализация выполняется, как и в предыдущем примере.

Результаты наиболее наглядно представить в виде серии гистограмм. Начальный график – это априорная вероятность. Затем каждый новый график – ситуация после очередных 25 бросков (рис. 9). Поскольку мы задали на входе вероятность орла 65%, представленные графики не вызывают удивления.

Рис. 9. Вероятности вариантов после серии бросков

Что на самом деле означает 70%-ный шанс для возможности 0,6? Это не 70%-ный шанс, что монета точно попадает на 60%. Поскольку у нас был шаг размером 10% между вариантами, мы оцениваем, что есть 70%-ный шанс, что эта монета попадет в диапазон между 55 и 65%. Решение использовать 11 начальных вариантов, с шагом 10% было полностью произвольным. Мы могли бы использовать 101 начальную возможность с шагом 1%. В этом случае мы бы получили результат с максимумом при 63% (так как у нас было 63 орла) и более плавное падение на графике.

Обратите внимание, в этом примере мы наблюдали более медленную сходимость по сравнению с Примером 2. Это связано с тем, что разница между монетой, переворачивающейся 60% против 70%, меньше, чем между кубиками с 8 и 10 гранями.

Пример 4. Еще кости. Но с ошибками в потоке данных

Вернемся к примеру 2. У друга в мешке кости с 4, 6, 8, 10, 12, 20 гранями. Он вынимает одну кость случайным образом и бросает ее 80 раз. Он записывает выпавшие числа, но в 5% случаев ошибается. В этом случае появляется случайное число от 1 и 20 вместо фактического результата броска. После 80 бросков, как вы думаете, какая кость была выбрана?

В качестве входных данных в Excel (лист Пример 4 ) я ввел количество сторон (8), а также вероятность того, что данные содержат ошибку (0,05). Формула для значения броска (рис. 10):

ЕСЛИ (СЛЧИС() > вероятности ошибки; СЛУЧМЕЖДУ(1; число граней); СЛУЧМЕЖДУ(1;20))

Если случайное число больше вероятности ошибки (0,05), то при этом броске ошибки не было, так что генератор случайных чисел выбирает значение между 1 и «загаданным» количеством сторон кубика, в противном случае следует сгенерировать случайное целое число между 1 и 20.

Рис. 10. Расчет значения броска

На первый взгляд, мы могли бы решить эту проблему так же, как и в примере 2. Но, если не учитывать вероятность ошибки, мы получим график вероятностей как на рис. 11. (Самый простой способ получить его в EXCEL – сначала сгенерировать броски в столбце В при значении ошибки 0,05; затем перенести значения бросков в столбец С, и наконец, поменять значение в ячейке В11 на 0; поскольку формулы расчета правдоподобия в диапазоне D14:J94 ссылаются на ячейку В11, эффект не учета ошибок будет достигнут.)

Рис. 11. Обработка значения бросков без учета вероятности присутствия ошибок

Поскольку вероятность ошибки мала, а генератор случайных чисел настроен на 8-гранник, вероятность последнего с каждым броском становится доминирующей. Более того, так как ошибка может с вероятностью 40% (восемь из двадцати) дать значение в пределах 8, то значение ошибки, повлиявшее на результат, появилось лишь на 63-ем броске. Однако, если ошибки не берутся в расчет, вероятность 8-гранника обратится в ноль, а 100% получит 20-гранник. Заметим, что к 63-му броску вероятность 20-гранника составляла всего 2*10 –25 .

Шансы получить ошибку – 5%, а вероятность того, что ошибка даст значение больше 8, составляет 60%. Т.е., 3% бросков дадут ошибку со значением более 8, которая и случилась на броске 63, когда была сделана запись 17. Если формула правдоподобия не будет учитывать возможные ошибки, мы получим взлет вероятности 20-гранника с 2*10 –25 до 1, как на рис. 11.

Если человек скрупулезно наблюдает за данными, он может обнаружить эту ошибку и не принимать в расчет ошибочные значения. Для автоматизации процесса дополните уравнение правдоподобия проверкой на ошибки. Никогда не устанавливайте нулевые вероятности ошибок, если вы допускаете, что их нельзя полностью исключить. Если вы учтете вероятности ошибок, то сотни «правильных» данных не позволят отдельным ошибочным значениям испортить картину.

Дополняем уравнение функции правдоподобия проверкой на ошибки (рис. 12):

ЕСЛИ($C15>F$13;$B$11*1/20*N14;($B$11*1/20+(1-$B$11)/F$13)*N14)

Рис. 12. Функция правдоподобия с учетом ошибок

Если записанное значение броска больше числа граней ($C15>F$13) условную вероятность не обнуляем, а уменьшаем с учетом вероятности ошибки ($B$11*1/20*N14). Если записанное число меньше числа граней, условную вероятность увеличиваем не в полном объеме, а также с учетом возможной ошибки ($B$11*1/20+(1-$B$11)/F$13)*N14). В последнем случае считаем, что записанное число могло явиться как следствием ошибки ($B$11*1/20), так и результатом правильной записи (1-$B$11)/F$13).

Изменение нормализованной вероятности становится более устойчивым к возможным ошибкам (рис. 13).

Рис. 13. Изменение нормализованной вероятности от броска к броску

В этом примере 6-гранная кость изначально является фаворитом, потому что первые 3 броска – 5, 6, 1. Потом выпадет 7-ка и вероятность 8-гранника идет вверх. Однако, появление 7-ки не обнуляет вероятность 6-гранника, потому что 7-ка может быть ошибкой. И следующие девять бросков вроде бы подтверждают это, когда выпадают значения не более 6: вероятность 6-гранника снова начинает расти. Тем не менее, на 14-м и 15-м бросках опять выпадают 7-ки, и вероятность 6-гранной кости приближается к нулю. Позже, появляются значения 17 и 19, которые «система» определяет, как явно ошибочные.

Пример 4A. Что делать, если у вас действительно высокая частота ошибок?

Этот пример аналогичен предыдущему, но частота ошибок увеличена с 5% до 75%. Поскольку данные стали менее релевантными, мы увеличили число бросков до 250. Применяя те же уравнения, что и в примере 4 получим следующий график:

Рис. 14. Нормализованная вероятность при 75% ошибочных записей

Со столь высокой частотой ошибок потребовалось гораздо больше бросков. К тому же результат менее определен, и 6-гранник периодически становится более вероятным. Если у вас еще более высокая частота ошибок, например, 99%, все равно можно получить правильный ответ. Очевидно, чем выше частота ошибок, тем больше бросков нужно сделать. Для 75% ошибок мы получаем одно правильное значение из четырех. Если же вероятность ошибки составит 99%, мы бы получили лишь одно правильное значение из ста. Нам, вероятно, понадобится в 25 раз больше данных, чтобы выявить доминирующий вариант.

А что если вы не знаете вероятность ошибки? Рекомендую «поиграть» с примерами 4 и 4А, устанавливая в ячейке В11 различные значения от очень маленьких (например, 2*10 –25 для примера 4) до очень больших (например, 90% для примера 4А). Вот основные выводы:

• Если оценка частоты ошибок выше, чем фактическая частота ошибок, результаты будут сходиться медленнее, но все равно сходятся к правильному ответу.
• Если вы оцениваете частоту ошибок слишком низко, существует риск того, что результаты не будут правильными.
• Чем меньше фактическая частота ошибок, тем больше места для маневра у вас есть в угадывании частоты ошибок.
• Чем выше фактическая частота ошибок, тем больше данных вам нужно.

Пример 5. Проблема немецкого танка

В этой задаче вы пытаетесь оценить, сколько танков было произведено, исходя из серийных номеров захваченных танков. Теорема Байеса была использована союзниками во время второй мировой войны, и в конечном итоге дала результаты более низкие, чем те, о которых сообщала разведка. После войны записи показали, что статистические оценки с использованием теоремы Байеса были более точными. (Любопытно, что я написал заметку по этой теме, еще не зная, что такое вероятности по Байесу; см. . – Прим. Багузина .)

Итак, вы анализируете серийные номера, снятые с разбитых или захваченных танков. Цель – оценить, сколько танков было произведено. Вот что вы знаете о серийных номерах танков:

• Они начинаются с 1.
• Это целые числа без пропусков.
• Вы нашли следующие серийные номера: 30, 70, 140, 125.

Нас интересует ответ на вопрос: каково максимальное число танков? Я начну с 1000 танков. Но кто-то другой мог начать с 500 танков или 2000 танков, и мы можем получить разные результаты. Я собираюсь анализировать каждые 20 танков, что означает, что у меня есть 50 начальных возможностей для количества танков. Можно усложнить модель, и проанализировать для каждого отдельного числа в Excel, но ответ сильно не изменится, а анализ значительно усложнится.

Я предполагаю, что все возможности количества танков равны (т.е. вероятность наличия 50 танков, такая же, как и 500). Обратите внимание, что в файле Excel больше столбцов, чем показано на рисунке. Условная вероятность для функции правдоподобия очень похожа на условную вероятность из Примера 2:

• Если наблюдаемый серийный номер больше максимального серийного номера для этой группы, то вероятность наличия такого количества танков равна 0.
• Если наблюдаемый серийный номер меньше максимального серийного номера для этой группы, вероятность есть единица, деленная на число танков, умноженная на нормализованную вероятность на предыдущем шаге (рис. 15).

Рис. 15. Условные вероятности распределения танков по группам

Нормализованные вероятности выглядят следующим образом (рис. 16).

Рис. 16. Нормализованные вероятности количества танков

Наблюдается большой всплеск вероятности для максимально наблюдаемого серийного номера. После этого происходит асимптотическое снижение к нулю. Для 4 обнаруженных серийных номеров максимум отвечает 140 танкам. Но, несмотря на то, что это число является наиболее вероятным ответом, это не лучшая оценка, так как она почти наверняка недооценивает количество танков.

Если взять средневзвешенное количество танков, т.е. суммировать попарно перемноженные группы и их вероятности для четырех танков, применив формулу:

ОКРУГЛ(СУММПРОИЗВ(BD9:DA9;BD14:DA14);0)

мы получаем наилучшую оценку равную 193.

Если бы мы первоначально исходили из 2000 танков, средневзвешенное значение было бы 195 танков, что по существу ничего не меняет.

Пример 6. Тестирование на наркотики

Вы знаете, что 0,5% населения употребляет наркотики. У вас есть тест, который дает 99% истинных положительных результатов для употребляющих наркотик, и 98% истинных отрицательных результатов для не употребляющих. Вы случайным образом выбираете человека, проводите тест и получаете положительный результат. Какова вероятность того, что человек на самом деле употребляет наркотики?

Для нашего случайного индивидуума первоначальная вероятность того, что он является потребителем наркотиков, равна 0,5%, и вероятность того, что он не является потребителем наркотиков составляет 99,5%.

Следующий шаг – расчет условной вероятности:

• Если испытуемый употребляет наркотики, то тест будет положительным в 99% случаев и отрицательным в 1% случаев.
• Если испытуемый не употребляет наркотики, то тест будет положительным в 2% случаев и отрицательным в 98% случаев.

Функции правдоподобия для употребляющих и не употребляющих наркотики представлены на рис. 17.

Рис. 17. Функции правдоподобия: (а) для употребляющих наркотики; (б) для не употребляющих наркотики

После нормализации, мы видим, что, несмотря на положительный результат теста, вероятность того, что этот случайный человек, употребляет наркотики, составляет всего 0,1992 или 19,9%. Этот результат удивляет многих людей, потому что в конце концов, точность теста довольно высока – целых 99%. Поскольку начальная вероятность была лишь 0,5%, даже большого увеличения этой вероятности было недостаточно, чтобы сделать отклик действительно большим.

Интуиция большинства людей не учитывает начальную вероятность. Даже если условная вероятность действительно высока, очень низкая начальная вероятность может привести к низкой конечной вероятности. Интуиция большинства людей настроена вокруг начальной вероятности 50/50. Если это так, и результат теста положителен, то нормализованная вероятность составит ожидаемые 98%, подтверждая, что человек употребляет наркотики (рис. 18).

Рис. 18. Результат теста при исходной вероятности 50/50

Альтернативный подход к объяснению подобных ситуаций см. .

Библиографию по теореме Байеса смотри в конце заметки .

Занятие № 4.

Тема: Формула полной вероятности. Формула Байеса. Схема Бернулли. Полиномиальная схема. Гипергеометрическая схема.

ФОРМУЛА ПОЛНОЙ ВЕРОЯТНОСТИ

ФОРМУЛА БАЙЕСА

ТЕОРИЯ

Формула полной вероятности:

Пусть имеется полная группа несовместных событий :

(, ).Тогда вероятность события А можно рассчитать по формуле

(4.1)

События называются гипотезами. Гипотезы выдвигаются относительно той части эксперимента, в которой присутствует неопределённость.

, где - априорные вероятности гипотез

Формула Байеса:

Пусть опыт завершён и известно, что в результате опыта произошло событие A. Тогда можно с учётом этой информации переоценить вероятности гипотез:

(4.2)

, где апостериорные вероятности гипотез

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

Задача 1.

Условие

В поступивших на склад 3 партиях деталей годные составляют 89 %, 92 % и 97 % соот­ветственно. Количество деталей в партиях относится как 1:2:3.

Чему равна вероятность того, что случайно выбранная со склада деталь окажется бракованной. Пусть известно, что случайно выбранная деталь оказалось бракованной. Найти вероят­ности того, что она принадлежит первой, второй и третьей партиям.

Решение:

Обозначим через А событие, состоящее в том, что случайно выбранная деталь окажется бракованной.

1-ый вопрос – на формулу полной вероятности

2-ой вопрос - на формулу Байеса

Гипотезы выдвигаются относительно той части эксперимента, в которой присутствует неопределённость. В данной задаче неопределённость состоит в том, из какой партии случайно выбранная деталь.

Пусть в первой партии а деталей. Тогда во второй партии – 2 a деталей, а в третьей – 3 a деталей. Всего в трёх партиях 6 a деталей.

(процент брака на первой линии перевели в вероятность)

(процент брака на второй линии перевели в вероятность)

(процент брака на третьей линии перевели в вероятность)

По формуле полной вероятности рассчитываем вероятность события A

-ответ на 1 вопрос

Вероятности того, что бракованная деталь принадлежит первой, второй и третьей партиям рассчитываем по формуле Байеса:

Задача 2.

Условие:

В первой урне 10 шаров: 4 белых и 6 чёрных. Во второй урне 20 шаров: 2 белых и 18 чёрных. Из каждой урны выбирают случайным образом по одному шару и кладут в третью урну. Затем из третьей урны случайным образом выбирают один шар. Найти вероятность того, что извлечённый из третьей урны шар будет белым.

Решение:

Ответ на вопрос задачи можно получить с помощью формулы полной вероятности:

Неопределённость состоит в том, какие шары попали в третью урну. Выдвигаем гипотезы относительно состава шаров в третьей урне.

H1={в третьей урне 2 белых шара}

H2={в третьей урне 2 чёрных шара}

H3={ в третьей урне 1 белый шар и 1 чёрный шар}

A={шар взятый из 3 урны будет белым}

Задача 3.

В урну, содержащую 2 шара неизвестного цвета, опустили белый шар. После этого из этой урны извлекаем 1 шар. Найти вероятность того, что шар извлечённый из урны будет белым. Шар, извлечённый из выше описанной урны, оказался белым. Найти вероятности того, что в урне до перекладывания было 0 белых шаров, 1 белый шар и 2 белых шара .

1 вопро с - на формулу полной вероятности

2 вопрос –на формулу Байеса

Неопределённость состоит в первоначальном составе шаров в урне. Относительно первоначального состава шаров в урне выдвигаем следующие гипотезы:

Hi={ в урне до перекладывания был i-1 белый шар}, i=1,2,3

, i=1,2,3 (в ситуации полной неопределённости априорные вероятности гипотез берём одинаковыми, т. к. мы не можем сказать, что один вариант более вероятен по сравнению с другим)

А={шар, извлечённый из урны после перекладывания, будет белым}

Вычислим условные вероятности:

Произведём расчёт по формуле полной вероятности:

Ответ на 1 вопрос

Для ответа на второй вопрос используем формулу Байеса:

(уменьшилась по сравнению с априорной вероятностью)

(не изменилась по сравнению с априорной вероятностью)

(увеличилась по сравнению с априорной вероятностью)

Вывод из сравнения априорных и апостериорных вероятностей гипотез: первоначальная неопределённость количественно поменялась

Задача 4.

Условие:

При переливании крови надо учитывать группы крови донора и больного. Человеку, имеющему четвёртую группу крови можно перелить кровь любой группы , человеку со второй и третьей группой можно перелить либо кровь его группы , либо первой. Человеку с первой группой крови можно перелить кровь только первой группы. Известно, что среди населения 33,7 % имеют первую груп пу, 37,5 % имеют вторую группу, 20,9 % имеют третью группу и 7,9 % имеют 4 группу. Найти вероятность того, что случайно взятому больному можно перелить кровь случайно взятого донора.

Решение:

Выдвигаем гипотезы о группе крови случайно взятого больного:

Hi={у больного i-ая группа крови}, i=1,2,3,4

(Проценты перевели в вероятности)

A={ можно осуществить переливание}

По формуле полной вероятности получаем:

Т. е. переливание можно осуществить примерно в 60 % случаев

Схема Бернулли (или биномиальная схема)

Испытания Бернулли – это независимые испытания 2 исхода, которые условно называем успех и неудача.

p- вероятность успеха

q –вероятность неудачи

Вероятность успеха не меняется от опыта к опыту

Результат предыдущего испытания не влияет на следующие испытания.

Проведение описанных выше испытаний называется схемой Бернулли или биномиальной схемой.

Примеры испытаний Бернулли:

Подбрасывание монеты

Успех – герб

Неудача- решка

Случай правильной монеты

случай неправильной монеты

p и q не меняются от опыта к опыту, если в процессе проведения опыта мы не меняем монету

Подбрасывание игральной кости

Успех - выпадение «6»

Неудача – всё остальное

Случай правильной игральной кости

Случай неправильной игральной кости

p и q не меняются от опыта к опыту, если в процессе проведения опыта мы не меняем игральную кость

Стрельба стрелка по мишени

Успех - попадание

Неудача – промах

p =0.1 (стрелок попадает в одном выстреле из 10)

p и q не меняются от опыта к опыту, если в процессе проведения опыта мы не меняем стрелка

Формула Бернулли.

Пусть проводится n p. Рассмотрим события

{в n испытаниях Бернулли с вероятностью успеха p произойдёт m успехов},

-для вероятностей таких событий существует стандартное обозначение

<-Формула Бернулли для расчёта вероятностей (4.3)

Пояснение к формуле : вероятность того, что произойдёт m успехов (вероятности перемножаются, т. к. испытания независимы, а т. к. они все одинаковы появляется степень), - вероятность того, что произойдёт n-m неудач (объяснение аналогично как для успехов), - число способов реализации события, т. е. сколькими способами может разместиться m успехов на n местах.

Следствия формулы Бернулли:

Следствие 1:

Пусть проводится n испытаний Бернулли c вероятностью успеха p. Рассмотрим события

A(m1, m2)={число успехов в n испытаниях Бернулли будет заключено в диапазоне [ m1; m2]}

(4.4)

Пояснение к формуле: Формула (4.4) следует из формулы (4.3) и теоремы сложения вероятностей для несовместных событий, т. к. -сумма (объединение) несовместных событий, а вероятность каждого определяется формулой (4.3).

Следствие 2

Пусть проводится n испытаний Бернулли c вероятностью успеха p. Рассмотрим событие

A={ в n испытаниях Бернулли произойдёт хотя бы 1 успех }

(4.5)

Пояснение к формуле: ={ в n испытаниях Бернулли не будет ни одного успеха}=

{все n испытаний будут неудачны}

Задача (на формулу Бернулли и следствия к ней) пример к задаче 1.6-Д. з.

Правильную монету подбрасывают 10 раз . Найти вероятности следующих событий:

A={герб выпадет ровно 5 раз}

B={герб выпадет не более 5 раз}

C={герб выпадет хотя бы 1 раз}

Решение:

Переформулируем задачу в терминах испытаний Бернулли:

n=10 число испытаний

успех - герб

p=0.5 –вероятность успеха

q=1-p=0.5 –вероятность неудачи

Для расчёта вероятности события A используем формулу Бернулли:

Для расчёта вероятности события В используем следствие 1 к формуле Бернулли:

Для расчёта вероятности события С используем следствие 2 к формуле Бернулли:

Схема Бернулли. Расчёт по приближённым формулам.

ПРИБЛИЖЁННЫЕ ФОРМУЛА МУАВРА-ЛАПЛАСА

Локальная формула

p успеха и q неудачи, то для всех m справедлива приближённая формула:

, (4.6)

m.

Значение функции можно найти в специальной таблице. Там содержатся значения только для . Но функция -чётная, т. е. .

Если , то полагают

Интегральная формула

Если в схеме Бернулли число испытаний n велико причём велики также вероятности p успеха и q неудачи, то для всех справедлива приближённая формула (4.7) :

Значение функции можно найти в специальной таблице. Там содержатся значения только для . Но функция -нечётная, т. е. .

Если , то полагают

ПРИБЛИЖЁННЫЕ ФОРМУЛЫ ПУАССОНА

Локальная формула

Пусть число испытаний n по схеме Бернулли велико, а вероятность успеха в одном испытании мала, причём мало также произведение . Тогда определяют по приближенной формуле:

, (4.8)

Вероятность того, что число успехов в n испытаниях Бернулли равно m.

Значения функции можно посмотреть в специальной таблице.

Интегральная формула

Пусть число испытаний n по схеме Бернулли велико, а вероятность успеха в одном испытании мала, причём мало также произведение .

Тогда определяют по приближенной формуле:

, (4.9)

Вероятность того, что число успехов в n испытаниях Бернулли заключено в диапазоне .

Значения функции можно посмотреть в специальной таблице и затем просуммировать по диапазону.

Формула	Формула Пуассона	Формула Муавра-Лапласа	Качество оценки
			оценки грубы
10			используются для грубых прикидочных расчётов
			используются для прикладных инженерных расчётов
100 0			используются для любых инженерных расчётов
n>1000			очень хорошее качество оценок

Можно посмотреть в кач-ве примеров к задачам 1.7 и 1.8 Д. з.

Расчёт по формуле Пуассона.

Задача (формула Пуассона).

Условие:

Вероятность искажения одного символа при передаче сообщения по линии связи равна 0.001. Сообщение считают принятым, если в нём отсутствуют искажения. Найти вероятность того, что будет принято сообщение, состоящее из 20 слов по 100 символов каждое.

Решение:

Обозначим через А

-количество символов в сообщении

успех: символ не искажается

Вероятность успеха

Вычислим . См. рекомендации по применению приближенных формул () : для расчёта нужно применить формулу Пуассона

Вероятности для формулы Пуассона по и m можно найти в специальной таблице.

Условие:

Телефонная станция обслуживает 1000 абонентов. Вероятность того, что в течении минуты какому-либо абоненту понадобится соединение, равна 0,0007. Вычислить вероятность того, что за минуту на телефонную станцию поступит не менее 3 вызовов.

Решение:

Переформулируем задачу в терминах схемы Бернулли

успех: поступление вызова

Вероятность успеха

–диапазон, в котором должно лежать число успехов

А={ поступит не менее трёх вызовов}-событие, вероятность которого треб. найти в задаче

{поступит менее трёх вызовов} Переходим к доп. событию, т. к. его вероятность подсчитать проще.

(расчёт слагаемых см. специальная таблица)

Таким образом,

Задача (локальная формула Мувра-Лапласа)

Условие

Вероятность попадания в цель при одном выстреле равна 0.8. Определить вероятность того, что при 400 выстрелах произойдёт ровно 300 попаданий.

Решение:

Переформулируем задачу в терминах схемы Бернулли

n=400 –число испытаний

m=300 –число успехов

успех - попадание

(Вопрос задачи в терминах схемы Бернулли)

Предварительный расчёт:

Проводим независимые испытания , в каждом из которых мы различаем m вариантов.

p1 – вероятность получить первый вариант при одном испытании

p2 – вероятность получить второй вариант при одном испытании

…………..

pm – вероятность получить m-ый вариант при одном испытании

p1, p2, …………….., pm не меняются от опыта к опыту

Последовательность описанных выше испытаний называется полиномиальной схемой.

(при m=2 полиномиальная схема превращается в биномиальную), т. е. изложенная выше биномиальная схема –это частный случай более общей схемы, называемой полиномиальной).

Рассмотрим следующие события

А(n1,n2,….,nm)={ в n испытаниях описанных выше n1 раз появился вариант 1, n2 раз появился вариант 2, ….., и т. д. , nm раз появился вариант m}

Формула для расчёта вероятностей по полиномиальной схеме

Условие

Игральную кость бросают 10 раз. Требуется найти вероятность того, что «6» выпадет 2 раза , а «5» выпадет 3 раза .

Решение:

Обозначим через А событие вероятность которого требуется найти в задаче.

n=10 – число испытаний

m=3

1 вариант-выпадение 6

p1=1/6 n1=2

2 вариант-выпадение 5

p2=1/6 n2=3

3 вариант-выпадение любой грани, кроме 5 и 6

p3=4/6 n3=5

P(2,3,5)-? (вероятность события, о котором говорится в условии задачи)

Задача на полиномиальную схему

Условие

Найти вероятность того, что среди 10 случайным образом выбранных человек у четырёх дни рождения будут в первом квартале, у трёх – во втором, у двух – в третьем и у одного – в четвёртом.

Решение:

Обозначим через А событие вероятность которого требуется найти в задаче.

Переформулируем задачу в терминах полиномиальной схемы:

n=10 – число испытаний =числу людей

m=4 – число вариантов, которые мы различаем в каждом испытании

1 вариант-рождение в 1 квартале

p1=1/4 n1=4

2 вариант-рождение во 2 квартале

p2=1/4 n2=3

3 вариант - рождение в 3 квартале

p3=1/4 n3=2

4 вариант - рождение в 4 квартале

p4=1/4 n4=1

P(4,3,2,1)-? (вероятность события, о котором говорится в условии задачи)

Предполагаем, что вероятность родиться в любом квартале одинакова и равна 1/4. Проведём расчёт по формуле для полиномиальной схемы:

Задача на полиномиальную схему

Условие

В урне 30 шаров: с возвращением. 3 белых , 2 зелёных , 4 синих и 1 жёлтый.

Решение:

Обозначим через А событие вероятность которого требуется найти в задаче.

Переформулируем задачу в терминах полиномиальной схемы:

n=10 – число испытаний = числу выбранных шаров

m=4 – число вариантов, которые мы различаем в каждом испытании

1 вариант - выбор белого шара

p1=1/3 n1=3

2 вариант - выбор зелёного шара

p2=1/6 n2=2

3 вариант - выбор синего шара

p3=4/15 n3=4

4 вариант - выбор жёлтого шара

p4=7/30 n4=1

P(3,2,4,1)-? (вероятность события, о котором говорится в условии задачи)

p1, p2 , p3, p4 не меняются от опыта к опыту так как выбор производится с возвращением

Проведём расчёт по формуле для полиномиальной схемы:

Гипергеометрическая схема

Пусть имеется n элементов k типов:

n1 первого типа

n2 второго типа

nk k-го типа

Из этих n элементов случайным образом без возвращения выбирают m элементов

Рассмотрим событие A(m1,…,mk), состоящее в том, что среди выбранных m элементов будет

m1 первого типа

m2 второго типа

mk k-го типа

Вероятность этого события рассчитывается по формуле

P(A(m1,…,mk))=(4.11)

Пример 1.

Задача на гипергеометрическую схему (образец к задаче 1.9 Д. з)

Условие

В урне 30 шаров: 10 белых, 5 зелёных, 8 синих и 7 жёлтых (шары различа­ются только цветом). Из урны случайным образом выбирают 10 шаров без возвращения . Найти вероятность того, что среди выбранных шаров будет:3 белых , 2 зелёных , 4 синих и 1 жёлтый.

У нас n=30, k=4,

n1=10, n2=5, n3=8, n4=7,

m1=3, m2=2, m3=4, m4=1

P(A(3,2,4,1))== можно досчитать до числа зная формулу для сочетаний

Пример 2.

Пример расчёта по этой схемы: см. расчёты для игры Спортлото (тема 1)

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 .

Пусть известны их вероятности и соответствующие условные вероятности . Тогда вероятность наступления события равна:

Эта формула получила название формулы полной вероятности . В учебниках она формулируется теоремой, доказательство которой элементарно: согласно алгебре событий , (произошло событие и или произошло событие и после него наступило событие или произошло событие и после него наступило событие или …. или произошло событие и после него наступило событие ) . Поскольку гипотезы несовместны, а событие – зависимо, то по теореме сложения вероятностей несовместных событий (первый шаг) и теореме умножения вероятностей зависимых событий (второй шаг) :

Наверное, многие предчувствуют содержание первого примера =)

Куда ни плюнь – везде урна:

Задача 1

Имеются три одинаковые урны. В первой урне находятся 4 белых и 7 черных шаров, во второй – только белые и в третьей – только черные шары. Наудачу выбирается одна урна и из неё наугад извлекается шар. Какова вероятность того, что этот шар чёрный?

Решение : рассмотрим событие – из наугад выбранной урны будет извлечён чёрный шар. Данное событие может произойти или не произойти в результате осуществления одной из следующих гипотез:
– будет выбрана 1-я урна;
– будет выбрана 2-я урна;
– будет выбрана 3-я урна.

Так как урна выбирается наугад, то выбор любой из трёх урн равновозможен , следовательно:

Обратите внимание, что перечисленные гипотезы образуют полную группу событий , то есть, по условию чёрный шар может появиться только из этих урн, а например, не прилететь с бильярдного стола. Проведём простую промежуточную проверку:
, ОК, едем дальше:

В первой урне 4 белых + 7 черных = 11 шаров, по классическому определению :
– вероятность извлечения чёрного шара при условии , что будет выбрана 1-я урна.

Во второй урне только белые шары, поэтому в случае её выбора появление чёрного шара становится невозможным : .

И, наконец, в третьей урне одни чёрные шары, а значит, соответствующая условная вероятность извлечения чёрного шара составит (событие достоверно) .

– вероятность того, что из наугад выбранной урны будет извлечен чёрный шар.

Ответ :

Разобранный пример снова наводит на мысль о том, как важно ВНИКАТЬ В УСЛОВИЕ. Возьмём те же задачи с урнами и шарами – при их внешней схожести способы решения могут быть совершенно разными: где-то требуется применить только классическое определение вероятности , где-то события независимы , где-то зависимы , а где-то речь о гипотезах. При этом не существует чёткого формального критерия для выбора пути решения – над ним почти всегда нужно думать. Как повысить свою квалификацию? Решаем, решаем и ещё раз решаем!

Задача 2

В тире имеются 5 различных по точности боя винтовок. Вероятности попада­ния в мишень для данного стрелка соответственно равны 0,5; 0,55; 0,7; 0,75 и 0,4. Чему равна вероятность попадания в мишень, если стрелок делает один выстрел из слу­чайно выбранной винтовки?

Краткое решение и ответ в конце урока.

В большинстве тематических задач гипотезы, конечно же, не равновероятны:

Задача 3

В пирамиде 5 винтовок, три из которых снабжены оптическим прицелом. Вероятность того, что стрелок поразит мишень при выстреле из винтовки с оптическим прицелом, равна 0,95; для винтовки без оптического прицела эта вероятность равна 0,7. Найти вероятность того, что мишень будет поражена, если стрелок производит один выстрел из наудачу взятой винтовки.

Решение : в этой задаче количество винтовок точно такое же, как и в предыдущей, но вот гипотезы всего две:
– стрелок выберет винтовку с оптическим прицелом;
– стрелок выберет винтовку без оптического прицела.
По классическому определению вероятности : .
Контроль:

Рассмотрим событие: – стрелок поразит мишень из наугад взятой винтовки.
По условию: .

По формуле полной вероятности:

Ответ : 0,85

На практике вполне допустим укороченный способ оформления задачи, который вам тоже хорошо знаком:

Решение : по классическому определению: – вероятности выбора винтовки с оптическим и без оптического прицела соответственно.

По условию, – вероятности попадания в мишень из соответствующих типов винтовок.

По формуле полной вероятности:
– вероятность того, что стрелок поразит мишень из наугад выбранной винтовки.

Ответ : 0,85

Следующая задача для самостоятельного решения:

Задача 4

Двигатель работает в трёх режимах: нормальном, форсированном и на холостом ходу. В режиме холостого хода вероятность его выхода из строя равна 0,05, при нормальном режиме работы – 0,1, а при форсированном – 0,7. 70% времени двигатель работает в нормальном режиме, а 20% – в форсированном. Какова вероятность выхода из строя двигателя во время работы?

На всякий случай напомню – чтобы получить значения вероятностей проценты нужно разделить на 100. Будьте очень внимательны! По моим наблюдениям, условия задач на формулу полной вероятности частенько пытаются подзапутать; и я специально подобрал такой пример. Скажу по секрету – сам чуть не запутался =)

Решение в конце урока (оформлено коротким способом)

Задачи на формулы Байеса

Материал тесно связан с содержанием предыдущего параграфа. Пусть событие наступило в результате осуществления одной из гипотез . Как определить вероятность того, что имела место та или иная гипотеза?

При условии , что событие уже произошло , вероятности гипотез переоцениваются по формулам, которые получили фамилию английского священника Томаса Байеса:

– вероятность того, что имела место гипотеза ;
– вероятность того, что имела место гипотеза ;
…
– вероятность того, что имела место гипотеза .

На первый взгляд кажется полной нелепицей – зачем пересчитывать вероятности гипотез, если они и так известны? Но на самом деле разница есть:

– это априорные (оцененные до испытания) вероятности.

– это апостериорные (оцененные после испытания) вероятности тех же гипотез, пересчитанные в связи «со вновь открывшимися обстоятельствами » – с учётом того факта, что событие достоверно произошло .

Рассмотрим это различие на конкретном примере:

Задача 5

На склад поступило 2 партии изделий: первая – 4000 штук, вторая – 6000 штук. Средний процент нестандартных изделий в первой партии составляет 20%, а во второй – 10%. Наудачу взятое со склада изделие оказалось стандартным. Найти вероятность того, что оно: а) из первой партии, б) из второй партии.

Первая часть решения состоит в использовании формулы полной вероятности. Иными словами, вычисления проводятся в предположении, что испытание ещё не произведено и событие «изделие оказалось стандартным» пока не наступило.

Рассмотрим две гипотезы:
– наудачу взятое изделие будет из 1-й партии;
– наудачу взятое изделие будет из 2-й партии.

Всего: 4000 + 6000 = 10000 изделий на складе. По классическому определению :
.

Контроль:

Рассмотрим зависимое событие: – наудачу взятое со склада изделие будет стандартным.

В первой партии 100% – 20% = 80% стандартных изделий, поэтому: при условии , что оно принадлежит 1-й партии.

Аналогично, во второй партии 100% – 10% = 90% стандартных изделий и – вероятность того, что наудачу взятое на складе изделие будет стандартным при условии , что оно принадлежит 2-й партии.

По формуле полной вероятности:
– вероятность того, что наудачу взятое на складе изделие будет стандартным.

Часть вторая. Пусть наудачу взятое со склада изделие оказалось стандартным. Эта фраза прямо прописана в условии, и она констатирует тот факт, что событие произошло .

По формулам Байеса:

а) – вероятность того, что выбранное стандартное изделие принадлежит 1-й партии;

б) – вероятность того, что выбранное стандартное изделие принадлежит 2-й партии.

После переоценки гипотезы , разумеется, по-прежнему образуют полную группу :
(проверка;-))

Ответ :

Понять смысл переоценки гипотез нам поможет Иван Васильевич, которой снова сменил профессию и стал директором завода. Он знает, что сегодня 1-й цех отгрузил на склад 4000, а 2-й цех – 6000 изделий, и приходит удостовериться в этом. Предположим, вся продукция однотипна и находится в одном контейнере. Естественно, Иван Васильевич предварительно подсчитал, что изделие, которое он сейчас извлечёт для проверки, с вероятностью будет выпущено 1-м цехом и с вероятностью – вторым. Но после того как выбранное изделие оказывается стандартным, он восклицает: «Какой же классный болт! – его скорее выпустил 2-й цех». Таким образом, вероятность второй гипотезы переоценивается в лучшую сторону , а вероятность первой гипотезы занижается: . И эта переоценка небезосновательна – ведь 2-й цех произвёл не только больше изделий, но и работает в 2 раза лучше!

Вы скажете, чистый субъективизм? Отчасти – да, более того, сам Байес интерпретировал апостериорные вероятности как уровень доверия . Однако не всё так просто – в байесовском подходе есть и объективное зерно. Ведь вероятности того, что изделие будет стандартным (0,8 и 0,9 для 1-го и 2-го цехов соответственно) это предварительные (априорные) и средние оценки. Но, выражаясь философски – всё течёт, всё меняется, и вероятности в том числе. Вполне возможно, что на момент исследования более успешный 2-й цех повысил процент выпуска стандартных изделий (и/или 1-й цех снизил) , и если проверить бОльшее количество либо все 10 тысяч изделий на складе, то переоцененные значения окажутся гораздо ближе к истине.

Кстати, если Иван Васильевич извлечёт нестандартную деталь, то наоборот – он будет больше «подозревать» 1-й цех и меньше – второй. Предлагаю убедиться в этом самостоятельно:

Задача 6

На склад поступило 2 партии изделий: первая – 4000 штук, вторая – 6000 штук. Средний процент нестандартных изделий в первой партии 20%, во второй – 10%. Наудачу взятое со склада изделие оказалось не стандартным. Найти вероятность того, что оно: а) из первой партии, б) из второй партии.

Условие отличатся двумя буквами, которые я выделил жирным шрифтом. Задачу можно решить с «чистого листа», или воспользоваться результатами предыдущих вычислений. В образце я провёл полное решение, но чтобы не возникло формальной накладки с Задачей №5, событие «наудачу взятое со склада изделие будет нестандартным» обозначено через .

Байесовская схема переоценки вероятностей встречается повсеместно, причём её активно эксплуатируют и различного рода мошенники. Рассмотрим ставшее нарицательным АО на три буквы, которое привлекает вклады населения, якобы куда-то их инвестирует, исправно выплачивает дивиденды и т.д. Что происходит? Проходит день за днём, месяц за месяцем и всё новые и новые факты, донесённые путём рекламы и «сарафанным радио», только повышают уровень доверия к финансовой пирамиде (апостериорная байесовская переоценка в связи с произошедшими событиями!) . То есть, в глазах вкладчиков происходит постоянное увеличение вероятности того, что «это серьёзная контора» ; при этом вероятность противоположной гипотезы («это очередные кидалы») , само собой, уменьшается и уменьшается. Дальнейшее, думаю, понятно. Примечательно, что заработанная репутация даёт организаторам время успешно скрыться от Ивана Васильевича, который остался не только без партии болтов, но и без штанов.

К не менее любопытным примерам мы вернёмся чуть позже, а пока на очереди, пожалуй, самый распространенный случай с тремя гипотезами:

Задача 7

Электролампы изготавливаются на трех заводах. 1-й завод производит 30% общего количества ламп, 2-й – 55%, а 3-й – остальную часть. Продукция 1-го завода содержит 1% бракованных ламп, 2-го – 1,5%, 3-го – 2%. В магазин поступает продукция всех трех заводов. Купленная лампа оказалась с браком. Какова вероятность того, что она произведена 2-м заводом?

Заметьте, что в задачах на формулы Байеса в условии обязательно фигурирует некое произошедшее событие, в данном случае – покупка лампы.

Событий прибавилось, и решение удобнее оформить в «быстром» стиле.

Алгоритм точно такой же: на первом шаге находим вероятность того, что купленная лампа вообще окажется бракованной.

Пользуясь исходными данными, переводим проценты в вероятности:
– вероятности того, что лампа произведена 1-м, 2-м и 3-м заводами соответственно.
Контроль:

Аналогично: – вероятности изготовления бракованной лампы для соответствующих заводов.

По формуле полной вероятности:

– вероятность того, что купленная лампа окажется с браком.

Шаг второй. Пусть купленная лампа оказалась бракованной (событие произошло)

По формуле Байеса:
– вероятность того, что купленная бракованная лампа изготовлена вторым заводом

Ответ :

Почему изначальная вероятность 2-й гипотезы после переоценки увеличилась ? Ведь второй завод производит средние по качеству лампы (первый – лучше, третий – хуже). Так почему же возросла апостериорная вероятность, что бракованная лампа именно со 2-го завода? Это объясняется уже не «репутацией», а размером. Так как завод №2 выпустил самое большое количество ламп, то на него (по меньшей мере, субъективно) и пеняют: «скорее всего, эта бракованная лампа именно оттуда» .

Интересно заметить, что вероятности 1-й и 3-й гипотез, переоценились в ожидаемых направлениях и сравнялись:

Контроль: , что и требовалось проверить.

К слову, о заниженных и завышенных оценках:

Задача 8

В студенческой группе 3 человека имеют высокий уровень подготовки, 19 человек – средний и 3 – низкий. Вероятности успешной сдачи экзамена для данных студентов соответственно равны: 0,95; 0,7 и 0,4. Известно, что некоторый студент сдал экзамен. Какова вероятность того, что:

а) он был подготовлен очень хорошо;
б) был подготовлен средне;
в) был подготовлен плохо.

Проведите вычисления и проанализируйте результаты переоценки гипотез.

Задача приближена к реальности и особенно правдоподобна для группы студентов-заочников, где преподаватель практически не знает способностей того или иного студента. При этом результат может послужить причиной довольно-таки неожиданных последствий (особенно это касается экзаменов в 1-м семестре) . Если плохо подготовленному студенту посчастливилось с билетом, то преподаватель с большой вероятностью сочтёт его хорошо успевающим или даже сильным студентом, что принесёт неплохие дивиденды в будущем (естественно, нужно «поднимать планку» и поддерживать свой имидж) . Если же студент 7 дней и 7 ночей учил, зубрил, повторял, но ему просто не повезло, то дальнейшие события могут развиваться в самом скверном ключе – с многочисленными пересдачами и балансировкой на грани вылета.

Что и говорить, репутация – это важнейший капитал, не случайно многие корпорации носят имена-фамилии своих отцов-основателей, которые руководили делом 100-200 лет назад и прославились своей безупречной репутацией.

Да, байесовский подход в известной степени субъективен, но… так устроена жизнь!

Закрепим материал заключительным индустриальным примером, в котором я расскажу о до сих пор не встречавшихся технических тонкостях решения:

Задача 9

Три цеха завода производят однотипные детали, которые поступают на сборку в общий контейнер. Известно, что первый цех производит в 2 раза больше деталей, чем второй цех, и в 4 раза больше третьего цеха. В первом цехе брак составляет 12%, во втором – 8%, в третьем – 4%. Для контроля из контейнера берется одна деталь. Какова вероятность того, что она окажется бракованной? Какова вероятность того, что извлечённую бракованную деталь выпустил 3-й цех?

Таки Иван Васильевич снова на коне =) Должен же быть у фильма счастливый конец =)

Решение : в отличие от Задач №№5-8 здесь в явном виде задан вопрос, который разрешается с помощью формулы полной вероятности. Но с другой стороны, условие немного «зашифровано», и разгадать этот ребус нам поможет школьный навык составлять простейшие уравнения. За «икс» удобно принять наименьшее значение:

Пусть – доля деталей, выпускаемая третьим цехом.

По условию, первый цех производит в 4 раза больше третьего цеха, поэтому доля 1-го цеха составляет .

Кроме того, первый цех производит изделий в 2 раза больше, чем второй цех, а значит, доля последнего: .

Составим и решим уравнение:

Таким образом: – вероятности того, что извлечённая из контейнера деталь выпущена 1-м, 2-м и 3-м цехами соответственно.

Контроль: . Кроме того, будет не лишним ещё раз посмотреть на фразу «Известно, что первый цех производит изделий в 2 раза больше второго цеха и в 4 раза больше третьего цеха» и убедиться, что полученные значения вероятностей действительно соответствуют этому условию.

За «икс» изначально можно было принять долю 1-го либо долю 2-го цеха – вероятности выйдут такими же. Но, так или иначе, самый трудный участок пройден, и решение входит в накатанную колею:

Из условия находим:
– вероятности изготовления бракованной детали для соответствующих цехов.

По формуле полной вероятности:
– вероятность того, что наугад извлеченная из контейнера деталь окажется нестандартной.

Вопрос второй: какова вероятность того, что извлечённую бракованную деталь выпустил 3-й цех? Данный вопрос предполагает, что деталь уже извлечена, и она оказалось бракованной. Переоцениваем гипотезу по формуле Байеса:
– искомая вероятность. Совершенно ожидаемо – ведь третий цех производит не только самую малую долю деталей, но и лидирует по качеству!

В данном случае пришлось упрощать четырёхэтажную дробь , что в задачах на формулы Байеса приходится делать довольно часто. Но для данного урока я как-то так случайно подобрал примеры, в которых многие вычисления можно провести без обыкновенных дробей.

Коль скоро в условии нет пунктов «а» и «бэ», то ответ лучше снабдить текстовыми комментариями:

Ответ : – вероятность того, что извлечённая из контейнера деталь окажется бракованной; – вероятность того, что извлечённую бракованную деталь выпустил 3-й цех.

Как видите, задачи на формулу полной вероятности и формулы Байеса достаточно простЫ, и, наверное, по этой причине в них так часто пытаются затруднить условие, о чём я уже упоминал в начале статьи.

Дополнительные примеры есть в файле с готовыми решениями на Ф.П.В. и формулы Байеса , кроме того, наверное, найдутся желающие более глубоко ознакомиться с данной темой в других источниках. А тема действительно очень интересная – чего только стОит один парадокс Байеса , который обосновывает тот житейский совет, что если у человека диагностирована редкая болезнь, то ему имеет смысл провести повторное и даже два повторных независимых обследования. Казалось бы, это делают исключительно от отчаяния… – а вот и нет! Но не будем о грустном.

– вероятность того, что произвольно выбранный студент сдаст экзамен.
Пусть студент сдал экзамен. По формулам Байеса:
а) – вероятность того, что студент, сдавший экзамен, был подготовлен очень хорошо. Объективная исходная вероятность оказывается завышенной, поскольку почти всегда некоторым «середнячкам» везёт с вопросами и они отвечают очень сильно, что вызывает ошибочное впечатление безупречной подготовки.
б) – вероятность того, что студент, сдавший экзамен, был подготовлен средне. Исходная вероятность оказывается чуть завышенной, т.к. студентов со средним уровнем подготовки обычно большинство, кроме того, сюда преподаватель отнесёт неудачно ответивших «отличников», а изредка и плохо успевающего студента, которому крупно повезло с билетом.
в) – вероятность того, что студент, сдавший экзамен, был подготовлен плохо. Исходная вероятность переоценилась в худшую сторону. Неудивительно.
Проверка:
Ответ :