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.

Цель работы: сформировать навыки решения задач по теории вероятностей с помощью формулы полной вероятности и формулы Байеса.

Формула полной вероятности

Вероятность события А , которое может наступить лишь при условии появления одного из несовместных событий В х,В 2 ,...,В п, образующих полную группу, равна сумме произведений вероятностей каждого из этих событий на соответствующую условную вероятность события А:

Эту формулу называют формулой полной вероятности.

Вероятность гипотез. Формула Байеса

Пусть событие А может наступить при условии появления одного из несовместных событий В ь В 2 ,...,В п, образующих полную группу. Поскольку заранее неизвестно, какое из этих событий наступит, их называют гипотезами. Вероятность появления события А определяется по формуле полной вероятности:

Допустим, что произведено испытание, в результате которого появилось событие А . Требуется определить, как изменились (в связи с тем, что событие А уже наступило) вероятности гипотез. Условные вероятности гипотез находят по формуле

В этой формуле индекс / = 1,2

Эту формулу называют формулой Байеса (по имени английского математика, который её вывел; опубликована в 1764 г.). Формула Байеса позволяет переоценить вероятности гипотез после того, как становится известным результат испытания, в итоге которого появилось событие А .

Задача 1. Завод изготавливает определённого типа детали, каждая деталь имеет дефект с вероятностью 0,05. Деталь осматривается одним контролёром; он обнаруживает дефект с вероятностью 0,97, а если дефект не обнаружен, пропускает деталь в готовую продукцию. Кроме того, контролер может по ошибке забраковать деталь, не имеющую дефекта; вероятность этого равна 0,01. Найти вероятности следующих событий: А - деталь будет забракована; В - деталь будет забракована, но ошибочно; С - деталь будет пропущена в готовую продукцию с дефектом.

Решение

Обозначим гипотезы:

Н = (на контроль поступит стандартная деталь);

Н =(на контроль поступит нестандартная деталь).

Событие А = (деталь будет забракована).

Из условия задачи находим вероятности

Р Н (А) = 0,01; Pfi(A) = 0,97.

По формуле полной вероятности получаем

Вероятность того, что деталь будет забракована ошибочно, равна

Найдём вероятность того, что деталь будет пропущена в готовую продукцию с дефектом:

Ответ:

Задача 2. Изделие проверяется на стандартность одним из трёх товароведов. Вероятность того, что изделие попадёт к первому товароведу, равна 0,25, ко второму - 0,26 и к третьему - 0,49. Вероятность того, что изделие будет признано стандартным первым товароведом, равна 0,95, вторым - 0,98, третьим - 0,97. Найти вероятность того, что стандартное изделие проверено вторым контролёром.

Решение

Обозначим события:

Л. = (изделие для проверки попадёт к /-му товароведу); / = 1, 2, 3;

В = (изделие будет признано стандартным).

По условию задачи известны вероятности:

Также известны условные вероятности

По формуле Байеса находим вероятность того, что стандартное изделие проверено вторым контролёром:

Ответ: «0,263.

Задача 3. Два автомата производят детали, которые поступают на общий конвейер. Вероятность получения нестандартной детали на первом автомате равна 0,06, а на втором - 0,09. Производительность второго автомата вдвое больше, чем первого. С конвейера взята нестандартная деталь. Найти вероятность того, что эта деталь произведена вторым автоматом.

Решение

Обозначим события:

А. = (взятая с конвейера деталь произведена /-м автоматом); / = 1,2;

В = (взятая деталь окажется нестандартной).

Также известны условные вероятности

По формуле полной вероятности находим

По формуле Байеса находим вероятность того, что взятая нестандартная деталь произведена вторым автоматом:

Ответ: 0,75.

Задача 4. Испытывается прибор, состоящий из двух узлов, надёжность которых равна 0,8 и 0,9 соответственно. Узлы отказывают независимо друг от друга. Прибор отказал. Найти с учётом этого вероятности гипотез:

• а) неисправен только первый узел;
• б) неисправен только второй узел;
• в) неисправны оба узла.

Решение

Обозначим события:

Д = (7-й узел не выйдет из строя); i = 1,2;

Д - соответствующие противоположные события;

А = (при испытании будет отказ прибора).

Из условия задачи получаем: Р(Д) = 0,8; Р(Л 2) = 0,9.

По свойству вероятностей противоположных событий

Событие А равно сумме произведений независимых событий

Используя теорему сложения вероятностей несовместных событий и теорему умножения вероятностей независимых событий, получаем

Теперь находим вероятности гипотез:

Ответ:

Задача 5. На заводе болты изготавливаются на трёх станках, которые производят соответственно 25%, 30% и 45% всего количества болтов. В продукции станков брак составляет соответственно 4%, 3% и 2%. Какова вероятность того, что болт, случайно взятый из поступившей продукции, окажется дефектным?

Решение

Обозначим события:

4 = (наудачу взятый болт изготовлен на /-м станке); i = 1, 2, 3;

В = (взятый наудачу болт окажется дефектным).

Из условия задачи по формуле классической вероятности находим вероятности гипотез:

Также по формуле классической вероятности находим условные вероятности:

По формуле полной вероятности находим

Ответ: 0,028.

Задача 6. Электронная схема принадлежит одной из трёх партий с вероятностями 0,25; 0,5 и 0,25. Вероятность того, что схема проработает сверх гарантийного срока службы для каждой из партий, соответственно составляет 0,1; 0,2 и 0,4. Найти вероятность того, что наугад взятая схема проработает сверх гарантийного срока службы.

Решение

Обозначим события:

4 = (наугад взятая схема из г-й партии); i = 1, 2, 3;

В = (наугад взятая схема проработает сверх гарантийного срока службы).

По условию задачи известны вероятности гипотез:

Также известны условные вероятности:

По формуле полной вероятности находим

Ответ: 0,225.

Задача 7. Прибор содержит два блока, исправность каждого из которых необходима для функционирования прибора. Вероятности безотказной работы для этих блоков соответственно равны 0,99 и 0,97. Прибор вышел из строя. Определить вероятность того, что отказали оба блока.

Решение

Обозначим события:

Д = (z-й блок выйдет из строя); i = 1,2;

А = (устройство выйдет из строя).

Из условия задачи по свойству вероятностей противоположных событий получаем: ДД) = 1-0,99 = 0,01; ДД) = 1-0,97 = 0,03.

Событие А наступает только тогда, когда наступает хотя бы одно из событий Д или А 2 . Поэтому это событие равно сумме событий А = Д + А 2 .

По теореме сложения вероятностей совместных событий получаем

По формуле Байеса находим вероятность того, что устройство вышло из строя из-за отказа обоих блоков.

Ответ:

Задачи для самостоятельного решения Задача 1. На складе телевизионного ателье имеется 70% кинескопов, изготовленных заводом № 1; остальные кинескопы изготовлены заводом № 2. Вероятность того, что кинескоп не выйдет из строя в течение гарантийного срока службы, равна 0,8 для кинескопов завода № 1 и 0,7 - для кинескопов завода № 2. Кинескоп выдержал гарантийный срок службы. Найти вероятность того, что он изготовлен заводом № 2.

Задача 2. На сборку поступают детали с трёх автоматов. Известно, что 1-й автомат даёт 0,3% брака, 2-й - 0,2%, 3-й - 0,4%. Найти вероятность поступления на сборку бракованной детали, если с 1-го автомата поступили 1000, со 2-го - 2000, с 3-го - 2500 деталей.

Задача 3. На двух станках производятся одинаковые детали. Вероятность того, что деталь, произведённая на первом станке, будет стандартной, равна 0,8, а на втором - 0,9. Производительность второго станка втрое больше производительности первого. Найти вероятность того, что стандартной будет деталь, взятая наудачу с транспортёра, на который поступают детали с обоих станков.

Задача 4. Руководитель компании решил воспользоваться услугами двух из трёх транспортных фирм. Вероятности несвоевременной доставки груза для первой, второй и третьей фирм равны соответственно 0,05; 0,1 и 0,07. Сопоставив эти данные с данными о безопасности грузоперевозок, руководитель пришёл к выводу о равнозначности выбора и решил сделать его по жребию. Найти вероятность того, что отправленный груз будет доставлен своевременно.

Задача 5. Прибор содержит два блока, исправность каждого из которых необходима для функционирования прибора. Вероятности безотказной работы для этих блоков соответственно равны 0,99 и 0,97. Прибор вышел из строя. Определите вероятность того, что отказал второй блок.

Задача 6. В сборочный цех поступают детали с трёх автоматов. Первый автомат даёт 3% брака, второй - 1% и третий - 2%. Определить вероятность попадания на сборку небракованной детали, если с каждого автомата поступило соответственно 500, 200, 300 деталей.

Задача 7. На склад поступает продукция трёх фирм. Причём продукция первой фирмы составляет 20%, второй - 46% и третьей - 34%. Известно также, что средний процент нестандартных изделий для первой фирмы равен 5%, для второй - 2% и для третьей - 1%. Найти вероятность того, что наудачу взятое изделие произведено второй фирмой, если оно оказалось стандартным.

Задача 8. Брак в продукции завода вследствие дефекта а составляет 5%, причём среди забракованных по признаку а продукции в 10% случаев встречается дефект р. А в продукции, свободной от дефекта а , дефект р встречается в 1% случаев. Найти вероятность встречи дефекта Р во всей продукции.

Задача 9. В фирме имеются 10 новых автомобилей и 5 старых, которые ранее находились в ремонте. Вероятность исправной работы для нового авто равна 0,94, старого - 0,91. Найти вероятность того, что наудачу выбранный автомобиль будет исправно работать.

Задача 10. Два датчика посылают сигналы в общий канал связи, причём первый из них посылает вдвое больше сигналов, чем второй. Вероятность получить искажённый сигнал от первого датчика равна 0,01, от второго - 0,03. Какова вероятность получить искажённый сигнал в общем канале связи?

Задача 11. Имеется пять партий изделий: три партии по 8 штук, из которых 6 стандартных и 2 нестандартных, и две партии по 10 штук, из которых 7 стандартных и 3 нестандартных. Наудачу выбирают одну из партий, а из этой партии берут деталь. Определить вероятность того, что взятая деталь будет стандартной.

Задача 12. Сборщик получает в среднем 50% деталей первого завода, 30% - второго завода и 20% - третьего завода. Вероятность того, что деталь первого завода отличного качества, равна 0,7; для деталей второго и третьего заводов соответственно 0,8 и 0,9. Наудачу взятая деталь оказалась отличного качества. Найти вероятность того, что деталь изготовлена первым заводом.

Задача 13. Таможенный досмотр автомашин осуществляют два инспектора. В среднем из 100 машин 45 проходят через первого инспектора. Вероятность того, что при досмотре машина, соответствующая таможенным правилам, не будет задержана, составляет 0,95 у первого инспектора и 0,85 - у второго. Найти вероятность того, что машина, соответствующая таможенным правилам, не будет задержана.

Задача 14. Детали, необходимые для сборки прибора, поступают с двух автоматов, производительность которых одинакова. Вычислите вероятность поступления на сборку стандартной детали, если один из автоматов даёт в среднем 3% нарушения стандарта, а второй - 2%.

Задача 15. Тренер по тяжёлой атлетике рассчитал, что для получения командных зачётных очков в данной весовой категории спортсмен должен толкнуть штангу в 200 кг. На место в команде претендуют Иванов, Петров и Сидоров. Иванов за время тренировок пытался поднять такой вес в 7 случаях, а поднял в 3 из них. Петров поднял в 6 случаях из 13, а Сидоров имеет 35%-ную вероятность успешно справиться со штангой. Тренер случайным жребием выбирает одного спортсмена в команду.

• а) Найти вероятность того, что выбранный спортсмен принесёт команде зачётные очки.
• б) Команда не получила зачётных очков. Найти вероятность того, что выступал Сидоров.

Задача 16. В белом ящике 12 красных и 6 синих шаров. В черном - 15 красных и 10 синих шаров. Бросают игральный кубик. Если выпадет количество очков, кратное 3, то наугад берут шар из белого ящика. Если выпадет любое другое количество очков, то наугад берут шар из черного ящика. Какова вероятность появления красного шара?

Задача 17. В двух ящиках имеются радиолампы. В первом ящике содержится 12 ламп, из них 1 нестандартная; во втором 10 ламп, из них 1 нестандартная. Из первого ящика наудачу взята лампа и переложена во второй. Найти вероятность того, что наудачу извлеченная из второго ящика лампа будет нестандартной.

Задача 18. В урну, содержащую два шара, опущен белый шар, после чего из нее наудачу извлечен один шар. Найти вероятность того, что извлеченный шар окажется белым, если равновозможны все возможные предположения о первоначальном составе шаров (по цвету).

Задача 19. В ящик, содержащий 3 одинаковые детали, брошена стандартная деталь, а затем наудачу одна деталь извлечена. Найти вероятность того, что извлечена стандартная деталь, если равновероятны все возможные предположения о числе стандартных деталей, первоначально находящихся в ящике.

Задача 20. Для улучшения качества радиосвязи используются два радиоприемника. Вероятность приема сигнала каждым приемником равна 0,8, и эти события (прием сигнала приемником) независимы. Определить вероятность приема сигнала, если вероятность безотказной работы за время сеанса радиосвязи для каждого приемника равна 0,9.

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

2) их объединение образует пространство элементарных исходов W:

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 =

P (A ) = P (

Если учесть, что по теореме умножения P (

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

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

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.

Сигнал и шум. Почему одни прогнозы сбываются, а другие – нет Сильвер Нейт

Простая математика теоремы Байеса

Если философская подоплека теоремы Байеса удивительно глубока, то ее математика потрясающе проста. В своей базовой форме это всего лишь алгебраическое выражение с тремя известными переменными и одной неизвестной. Однако эта простая формула способна привести к инсайтам в предсказаниях.

Теорема Байеса прямо связана с условной вероятностью. Иными словами, она позволяет рассчитать вероятность какой-либо теории или гипотезы, если произойдет какое-либо событие. Представьте себе, что вы живете с партнером и, вернувшись домой из командировки, обнаруживаете незнакомую пару нижнего белья в своем гардеробе. Возможно, вы зададитесь вопросом: какова вероятность того, что ваш партнер вас обманывает? Условие состоит в том, вы найдете белье; гипотеза состоит в том, что вы заинтересованы оценить вероятность того, что вас обманывают. Хотите – верьте, хотите – нет, но теорема Байеса способна дать вам ответ на вопрос такого рода – при условии того, что вы знаете (или хотите оценить) три качества.

Прежде всего вы должны оценить вероятность появления белья как условие правильности гипотезы – то есть при условии того, что вам изменяют.

Для решения этой проблемы давайте предположим, что вы женщина, а ваш партнер – мужчина, а предметом спора выступает пара трусиков. Если он вам изменяет, то несложно представить себе, как в ваш гардероб могли попасть чужие трусики. Но, даже если (или даже особенно в том случае если) он вам изменяет, вы можете ожидать, что он ведет себя достаточно осторожно. Давайте скажем, что вероятность появления трусиков при условии того, что он вас обманывает, составляет 50 %.

Во-вторых, вы должны оценить вероятность появления белья при условии того, что гипотеза неверна.

Если муж вам не изменяет, должны быть другие, более невинные объяснения появления трусиков в вашем гардеробе. Некоторые из них могут оказаться довольно неприятными (например, это могли бы быть его собственные трусики). Возможно, что его багаж был по ошибке перепутан с чужим. Возможно, что в его доме по каким-то причинам вполне невинно заночевала какая-то ваша подруга, которой вы доверяете. Трусики могли бы быть подарком вам, который он забыл упаковать. Ни одна из этих теорий не лишена изъянов, хотя порой объяснения в стиле «мое домашнее задание съела собака» действительно оказываются правдой. Вы оцениваете их совокупную вероятность в 5 %.

Третье и самое важное, что вам нужно, – это то, что байесовцы называют априорной вероятностью (или просто априори ). Как вы оценивали вероятность его измены до того , как нашли белье? Разумеется, вам сложно сохранять объективность оценки сейчас, после того как эти трусики появились в поле вашего зрения (в идеале вы оцениваете эту вероятность до того, как начинаете изучать свидетельства). Но иногда оценивать вероятность подобных событий можно эмпирически. Например, в ряде исследований было показано, что в течение любого случайным образом взятого года своим супругам изменяет около 4 % женатых партнеров{570}, так что мы возьмем эту цифру за априорную вероятность.

Если вы произвели оценку всех этих значений, то можете применить теорему Байеса для оценки апостериорной вероятности . Именно в этой цифре мы и заинтересованы больше всего – насколько велика вероятность того, что нам изменяют, при условии что мы нашли чужое белье?

Расчет и простая алгебраическая формула, позволяющая его сделать, приведены в табл. 8.2.

Таблица 8.2. Пример расчета вероятности измены по теореме Байеса

Оказывается, что вероятность измены все равно достаточно мала – 29 %. Это может показаться нелогичным: разве трусики не являются достаточно весомой уликой? Возможно, такой результат связан с тем, что вы использовали слишком низкое априорное значение вероятности его измены.

Хотя у невиновного человека может быть значительно меньше вариантов разумных объяснений появления трусиков, чем у виновного, вы изначально посчитали его невиновным, и это оказало большое влияние на результат расчета по уравнению.

Когда мы априорно в чем-то уверены, мы можем проявить удивительную гибкость даже при появлении новых свидетельств. Одним из классических примеров таких ситуаций является выявление рака груди у женщин в возрасте старше 40 лет. К счастью, вероятность, что у женщины в возрасте после 40 лет разовьется рак груди, довольно невелика и составляет примерно 1,4 %{571}. Однако чему равна вероятность положительного результата на ее маммограмме?

Исследования показывают, что даже если у женщины нет рака, то маммограмма ошибочно покажет его наличие в 10 % случаев{572}. С другой стороны, если у нее есть рак, маммограмма выявит его примерно в 75 % случаев{573}. Увидев эту статистику, вы можете решить, что положительный результат маммограммы означает, что все очень плохо. Однако расчет по теореме Байеса с использованием этих цифр позволяет сделать иное заключение: вероятность наличия рака груди у женщины в возрасте за 40 при условии, что у нее положительная маммограмма , все еще составляет примерно 10 %. В данном случае такой результат расчета по уравнению обусловлен тем, что довольно немного молодых женщин имеют рак груди. Именно поэтому многие врачи рекомендуют женщинам не начинать регулярно делать маммограммы до 50-летнего возраста, после достижения которого априорная вероятность рака груди значительно увеличивается{574}.

Проблемы такого рода, вне всякого сомнения, сложны. Во время недавно проводимого исследования статистической грамотности американцев им приводили этот пример с раком груди. И оказалось, что всего 3 % из них смогли правильно рассчитать значения вероятности{575}. Иногда, немного замедлившись и попробовав визуализировать эту проблему (как показано на рис. 8.2), мы можем легко проверить реальностью свои неточные аппроксимации. Визуализация помогает нам легче увидеть общую картину – поскольку рак груди встречается у молодых женщин крайне редко, сам факт положительного результата маммограммы еще ни о чем не говорит.

Рис. 8.2. Графическое изображение исходных данных для теоремы Байеса на примере с маммограммой

Однако мы обычно склонны ориентироваться на самую новую или самую доступную информацию, и общая картина начинает теряться. Умные игроки вроде Боба Вулгариса научились умело пользоваться подобными недостатками нашего мышления. Вулгарис сделал выгодную ставку на Lakers отчасти потому, что букмекеры уделили слишком много внимания нескольким первым играм Lakers и изменили ставки на выигрыш командой титула с 4 к 1 до 65 к 1. Однако на самом деле команда играла ничуть не хуже, чем могла играть хорошая команда в случае травмы одного из ее звездных игроков. Теорема Байеса требует от нас более внимательно продумывать проблемы такого рода. Она может оказаться крайне полезной для выявления случаев, когда наши аппроксимации, основанные на чутье, оказываются слишком грубыми.

Но я не хочу сказать, что наши априорные ожидания всегда доминируют над новыми свидетельствами или что теорема Байеса всегда приводит к нелогичным, на первый взгляд, результатам. Иногда новые свидетельства оказываются настолько значимыми для нас, что перевешивают все остальное, и мы можем практически моментально изменить свое мнение и стать полностью уверенными в событии, вероятность которого считали почти нулевой.

Давайте рассмотрим более мрачный пример – атаки 11 сентября. Большинство из нас, проснувшись в тот день утром, присваивало практически нулевое значение вероятности того, что террористы примутся разбивать самолеты о небоскребы на Манхэттене. Однако мы признали очевидную возможность террористической атаки после того, как первый самолет врезался во Всемирный торговый центр. И у нас исчезли любые сомнения в том, что на нас было произведено нападение, после того как самолет врезался во вторую башню. Теорема Байеса способна отобразить этот результат.

Допустим, до столкновения первого самолета с башней наши расчеты вероятности террористической атаки на высотные здания Манхэттена составляли лишь 1 шанс из 20 тыс., или 0,005 %. Однако мы также должны были считать достаточно низкой вероятность ситуации, при которой самолет столкнулся бы с башней Всемирного торгового центра по ошибке. Эта цифра может быть рассчитана эмпирически. За период длительностью 25 тыс. дней до событий 11 сентября, в течение которых осуществлялись полеты над Манхэттеном, произошло всего два подобных случая{576}: столкновение с Эмпайр-стейт-билдинг в 1945 г. и с башней на Уолл-стрит, 40, в 1946 г. Следовательно, возможность подобного инцидента составляла примерно 1 шанс из 12 500 в любой случайный день. Если по этим цифрам сделать расчеты с использованием теоремы Байеса (табл. 8.3a), то вероятность террористической атаки повышалась с 0,005 до 38 % в момент столкновения первого самолета со зданием.

Таблица 8.3а.

Однако идея, заложенная в теорему Байеса, заключается в том, что мы не корректируем свои расчеты вероятности только один раз. Мы делаем это постоянно по мере появления новых свидетельств. Таким образом, наша апостериорная вероятность террористической атаки после столкновения первого самолета, равная 38 %, становится нашей априорной возможностью столкновения со вторым.

И если вы еще раз проведете расчеты после столкновения второго самолета с башней Всемирного торгового центра, то увидите, что вероятность террористической атаки 99,99 % сменяется почти полной уверенностью в этом событии. Один несчастный случай в яркий солнечный день в Нью-Йорке был крайне маловероятен, но второй практически не мог не произойти (табл. 8.3б), как мы внезапно и с огромным ужасом поняли.

Таблица 8.3б. Пример расчета вероятности террористической атаки по теореме Байеса

Я сознательно выбрал в качестве примеров довольно сложные случаи – террористические атаки, рак, супружеская измена, – поскольку хочу продемонстрировать масштаб проблем, к решению которых может быть применено байесовское мышление. Теорема Байеса – это не волшебная формула. В ее самой простой формуле, которую мы приводим в этой книге, используются простые арифметические действия по сложению, вычитанию, делению и умножению. Но для того, чтобы она дала нам полезный результат, мы должны снабдить ее информацией, в частности нашими расчетами априорных вероятностей.

Однако теорема Байеса заставляет нас думать о вероятности событий, происходящих в мире, даже когда речь заходит о вопросах, которые мы не хотели бы считать проявлением случайности. Она не требует, чтобы мы воспринимали мир как внутренне, метафизически неопределенный: Лаплас считал, что все, начиная от орбит планет и заканчивая движением мельчайших молекул, управляется упорядоченными ньютоновскими правилами. И тем не менее он сыграл важную роль в развитии теоремы Байеса. Скорее можно сказать, что эта теорема связана с эпистемологической неопределенностью – границами наших знаний.

ПРОСТАЯ АРИФМЕТИКА (Россия и СНГ) Ю. Бялый 18 ноября - В Верховном Совете Белоруссии раскол: 75 депутатов подписали требование объявить Лукашенко импичмент, а 80 депутатов - заявили о верности курсу президента. - В знак несогласия с курсом Лукашенко подали в отставку

НИЗШАЯ МАТЕМАТИКА Денис ТукмаковЯ стоял на остановке в ожидании автобуса и тщетно пытался понять параграф из учебника по высшей математике, который нам задали на сегодня. Я что-то читал про значения синуса, когда услышал вопрос: “Простите, кто автор этого учебника?” Я