Байесовская вероятность: Интерпретация и применение
Bayesian probability
Байесовская вероятность: интерпретация вероятности как степени уверенности или знания. Обновление априорной вероятности на основе данных. Логика и гипотезы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Байесовская вероятность – интерпретация понятия вероятности, в которой, вместо частоты или предрасположенности к тому или иному явлению, вероятность интерпретируется как обоснованное ожидание, представляющее собой состояние знания, или как количественная оценка личной убежденности. Байесовская интерпретация вероятности может рассматриваться как расширение логики высказываний, позволяющее рассуждать с гипотезами, то есть с утверждениями, истинность или ложность которых неизвестна. В байесовском подходе вероятность присваивается гипотезе, в то время как при частотном подходе гипотеза обычно проверяется без присвоения ей вероятности. Байесовская вероятность относится к категории доказательных вероятностей; для оценки вероятности гипотезы, байесовский вероятностник определяет априорную вероятность. Эта вероятность, в свою очередь, обновляется до апостериорной вероятности на основе новых, релевантных данных (доказательств). Байесовская интерпретация предоставляет стандартный набор процедур и формул для выполнения этого вычисления. Термин «байесовский» происходит от имени математика и теолога XVIII века Томаса Бейса, который представил первое математическое решение нетривиальной задачи статистического анализа данных, используя то, что сейчас известно как байесовский вывод. Математик Пьер-Симон Лаплас был пионером и популяризатором того, что сейчас называется байесовской вероятностью. Для субъективистов вероятность соответствует личной вере. В этом особом случае априорные и апостериорные распределения были бета-распределениями, а данные получены из испытаний Бернулли. Именно Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) ввел обобщенную версию теоремы и использовал ее для решения задач в небесной механике, медицинской статистике, теории надежности и юриспруденции. Ранний байесовский вывод, использовавший равномерные априорные распределения в соответствии с принципом Лапласа о недостатке оснований, назывался «обратной вероятностью» (поскольку он делает вывод в обратном направлении – от наблюдений к параметрам или от следствий к причинам). После 1920-х годов «обратная вероятность» была в значительной степени вытеснена совокупностью методов, которые стали называться частотной статистикой. В объективистском направлении статистический анализ зависит только от предполагаемой модели и анализируемых данных. Субъективные решения не требуются. В отличие от этого, «субъективистские» статистики отрицают возможность полностью объективного анализа в общем случае. В 1980-х годах наблюдался значительный рост исследований и применения байесовских методов, в основном благодаря открытию методов Монте-Карло Марковских цепей и, как следствие, устранению многих вычислительных проблем, а также растущему интересу к нестандартным, сложным приложениям. Хотя частотная статистика остается сильной (что демонстрируется тем фактом, что большая часть обучения в бакалавриате основана на ней), байесовские методы широко признаны и используются, например, в области машинного обучения.
Interpretation of probabilityBayesian probability ('/b//eɪ//z//i//ən/ BAYzeeən or '/b//eɪ//ʒ//ən/ BAYzhən) is an interpretation of the concept of probability, in which, instead of frequency or propensity of some phenomenon, probability is interpreted as reasonable expectation representing a state of knowledge or as quantification of a personal belief. The Bayesian interpretation of probability can be seen as an extension of propositional logic that enables reasoning with hypotheses; that is, with propositions whose truth or falsity is unknown. In the Bayesian view, a probability is assigned to a hypothesis, whereas under frequentist inference, a hypothesis is typically tested without being assigned a probability. Bayesian probability belongs to the category of evidential probabilities; to evaluate the probability of a hypothesis, the Bayesian probabilist specifies a prior probability. This, in turn, is then updated to a posterior probability in the light of new, relevant data (evidence). The Bayesian interpretation provides a standard set of procedures and formulae to perform this calculation. The term Bayesian derives from the 18th century mathematician and theologian Thomas Bayes, who provided the first mathematical treatment of a non trivial problem of statistical data analysis using what is now known as Bayesian inference. Mathematician Pierre Simon Laplace pioneered and popularized what is now called Bayesian probability. For subjectivists, probability corresponds to a personal belief. In that special case, the prior and posterior distributions were beta distributions and the data came from Bernoulli trials. It was Pierre Simon Laplace (1749–1827) who introduced a general version of the theorem and used it to approach problems in celestial mechanics, medical statistics, reliability, and jurisprudence. Early Bayesian inference, which used uniform priors following Laplace's principle of insufficient reason, was called "inverse probability" (because it infers backwards from observations to parameters, or from effects to causes). After the 1920s, "inverse probability" was largely supplanted by a collection of methods that came to be called frequentist statistics. In the objectivist stream, the statistical analysis depends on only the model assumed and the data analysed. No subjective decisions need to be involved. In contrast, "subjectivist" statisticians deny the possibility of fully objective analysis for the general case. In the 1980s, there was a dramatic growth in research and applications of Bayesian methods, mostly attributed to the discovery of Markov chain Monte Carlo methods and the consequent removal of many of the computational problems, and to an increasing interest in nonstandard, complex applications. While frequentist statistics remains strong (as demonstrated by the fact that much of undergraduate teaching is based on it ), Bayesian methods are widely accepted and used, e. g., in the field of machine learning.
Обоснование
Использование байесовских вероятностей в основе байесовского вывода подкрепляется рядом аргументов, включая аксиомы Кокса, аргумент против «голландской книги», аргументы, основанные на теории принятия решений, и теорему де Финетти.
The use of Bayesian probabilities as the basis of Bayesian inference has been supported by several arguments, such as Cox axioms, the Dutch book argument, arguments based on decision theory and de Finetti's theorem.
Аксиоматический подход
Ричард Т. Кокс показал, что байесовское обновление следует из нескольких аксиом, включая два функциональных уравнения и гипотезу о дифференцируемости. Предположение о дифференцируемости или даже непрерывности вызывает споры; Халперн нашёл контрпример, основанный на его замечании о том, что булева алгебра высказываний может быть конечной. Другие аксиоматизации были предложены различными авторами с целью повышения строгости теории.
Richard T. Cox showed that Bayesian updating follows from several axioms, including two functional equations and a hypothesis of differentiability. The assumption of differentiability or even continuity is controversial; Halpern found a counterexample based on his observation that the Boolean algebra of statements may be finite. Other axiomatizations have been suggested by various authors with the purpose of making the theory more rigorous.
Голландский подход к книге
Бруно де Финетти предложил аргумент о "голландской книге", основанный на ставках. Умелый букмекер составляет "голландскую книгу", устанавливая коэффициенты и размеры ставок таким образом, чтобы гарантированно получать прибыль за счет игроков, независимо от исхода события (например, скачек), на которое игроки делают ставки. Это связано с тем, что вероятности, подразумеваемые коэффициентами, некорректны. Однако, Йен Хаккинг отметил, что традиционные аргументы о "голландской книге" не специфицируют байесовское обновление: они оставляют возможность того, что небайесовские правила обновления могут избежать "голландской книги". Например, Хаккинг пишет: "Ни аргумент о "голландской книге", ни какое-либо другое доказательство аксиом вероятности в арсенале персоналистов не подразумевает динамическое предположение. Ни одно из них не подразумевает байесовский подход. Следовательно, персоналисту необходимо динамическое предположение, чтобы быть байесовцем. В принципе, персоналист может отказаться от байесовской модели обучения на опыте. Соль может потерять свой вкус". На самом деле существуют небайесовские правила обновления, которые также позволяют избежать "голландской книги" (как обсуждается в литературе по "кинематике вероятностей", появившейся после публикации правила Ричарда К. Джеффри, которое само по себе считается байесовским). Дополнительные гипотезы, необходимые для однозначного определения байесовского обновления, значительны и не общепризнанно считаются удовлетворительными.
Bruno de Finetti proposed the Dutch book argument based on betting. A clever bookmaker makes a Dutch book by setting the odds and bets to ensure that the bookmaker profits—at the expense of the gamblers—regardless of the outcome of the event (a horse race, for example) on which the gamblers bet. It is associated with probabilities implied by the odds not being coherent. However, Ian Hacking noted that traditional Dutch book arguments did not specify Bayesian updating: they left open the possibility that non Bayesian updating rules could avoid Dutch books. For example, Hacking writes "And neither the Dutch book argument, nor any other in the personalist arsenal of proofs of the probability axioms, entails the dynamic assumption. Not one entails Bayesianism. So the personalist requires the dynamic assumption to be Bayesian. It is true that in consistency a personalist could abandon the Bayesian model of learning from experience. Salt could lose its savour." In fact, there are non Bayesian updating rules that also avoid Dutch books (as discussed in the literature on "probability kinematics" following the publication of Richard C. Jeffrey's rule, which is itself regarded as Bayesian). The additional hypotheses sufficient to (uniquely) specify Bayesian updating are substantial and not universally seen as satisfactory.
Теория решений
Теоретическое обоснование использования байесовского вывода (и, следовательно, байесовских вероятностей) было дано Авраамом Уолдом, который доказал, что любая допустимая статистическая процедура является либо байесовской процедурой, либо пределом байесовских процедур. Обратно, любая байесовская процедура допустима.
A decision theoretic justification of the use of Bayesian inference (and hence of Bayesian probabilities) was given by Abraham Wald, who proved that every admissible statistical procedure is either a Bayesian procedure or a limit of Bayesian procedures. Conversely, every Bayesian procedure is admissible.