Введение

В алгоритмической теории информации, алгоритмическая вероятность, также известная как вероятность Соломонова, является математическим методом присвоения априорной вероятности заданному наблюдению. Она была изобретена Рэем Соломоновым в 1960-х годах. Она используется в теории индуктивного вывода и анализе алгоритмов. В своей общей теории индуктивного вывода Соломонов использует этот метод вместе с правилом Байеса для получения вероятностей предсказания будущих результатов работы алгоритма. В используемом математическом формализме наблюдения представлены в виде конечных двоичных строк, рассматриваемых как выходы машин Тьюринга, а универсальное априорное распределение – это распределение вероятностей по множеству конечных двоичных строк, вычисленное на основе распределения вероятностей по программам (то есть входным данным для универсальной машины Тьюринга). Априорное распределение универсально в смысле вычислимости по Тьюрингу, то есть ни одна строка не имеет нулевой вероятности. Оно не является вычислимым, но может быть приближено. Формально, эта величина не является вероятностью и не поддается вычислению. Она лишь "снизу полувычислима" и является "полумерой". Под "полумерой" подразумевается, что "вероятность" не суммируется в единицу, в отличие от настоящих вероятностей. Это происходит потому, что некоторые входные данные для машины Тьюринга приводят к её бесконечному циклу, что означает потерю вероятностной массы, выделенной этим входным данным. Под "снизу полувычислимой" подразумевается, что существует машина Тьюринга, которая, получив на вход строку, может вывести последовательность, сходящуюся к искомому значению снизу, но не существует машины Тьюринга, которая делает то же самое сверху.

Обзор

Алгоритмическая вероятность является основным компонентом теории индуктивного вывода Соломоноффа, теории предсказания, основанной на наблюдениях; она была изобретена с целью использования в машинном обучении; если дана последовательность символов, какой символ будет следующим? Теория Соломоноффа предоставляет ответ, который является оптимальным в определенном смысле, хотя и невычислимым. В отличие, например, от неофициальной теории индуктивного вывода Карла Поппера, теория Соломоноффа математически строга. Четыре основных источника вдохновения для алгоритмической вероятности Соломоноффа: бритва Оккама, принцип множественности объяснений Эпикура, современная теория вычислений (например, использование универсальной машины Тьюринга) и правило Байеса для предсказания. Бритва Оккама и принцип Эпикура по сути являются двумя различными не математическими аппроксимациями универсального априорного распределения. Бритва Оккама: среди теорий, согласующихся с наблюдаемыми явлениями, следует выбирать самую простую. Принцип множественности объяснений Эпикура: если несколько теорий согласуются с наблюдениями, следует сохранять все эти теории. В основе универсального априорного распределения лежит абстрактная модель компьютера, такая как универсальная машина Тьюринга. Любой абстрактный компьютер подойдет, если он является Тьюринг-полным, то есть для каждой вычислимой функции существует хотя бы одна программа, которая вычисляет ее на этом абстрактном компьютере. Абстрактный компьютер используется для придания точного смысла фразе "простое объяснение". В используемом формализме объяснения, или теории явлений, – это компьютерные программы, генерирующие строки наблюдений при запуске на абстрактном компьютере. Каждой компьютерной программе присваивается вес, соответствующий ее длине. Универсальное распределение вероятностей – это распределение вероятностей по всем возможным выходным строкам при случайном вводе, присваивающее каждому конечному выходному префиксу q сумму вероятностей программ, вычисляющих что-либо, начинающееся с q. Таким образом, простое объяснение – это короткая компьютерная программа. Сложное объяснение – это длинная компьютерная программа. Простые объяснения более вероятны, поэтому строка наблюдений с высокой вероятностью генерируется короткой компьютерной программой или, возможно, одним из большого числа немного более длинных программ. Строка наблюдений с низкой вероятностью может быть сгенерирована только длинной компьютерной программой. Алгоритмическая вероятность тесно связана с понятием сложности Колмогорова. Введение сложности Колмогорова было мотивировано теорией информации и проблемами случайности, в то время как Соломонофф ввел алгоритмическую сложность по другой причине: индуктивному рассуждению. Соломонофф изобрел единое универсальное априорное распределение, которое может быть подставлено вместо каждого фактического априорного распределения в правиле Байеса, а сложность Колмогорова стала побочным продуктом. Оно предсказывает наиболее вероятное продолжение наблюдения и предоставляет меру вероятности этого продолжения. Перечисляемая мера Соломоноффа универсальна в определенном мощном смысле, но время вычисления может быть бесконечным. Один из способов решения этой проблемы – вариант алгоритма поиска Леонида Левина, который ограничивает время, затрачиваемое на вычисление успеха возможных программ, при этом более коротким программам отводится больше времени. При длительном выполнении он генерирует последовательность приближений, сходящихся к универсальному распределению вероятностей. Другие методы решения проблемы включают ограничение пространства поиска путем включения обучающих последовательностей. Соломонофф доказал, что это распределение является машинно-инвариантным с точностью до постоянного множителя (известного как теорема об инвариантности).

Интерпретация

Минимальное описание, обеспечивающее естественное представление строки относительно языка, являющегося полным по Тьюрингу, и которое невозможно сжать далее, является несжимаемой и, следовательно, невычислимой строкой. Это соответствует научному пониманию случайности и проясняет причину невычислимости Колмогоровской сложности. Следовательно, любой фрагмент данных имеет необходимое и достаточное представление в терминах случайной строки.

Интерпретация

В вычислимой Вселенной, для явления с кодировкой, порожденной физическим процессом, вероятность этого явления чётко определена и равна сумме вероятностей различных и независимых причин. Критерий независимости префиксов точно гарантирует причинную независимость.

История

Соломонов изобрел концепцию алгоритмической вероятности и связанную с ней теорему инвариантности примерно в 1960 году, опубликовав доклад: "Предварительный доклад об общей теории индуктивного вывода". Он более подробно изложил эти идеи в 1964 году в работе "Формальная теория индуктивного вывода", части I и II.