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.
Turing computability sense, i. e. no string has zero probability. It is not computable, but it can be approximated. Formally, the probability is not a probability and it is not computable. It is only "lower semi computable" and a "semi measure". By "semi measure", it means that That is, the "probability" does not actually sum up to one, unlike actual probabilities. This is because some inputs to the Turing machine causes it to never halt, which means the probability mass allocated to those inputs is lost. By "lower semi computable", it means there is a Turing machine that, given an input string , can print out a sequence that converges to from below, but there is no such Turing machine that does the same from above.
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.