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先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率

 yiyiyicz 2012-07-06
全概率公式和貝葉斯公式兩個(gè)是相逆關(guān)系,前者是計(jì)算后驗(yàn)概率,后者是通過后驗(yàn)概率計(jì)算先驗(yàn)概率。
先驗(yàn)概率( Prior probability)是指根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和分析得到的概率,如全概率公式,它往往作為“由因求果”問題中的“因”出現(xiàn)。
后驗(yàn)概率( posterior probability)是指在得到“結(jié)果”的信息后重新修正的概率,如貝葉斯公式中的,是“執(zhí)果尋因”問題中的“因”。
先驗(yàn)概率與后驗(yàn)概率有不可分割的聯(lián)系,后驗(yàn)概率的計(jì)算要以先驗(yàn)概率為基礎(chǔ)。
【例】比如某個(gè)事件群為UAi,這個(gè)群可以劃分若干個(gè)事件Ai,如果存在某個(gè)發(fā)生事件B,假設(shè)已知每個(gè)Ai條件下發(fā)生的B的概率已知(這個(gè)概率是先告訴你的,我們理解為先驗(yàn)概率),現(xiàn)在求這個(gè)事件B在事件群UAi這個(gè)總體樣本下的概率(這個(gè)概率和先驗(yàn)概率是不同的,因?yàn)閮烧叩臉颖究臻g不同,先驗(yàn)概率的樣本空間是每個(gè)Ai),我們把這個(gè)求解公式稱為全概率公式,因?yàn)檫@個(gè)概率是全樣本空間發(fā)生B的概率,而且是在已知每個(gè)Ai下發(fā)生B的概率下求解,因此是先驗(yàn)計(jì)算后驗(yàn)。而貝葉斯公式就和全概率相反,他是已知在事件群UAi這個(gè)總空間下發(fā)生B的概率的前提下,去求已知發(fā)生B下,發(fā)生Ai的概率,顯然是用后驗(yàn)概率去求先驗(yàn)概率。
舉個(gè)實(shí)際的例子,假設(shè)存在甲,乙,丙三所軍校,每個(gè)軍校里有男學(xué)生和女學(xué)生,現(xiàn)在準(zhǔn)備打仗,要抽一個(gè)人去執(zhí)行斬首行動(dòng)。假設(shè)抽出了一名女學(xué)生去執(zhí)行行動(dòng)。那么求抽出女生的概率就用全概率公式。如果要求抽出的這個(gè)女的是甲軍校的學(xué)生的概率是多少,就是用貝葉斯公式。
 
全概率公式和貝葉斯公式
P(E) = P(EF) + P(EFc) = P(E|F)P(F) + P(E|Fc)P(Fc)
這個(gè)公式說明了,事件E發(fā)生的概率,等于在F發(fā)生的條件下E的條件概率,與在F不發(fā)生條件下E發(fā)生的條件概率的加權(quán)平均,其中加在每個(gè)條件概率上的權(quán)重就是作為條件的事件的發(fā)生的概率。
這個(gè)公式就是全概公式。這個(gè)公式能使我們?cè)谥赖诙€(gè)事件發(fā)生與否的概率情況下,來計(jì)算第一個(gè)事件的概率。
【例】保險(xiǎn)公司認(rèn)為人分成兩類,一類為容易出事故的人,一類為安全者。他們的統(tǒng)計(jì)表明,一個(gè)容易出事故的人一年內(nèi)發(fā)生事故的概率是0.4,安全者出事故的概率為0.2。若第一類人占總?cè)藬?shù)的30%。那么如果現(xiàn)在有一個(gè)人來投保,那么該人在保單一年內(nèi)將出事故的可能性為多少?
解:0.4×0.3 + 0.2 × (1-0.3)=0.26
【例】在某刑事案件調(diào)查中,調(diào)查員有60%的把握認(rèn)為嫌疑人犯罪,假設(shè)現(xiàn)在得到了一個(gè)新的證據(jù),表明罪犯有某個(gè)身體特征,如果有20%的人有這個(gè)特征,那么在嫌疑犯具有這個(gè)特征的情況下,檢察官認(rèn)為他犯罪的可能性是多大?
解:設(shè)A表示嫌疑人確實(shí)犯罪,B表示他具有這個(gè)身體特征。那么該問題則轉(zhuǎn)換為求:
P(A|B) = P(B|A) * P(A) / P(B)
P(B|A)的含義是某人犯罪并且具有該身體特征的概率,為1。那么:
P(A|B) = 1 * 0.6 / (P(B|A)P(A) + P(B|Ac)P(Ac)) = 0.6 / (1*0.6 + 0.2 * 0.4) = xxxxx。
那么當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)時(shí),假設(shè)成立的概率也會(huì)隨之發(fā)生變化,我們可以表示為假設(shè)的優(yōu)勢(shì)的變化,其中優(yōu)勢(shì)的定義如下:
P(A) / P(Ac) = P(A) / (1 - P(A))
即事件A的優(yōu)勢(shì)的含義是說,該時(shí)間發(fā)生的可能性是該事件沒有發(fā)生的可能性的倍數(shù)。
那么如果說,當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了某個(gè)證據(jù)E,而這個(gè)E讓P(A)的優(yōu)勢(shì)變大,我們則可稱之為“證據(jù)E進(jìn)一步地證明了A的結(jié)論”。
假設(shè)原來的H以概率P(H)成立,然后發(fā)現(xiàn)了新的證據(jù)E,這個(gè)時(shí)候優(yōu)勢(shì)變?yōu)椋?/FONT>
P(H|E) = P(E|H)P(H) / P(E)
P(Hc|E) = P(E|Hc)P(Hc) / P(Hc)
P(H|E) / P(Hc|E) = (P(H) / P(Hc)) * (P(E|H)/P(E|Hc))

現(xiàn)在假設(shè)E發(fā)生了(新的證據(jù)),我們想要計(jì)算Fj發(fā)生的概率,
P(Fj|E) = P(E|Fj)P(Fj) / P(E) = P(E|Fj)P(Fj) / (P(E|F1)P(F1)+...+P(E|Fn)P(Fn)) F1,...,Fn為互不相容事件,并且他們的和是必然時(shí)間。
這個(gè)公式就稱為貝葉斯公式
假設(shè)有三張形狀完全相同但是所涂顏色不同的卡片。第一張兩面都是紅色,第二張兩面全是黑色,第三張一面是紅色,一面是黑色。隨機(jī)抽出一張,朝上的一面是紅色的,問另外一面是紅色的概率是多少?
解:讓R1,R2,R3分別代表三張卡片,E代表朝上一面是紅色。
那么該題則轉(zhuǎn)換為
P(R1|E) = P(E|R1)P(R1) / P(E) = (1 * 1/3) / (1/2) = 2/3

 
 
經(jīng)典題目:
    有三個(gè)門,里面有一個(gè)里有汽車,如果選對(duì)了就可以得到這輛車,當(dāng)應(yīng)試者選定一個(gè)門之后,主持人打開了另外一個(gè)門,空的。問應(yīng)試者要不要換一個(gè)選擇。假設(shè)主持人知道車所在的那個(gè)門。

經(jīng)典解法(結(jié)論倒是正確的):
    第一次選擇正確的概率是1/3,因此汽車在另外兩個(gè)門里的概率是2/3。主持人指出一個(gè)門,如果你開始選錯(cuò)了(2/3概率),則剩下的那個(gè)門里100%有汽車;如果你第一次選對(duì)(1/3)了,剩下那個(gè)門里100%沒汽車。
所以主持人提示之后,你不換的話正確概率是1/3*100%+2/3*0=1/3,你換的話正確概率是1/3*0+2/3*100%=2/3。

    我先說說這個(gè)經(jīng)典解法的問題吧。對(duì)于這個(gè)解法的詰問就在于,現(xiàn)在主持人已經(jīng)打開一個(gè)空門了(而且主持人是有意打開這個(gè)門的),在這一“信息” 出現(xiàn)后,還能說當(dāng)初選錯(cuò)的概率是2/3嗎?這一后驗(yàn)事實(shí)不會(huì)改變我們對(duì)于先驗(yàn)概率的看法嗎?答案是會(huì)的。更具體地說,主持人打開一扇門后,對(duì)當(dāng)初選擇錯(cuò)誤的概率估計(jì)不一定等于2/3。
    從頭說起。假設(shè)我選了B門,假設(shè)主持人打開了C門,那么他在什么情況下會(huì)打開C門呢?
    若A有車(先驗(yàn)概率P=1/3),那主持人100%打開C門(他顯然不會(huì)打開B);
    若B有車(先驗(yàn)概率P=1/3),那此時(shí)主持人有A和C兩個(gè)選擇,假設(shè)他以K的概率打開C(一般K=1/2,但我們暫把它設(shè)成變量);
    若C有車(先驗(yàn)概率P=1/3),那主持人打開C的概率為0(只要他不傻。。。)

    已知他打開了C,那根據(jù)貝葉斯公式——這里P(M|N)表示N事件發(fā)生時(shí)M事件發(fā)生的概率:

                                  P(C打開|B有車)* p(B有車)

P(B有車|C打開)=               ------------------------------

                                           P(C打開)

                                  P(C打開|B有車)* p(B有車)

                = ------------------------------------------------------------

                    P(C打開|A有車)* p(A有車)+ P(C打開|B有車)* p(B有車)

                                            K * 1/3

                                   -------------------

                                       1 * 1/3 + K * 1/3

                                               K

                                         -------

                                              K + 1
    該值何時(shí)等于1/3 呢(也就是經(jīng)典解法里的假設(shè))? 只有 K=1/2 時(shí)。也就是一般情況下。但如果主持人有偏好,比方說他就是喜歡打開右邊的門(假設(shè)C在右邊),設(shè)K=3/4, 那么B有車的概率就變成了 3/5,不再是1/3,后驗(yàn)事實(shí)改變了先驗(yàn)概率的估計(jì)!

    但這并不改變正確的選擇,我們?nèi)匀粦?yīng)該改選A門, 解釋如下:

                                  P(C打開|A有車)* p(A有車)

P(A有車|C打開)=               ------------------------------

                                           P(C打開)

                                  P(C打開|A有車)* p(A有車)

                = ------------------------------------------------------------

                    P(C打開|A有車)* p(A有車)+ P(C打開|B有車)* p(B有車)

                                            1 * 1/3

                                   -------------------

                                       1 * 1/3 + K * 1/3

                                               1

                                         -------

                                              K + 1

    而K < 1(假設(shè)主持人沒有極端到非C不選的程度),所以永遠(yuǎn)有 P(B有車|C打開) < P( A有車|C打開).A有車的概率永遠(yuǎn)比B大,我們還是應(yīng)該改變選擇。
    這個(gè)解法的重點(diǎn)在于考慮了C被打開這個(gè)事實(shí)的影響,從而消除了關(guān)于先驗(yàn)后驗(yàn)的紛擾。

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