公式
我上学的时候,贝叶斯公式是概率论里面,少数高中完全不涉及,到了本科才第一次见的公式,所以我从来没背下来过。不过也用不着背,根据条件概率里面的一个平凡结果:
可以得到 和 之间的关系
这就是贝叶斯公式本体。
分母没什么意思,所以一般我们要用全概率公式替换,也就是把 划分为全覆盖但是不相交的
其中任意一个子事件
根据实验结果筛选理论模型
以上是数学。在科学中,令
- A 为一族理论模型的一组参数取值,记为 ,下标可任意选取。
- B 为实验观测数据,记为 Ob
其中
- 表示第 j 组参数是模型的正确参数的,未经实验验证,根据零假设计算的 先验 (prior) 概率;
- 叫做经过实验观测修正之后的,第 j 组参数正确的 后验 (posterior) 概率。
- 在之前的文章中讲过,是当前测量数据下,模型参数的 似然性 (likelihood)。
举个例子
隔壁组的问题可以简化为下图:
- 有两组数据 (x, y1), (x, y2) 可以用同一族函数来拟合。(假设为两个高斯函数的叠加,
- 两组数据的误差不同。(红色数据点显然比蓝色数据点,相对于理论值偏离得更远一些)
- 问有没有一个数值,可以衡量每组数据的误差程度。
我给他们的建议是
- 根据自己的专业知识指定先验概率 。比如选定一个参数空间的范围,范围之外概率为零,范围之内均匀分布。
- 根据一些假设和统计规律计算
- 假设误差与 x 变量无关,服从期望为 0 的高斯分布,,标准差根据各数据点减去模型预测值的残差估计。
- 假设每个数据点的观测相互独立,
- 对于模型的每一组参数 , 取上述高斯分布的绝对值大于残差绝对值的部分,就是钟形曲线两侧尾巴的线下面积。
- 对参数空间中的每一组值都算出一个后验概率之后,计算整个空间的信息熵(方法见之前的文章)。误差较大的一组数据,应当有更多组参数可以获得类似的拟合结果,从而信息熵更大。
世界观
对于概率,有三种理解:
- 古典的 (classical)、
- 频率学派的 (Frequentist)、
- 贝叶斯的 (Bayesian).
古典
就是将古典概型推广,成为一种关于可能性的普遍观点——一个随机空间里的随机事件可以分解成若干子事件,子事件还可以再分,直到每个基本事件的概率相等,都等于基本事件总数的倒数,而要计算人们感兴趣的某一事件,只需要数出其包含的基本事件的数量就行了。
让人联想到古希腊古典时代的原子论。时人认为物质世界也不是无限可分的,将任意一种材料打碎研磨,这一过程最终会有一个终点,最终的产物就是这种物质的“原子”。一块材料的大小,就是其所含原子数量的多少。
有人批评这种观点用可能性去定义可能性,有循环论证谬误之嫌。但是看现代化了的概率论,概率被定义成了满足某些条件的函数,公理化是公理化了,逻辑链条是有了坚实的起点,但是那里的概率还能不能被当作可能性的度量,实在是不好说。
有人批评这是机械唯物主义,这种人批判的武器一般是武器的批判,别争辩,先活下来再说。
频率学派
这种观点一言以蔽之:概率是频率在样本量趋于无穷时的极限。
科学中(日常生活中也一样,只是人们通常没这么精确),测量误差不可避免,我们每一次的测量哪怕正确,互相之间也会有细微的差别,更不用说和待测的真实值不同了。
解决方法在初中物理实验里学过:多次测量,把平均值当作真值(的估计量),根据标准差计算误差(置信区间、p 值等等……)。
不同的人(假设有 M 个)可以对同一个可观测量进行 N 次测量,对于一个确定的 N,不论这个可观测量本身服从何种概率分布,这 N 个测量值的平均数 都服从正态分布,这就是中心极限定理(注意不是大数定律)。
当可观测量本身也服从正态分布的时候,就会导致标准差 (standard deviation) 和标准偏误 (standard error of the mean, 常简称为 standard error) 容易让初学者混淆。
而按照这种世界观,所谓一个物理量的真值,就是所有可能的(所有已经发生过的+思想实验中可能发生的)测量的均值 。
因为包括可能发生还未发生的测量,所以哪怕我们面对的问题是纯决定论的,客观存在一个确定的真值,无论我们已经进行过多少次测量,都无法保证得到真值。
有人批评这是客观唯心主义,这种人批判的武器一般是武器的批判,别争辩,先活下来再说。
贝叶斯
前述世界观好歹还认为真值客观存在——
贝叶斯世界观则直接不再对真值的客观存在下断言,不论先验还是后验,科学理论里的每一条命题,都不再孤单,而是要和所有可能的替代理论打包在一起;也不再“正确”,而是具有一个以概率衡量的可信程度。
实验的作用不再是判断对错,而是在有限的先验知识(现存的科学理论)下,判断新取得的实验结果在多大程度上,更新了旧知识里每条命题的可信权重。
而且每个人掌握的知识不同,先验概率不同,在同样的实验数据面前,所更新出来的知识体系也会不同。
再者,如果先验概率为 0,任你实验数据如何显著,后验概率也一定为 0,所以对“未知的未知”无能为力。实践中,再离谱的先验假设,只要能想到,也要赋一个小而不为 0 的初值。
有人批评这是主观唯心主义,这种人批判的武器一般是武器的批判,别争辩,先活下来再说。
送分题
已知本省不超过二十个地级行政单位。一中是本市最好的高中,本科过线人数年年创新高。
已知本市报纸会公布喜报,上有全市前若干名学生的姓名、分数、录取学校等信息。省招办有根据成绩取得全省排名的服务。比如某年本市第十名,全省排名两千名开外。
你能否据此评价母校和家乡的教学质量,以及本省各地区之间教育水平的平均程度?
你该如何评价,从定义原假设和备择假设,到用何种概率分布对先验概率建模?
你有资格评价吗?