К содержанию
Фонтум Основы статистики Урок 18 / 24 Все уроки

Главная · Курсы · Основы статистики · Программа курса · Модуль VI. Байесовский взгляд · урок 18 из 24

Априорная и апостериорная вероятность

Как уверенность пересчитывается после каждого наблюдения

Байесовское обновление это пересчёт уверенности после каждого наблюдения: априорная вероятность каждой гипотезы умножается на правдоподобие (вероятность увиденного при этой гипотезе), и результаты нормируются, чтобы снова сложиться в единицу. Апостериорное распределение становится априорным для следующего наблюдения. Силу свидетельства измеряет отношение правдоподобий, и оно от априора не зависит.

MIT 18.05, занятия 11-13 · Stat 110 · 45 мин · обновлено 01.10.2026

После урока вы сможете

  • Записывать то, что известно до данных, в виде априорного распределения
  • Доводить до конца пересчёт уверенности после каждого свидетельства
  • Измерять силу свидетельства отношением правдоподобий и читать его словами
  • Отвечать на возражение о субъективности априора, не отмахиваясь от него

На склад пришла коробка деталей без маркировки. Известно, что она с одной из двух линий: на первой брак случается в 10 % случаев, на второй в 30 %. По журналу поставок первая линия отгружает четыре коробки из пяти.

Ничего ещё не проверив, вы уже кое-что знаете: шансы на то, что коробка с первой линии, равны четырём к одному. Это не догадка, а запись имеющегося сведения в удобной форме.

Теперь достаём детали по одной. Первая бракованная. Вторая бракованная. Третья тоже. После каждой уверенность в том, откуда коробка, надо пересчитывать, и весь урок про то, как именно это делается и что означает результат.

В пятом уроке теорема Байеса появилась как разовый расчёт: базовая частота, точность теста, ответ. Здесь она работает иначе, как процедура, которую применяют повторно, и на выходе не одно число, а распределение уверенности по всем рассматриваемым вариантам.

Априор: то, что известно до данных

Априорное распределение это ответ на вопрос «во что вы верили до того, как посмотрели на данные», записанный числами. Требование к нему ровно одно: перечислены все рассматриваемые варианты и вероятности сложены в единицу.

В нашем случае вариантов два, и априор берётся из журнала поставок: 0,8 для первой линии, 0,2 для второй. Это не мнение, а частота, которую можно проверить по документам. Так бывает не всегда, и последний раздел урока говорит о том, что делать, когда журнала нет.

Существенно, что априор остаётся распределением, а не числом. Даже когда гипотез две, вы держите пару чисел, а не одно. Когда гипотез двадцать, чисел будет двадцать. Это и отличает байесовский вывод от привычной проверки «да или нет»: на выходе всегда картина целиком, а не вердикт по одной гипотезе.

Второе требование менее очевидно: список гипотез должен быть полным. Если коробка на самом деле пришла с третьей линии, о которой вы не знаете, никакое обновление этого не обнаружит, а арифметика будет исправно перераспределять уверенность между двумя неверными вариантами. Процедура отвечает на вопрос «какая из перечисленных гипотез вероятнее», а не «верна ли хоть одна из них».

методАприор приходится назвать вслух

Требование объявить априорное распределение обычно предъявляют как претензию к методу. Полезнее видеть в нём дисциплину: расчёт заставляет выписать то, что в других процедурах остаётся невысказанным. Чужой априор можно оспорить и пересчитать с другим, а с невысказанным предположением так не выйдет.

Обновление шаг за шагом

Достали первую деталь, и она бракованная. Пересчитываем.

Правило состоит из трёх действий. Первое: для каждой гипотезы взять вероятность увиденного при этой гипотезе, она и называется правдоподобием. При первой линии брак имеет вероятность 0,1, при второй 0,3. Второе: умножить априорную вероятность на правдоподобие. Получаем 0,8 × 0,1 = 0,08 для первой линии и 0,2 × 0,3 = 0,06 для второй. Третье: разделить оба числа на их сумму, чтобы они снова складывались в единицу. Сумма равна 0,14, значит 0,08 / 0,14 ≈ 0,571 и 0,06 / 0,14 ≈ 0,429.

После одной бракованной детали уверенность в первой линии упала с 80 % примерно до 57 %. Ответ сдвинулся, но не перевернулся: свидетельство говорит против первой линии, а априор стоит за неё.

Вторая деталь тоже бракованная. Теперь априором служит вчерашний апостериор: 0,571 и 0,429. Умножаем: 0,571 × 0,1 = 0,0571 и 0,429 × 0,3 = 0,1286. Сумма 0,1857. Делим: получаем 0,308 и 0,692. Уверенность перевалила за середину, и теперь вероятнее вторая линия, примерно 69 % против 31 %.

Третья бракованная. Считаем так же: 0,308 × 0,1 = 0,0308 и 0,692 × 0,3 = 0,2077, сумма 0,2385, итог 0,129 и 0,871. Около 13 % против 87 %.

Вся история умещается в четыре числа: 80 %, 57 %, 31 %, 13 %. Это уверенность в первой линии до проверки и после каждой из трёх деталей. Каждое свидетельство сдвигает её на понятную величину, и после любого шага можно остановиться и сказать, где вы находитесь.

Одно допущение спрятано в слове «умножаем»: считается, что при известной линии брак в разных деталях возникает независимо. Если брак идёт кусками, например станок сбился и запорол подряд десяток, то вторая и третья бракованные детали почти ничего не добавляют к первой, и расчёт завышает уверенность. Это место, где процедура ломается тише всего: арифметика продолжает работать, а смысла в ней уже нет.

Сила свидетельства: во сколько раз

Считать в три действия каждый раз утомительно, и есть форма записи, в которой обновление сводится к одному умножению. Вместо вероятностей берут шансы, то есть отношение вероятностей двух гипотез.

Априорные шансы здесь 0,8 к 0,2, то есть 4 к 1 в пользу первой линии. Бракованная деталь при первой линии имеет вероятность 0,1, при второй 0,3. Отношение этих правдоподобий равно одной третьей. Правило: апостериорные шансы равны априорным, умноженным на отношение правдоподобий.

Проверим. 4 × 1/3 даёт 4 к 3, ровно те же 57 % против 43 %. Ещё раз: 4 к 9, то есть 31 % против 69 %. Ещё раз: 4 к 27, то есть 13 % против 87 %. Три умножения вместо девяти действий, и видно устройство.

Отношение правдоподобий и есть мера силы свидетельства, а читается оно словами: во сколько раз наблюдение вероятнее при одной гипотезе, чем при другой. Втрое вероятнее при второй линии, значит, каждая бракованная деталь втрое сдвигает шансы в её сторону. Число 3 не зависит ни от априора, ни от того, сколько деталей проверено раньше: это характеристика самого наблюдения.

Теперь противоположный случай. Годная деталь при первой линии имеет вероятность 0,9, при второй 0,7. Отношение равно примерно 1,29. Это свидетельство в пользу первой линии, но слабое: три годных детали подряд сдвигают шансы с 4 к 1 всего до 8,5 к 1, то есть уверенность растёт с 80 % примерно до 89 %. Одна бракованная деталь двигает вывод сильнее, чем три годных, и это не парадокс, а следствие того, что редкое наблюдение различает гипотезы лучше частого.

на заметкуКак читать отношение правдоподобий

Отношение около 1 означает, что наблюдение не различает гипотезы: оно одинаково ожидаемо при обеих и уверенность не двигает. Отношение 3 даёт заметный сдвиг, и три таких наблюдения меняют шансы в 27 раз. Отношение 100 перевешивает почти любой разумный априор с одного раза. Резких границ между «слабым» и «сильным» здесь нет, и это, пожалуй, главное отличие от порога значимости: сила свидетельства измеряется непрерывно, а не делится на «есть» и «нет».

Когда априор сильный

Величина сдвига зависит от двух вещей: силы свидетельства и того, откуда начали. Поменяем условие задачи. Пусть журнал показывает, что первая линия отгружает не четыре коробки из пяти, а девяносто девять из ста. Априорные шансы теперь 99 к 1.

Достаём бракованную деталь. Шансы становятся 99 к 3, то есть 33 к 1: вероятность первой линии упала с 99 % примерно до 97 %. После второй бракованной шансы 99 к 9, то есть 11 к 1, около 92 %. После третьей 99 к 27, примерно 79 %. После четвёртой 99 к 81, около 55 %. После пятой 99 к 243, около 29 %.

Здесь стоит остановиться. После первой бракованной детали уверенность сдвинулась всего на два процентных пункта, и со стороны это выглядит упрямством: свидетельство прямо против гипотезы, а расчёт почти не реагирует. Но посмотрите, что означало бы обратное. Если бы одна бракованная деталь при априоре 99 к 1 переворачивала вывод, то коробки с первой линии, где брак случается в одном случае из десяти, регулярно объявлялись бы пришедшими со второй. Малый сдвиг при сильном априоре не консерватизм процедуры, а условие того, чтобы она не ошибалась чаще, чем нужно.

И сдвиг всё-таки происходит. Пять бракованных деталей подряд сносят априор 99 к 1 полностью: было 99 %, стало 29 %. Свидетельства накапливаются перемножением, поэтому сильный априор не делает гипотезу неуязвимой, а только повышает цену, которую данные должны за неё заплатить.

Единственное исключение составляет априор, равный нулю или единице. Ноль, умноженный на любое правдоподобие, остаётся нулём: гипотеза, которой заранее приписана нулевая вероятность, не может её приобрести, сколько бы свидетельств ни пришло. Отсюда практическое правило: не назначать нулевых априорных вероятностей ничему, что в принципе возможно.

осторожноКатегорический априор данными не чинится

Если гипотезе заранее назначена вероятность 0, произведение с любым правдоподобием остаётся нулём, и после нормировки апостериорная вероятность тоже равна нулю, и так при любом объёме данных. То же с другой стороны верно для единицы. Практически это значит, что неполный список гипотез и категорический априор ломают процедуру одинаково: она перестаёт быть чувствительной к данным, продолжая исправно выдавать числа.

Не одно число, а распределение

До сих пор гипотез было две. Работа с распределением видна лучше, когда вариантов больше.

Другая задача. Партия деталей, доля брака в ней неизвестна, и разумно рассмотреть четыре версии: 5 %, 10 %, 20 % и 40 %. Заранее ничего не известно, поэтому берём равномерный априор, по 0,25 на каждую версию.

Проверили одну деталь, и она бракованная. Умножаем каждую априорную вероятность на правдоподобие: 0,25 × 0,05, затем 0,25 × 0,10, 0,25 × 0,20 и 0,25 × 0,40. Множитель 0,25 общий, поэтому после деления на сумму числа относятся как сами правдоподобия: 5 к 10 к 20 к 40, то есть 1 к 2 к 4 к 8. Всего частей 15. Апостериорное распределение даёт 1/15, 2/15, 4/15 и 8/15, то есть около 7 %, 13 %, 27 % и 53 %.

Одно наблюдение, а картина изменилась целиком: версия «5 % брака» почти вытеснена, версия «40 %» стала вероятнее всех остальных вместе взятых. При этом ни одна не отброшена, и в этом смысл работы с распределением: вы не выбираете победителя, а перераспределяете уверенность.

Из распределения можно вынуть одно число, если оно нужно. Ожидаемая доля брака до проверки равна среднему по четырём версиям с равными весами: (5 + 10 + 20 + 40) / 4 = 18,75 %. После проверки веса стали неравными, и то же среднее считается так: (1 × 5 + 2 × 10 + 4 × 20 + 8 × 40) / 15 = 425 / 15 ≈ 28,3 %. Оценка выросла почти на десять процентных пунктов от одной бракованной детали, и видно, за счёт чего именно.

Можно вынуть и интервал, например назвать диапазон, в который апостериорное распределение помещает 90 % уверенности. Такой интервал называют вероятностным, и читается он проще, чем доверительный интервал из восьмого урока: он прямо говорит, где, по принятой модели, лежит величина. Цена этой простоты в том, что априор придётся назвать.

Откуда берётся априор и что делать, когда его нет

Возражение против байесовского подхода почти всегда одно, и оно серьёзное: априор берётся из головы. В задаче с коробками был журнал поставок, но журнала обычно нет. Два добросовестных человека, глядя на одни и те же данные, назначат разные априоры и получат разные апостериорные вероятности, а числа на выходе будут выглядеть одинаково объективно. Хуже того, априор служит удобным местом, чтобы незаметно вложить в расчёт тот вывод, который хочется получить.

Отвечают на это четырьмя способами, и ни один не снимает возражение целиком.

Первый: там, где есть частоты, априор берут из них. Подойдёт доля брака по цеху за год, доля положительных результатов среди проверявшихся гипотез. Если такие данные есть, спор о субъективности заканчивается, не начавшись. Так устроена и учебная задача о медицинском тесте из пятого урока: базовая частота болезни это априор, и он взят из статистики, а не из ощущений.

Второй: когда частот нет, берут априор, который старается ничего не утверждать, то есть равномерный, как в примере с четырьмя версиями. Это не решение, а признание незнания, и у него есть слабое место: равномерность сама по себе есть содержательное утверждение, а на другой шкале то же незнание запишется иначе.

Третий, самый практичный: анализ чувствительности. Расчёт делают при нескольких разных априорах и смотрят, меняется ли вывод. Если при шансах 1 к 1 и при шансах 1 к 20 ответ один и тот же, спорить об априоре незачем. Если ответ переворачивается, то честный результат работы не апостериорная вероятность, а фраза «вывод определяется тем, во что мы верили до данных».

Четвёртый: с накоплением независимых свидетельств влияние априора убывает. Пятая бракованная деталь снесла априор 99 к 1, а при пятидесяти наблюдениях начальные шансы почти не важны. Слабое место ответа в том, что интересные задачи как раз те, где данных мало, а при малых данных априор решает.

И последнее. Частотная процедура априора не требует, но выборов не лишена: какая модель принята за нулевую, какая величина взята в качестве статистики, что считается более крайним результатом, когда решено прекратить сбор данных. Эти выборы влияют на ответ не меньше априора, с той разницей, что их не принято называть допущениями. Об этом следующий урок.

об источникеПочему MIT даёт обновление раньше проверки гипотез

В курсе MIT 18.05 байесовское обновление стоит на занятиях 11-13, проверка значимости нулевой гипотезы дожидается только семнадцатого, а занятие 20 отведено сравнению подходов. Для вводных курсов такая последовательность редка, и она осмысленна: обновление убеждений устроено проще, чем логика отклонения гипотезы, и, разобравшись с ним, легче увидеть, на какой вопрос отвечает p-значение.

тренажёр урока 18

Обновление по шагам

Задайте начальную уверенность, затем подавайте свидетельства разной силы. После каждого видно, куда и насколько сдвинулась уверенность.

Открыть тренажёр

Ключевые работы

Orloff, Kamrin, MIT 18.05 «Introduction to Probability and Statistics»2022Занятия 11-13: байесовское обновление с дискретным априорным распределением, предсказательные вероятности, обновление через шансы и переход к непрерывному априору.
Blitzstein, Hwang, «Introduction to Probability», Chapman & Hall2014Учебник Stat 110: правило Байеса записано в форме шансов, а отношение правдоподобий разобрано как мера силы свидетельства, не зависящая от априора.

Что здесь путают

сильно ослабленоАприорная вероятность выражает личное мнение исследователя, поэтому байесовский вывод произволен.

Возражение реальное, и отмахиваться от него нельзя: при малых данных ответ действительно определяется априором, а сам априор служит удобным местом, чтобы вложить в расчёт желаемый вывод. Но в этой форме утверждение не работает. Часть априоров берётся из частот и проверяется по документам. Влияние остальных проверяется расчётом при нескольких разных априорах: если вывод не меняется, спорить не о чем, а если меняется, это и есть результат работы, который надо сообщить. И главное: обязанность назвать априор делает допущение оспоримым, тогда как невысказанные допущения других процедур оспорить нельзя.

отвергнутоЕсли свидетельства приходят по одному, порядок важен: последнее весит больше.

В форме шансов обновление сводится к умножению априорных шансов на отношения правдоподобий, а произведение от порядка сомножителей не зависит. Промежуточные числа при разном порядке будут разными, итоговое останется одним и тем же, и это проверяется арифметикой за минуту. Оговорка одна, зато существенная: равенство верно, пока наблюдения при заданной гипотезе независимы. Если брак идёт кусками или ответы респондентов влияют друг на друга, перемножать множители нельзя, но тогда неверна модель, а не правило о порядке.

выдержалоДостаточное число независимых свидетельств пересиливает любой ненулевой априор.

Держится, и в уроке это видно на числах: априор 99 к 1 снесён пятью бракованными деталями. Слово «ненулевой» здесь несущее. Гипотеза с априорной вероятностью 0 остаётся при нуле после любого объёма данных, потому что ноль, умноженный на что угодно, есть ноль. То же с единицей. Второе условие состоит в правильности модели правдоподобия: если вероятности наблюдений при гипотезах посчитаны неверно, накопление данных не исправляет ошибку, а закрепляет её, наращивая уверенность в неверном ответе.

Термины

априорное распределениеprior distribution
Распределение вероятностей по рассматриваемым гипотезам до получения данных. Должно перечислять все варианты и складываться в единицу.
апостериорное распределениеposterior distribution
То же распределение после учёта данных. Становится априорным для следующего наблюдения.
правдоподобиеlikelihood
Вероятность наблюдённых данных при условии, что верна конкретная гипотеза. Считается для каждой гипотезы отдельно.
отношение правдоподобийlikelihood ratio
Во сколько раз наблюдение вероятнее при одной гипотезе, чем при другой. Мера силы свидетельства, не зависящая от априора.
байесовский факторBayes factor
Множитель, на который данные меняют шансы одной гипотезы против другой. Для двух простых гипотез совпадает с отношением правдоподобий и от априора не зависит.
шансыodds
Отношение вероятностей двух исходов: 4 к 1 соответствует вероятности 0,8. В этой форме обновление сводится к одному умножению.
байесовское обновлениеBayesian updating
Пересчёт распределения уверенности после каждого нового наблюдения: априор умножается на правдоподобие и нормируется.
нормировкаnormalization
Деление полученных произведений на их сумму, чтобы вероятности снова складывались в единицу.
условная независимостьconditional independence
Свойство наблюдений не влиять друг на друга при известной гипотезе. Без него перемножать правдоподобия нельзя.
вероятностный интервалcredible interval
Интервал, в который апостериорное распределение помещает заданную долю уверенности. Требует априора, зато читается напрямую.

Практикум · Пять свидетельств подряд

Задача в том, чтобы довести до конца одну таблицу обновления и увидеть, где ответ определяется данными, а где априором. Нужны бумага и калькулятор, всё вместе занимает около получаса.

  1. Выпишите две гипотезы и априорные шансы. Коробка либо со склада A, где доля брака 20 %, либо со склада B, где доля брака 5 %. По журналу поставок коробки со склада A приходят втрое чаще, значит априорные шансы A к B равны 3 к 1.
  2. Посчитайте два множителя. Для бракованной детали отношение правдоподобий равно 0,20 / 0,05 = 4 в пользу A. Для годной оно равно 0,80 / 0,95 ≈ 0,84, то есть слабо в пользу B. Запишите оба числа рядом и скажите словами, что каждое из них означает.
  3. Проверьте шесть деталей в таком порядке: годная, годная, брак, годная, годная, годная. Умножайте шансы по одному наблюдению и записывайте результат после каждого: 3 → 2,53 → 2,13 → 8,51 → 7,17 → 6,03 → 5,08. Переведите последнее число в вероятность: 5,08 / (5,08 + 1) ≈ 0,84, то есть около 84 % за склад A.
  4. Убедитесь, что порядок не важен. Посчитайте то же самое одним выражением: 3 × 4 × 0,84 в пятой степени. Должно получиться примерно 5,0-5,1, то же, что в шаге 3, с точностью до округления.
  5. Сделайте анализ чувствительности. Пересчитайте итог для тех же шести наблюдений при априорных шансах 1 к 1 и 20 к 1: получится около 1,7 (вероятность примерно 63 %) и около 33,9 (примерно 97 %). Выпишите три ответа в столбик и назовите априорные шансы, ниже которых версия «коробка со склада A» перестаёт быть более вероятной, чем противоположная.

Вопросы для самопроверки

Вопрос 1

Априорные шансы гипотезы A против гипотезы B равны 4 к 1. Пришло наблюдение, которое втрое вероятнее при B, чем при A. Каковы апостериорные шансы?

  • 4 к 3, то есть около 57 % в пользу A
  • 4 к 1: одно наблюдение шансы не меняет
  • 1 к 3 в пользу B
  • 12 к 1 в пользу A
Вопрос 2

Отношение правдоподобий для наблюдения равно 1,05. Как это читать?

  • Такого отношения не бывает: свидетельством считается только отношение не меньше двух, а остальное уже шум
  • Наблюдение подтверждает гипотезу из числителя на 5 %: к её вероятности прибавляется пять процентных пунктов
  • Наблюдение бесполезно, и учитывать его не нужно
  • Наблюдение почти не различает гипотезы и уверенность почти не двигает
Вопрос 3

Априорные шансы 99 к 1 в пользу гипотезы A. Пришло свидетельство, втрое более вероятное при B. Апостериорная вероятность A составляет около 97 %. Как это читать?

  • Процедура игнорирует неудобные данные, и это дефект байесовского подхода
  • Априор выбран неверно, иначе сдвиг был бы заметнее
  • Свидетельство учтено полностью, а слабое свидетельство против сильного априора и должно двигать мало
  • 97 % означает, что гипотеза B практически опровергнута
Вопрос 4

Проверены пять деталей: брак, годная, брак, годная, годная. Коллега проверил те же пять в другом порядке. Что можно сказать об итоговых апостериорных вероятностях?

  • Порядок важен: последнее свидетельство весит больше
  • У коллеги результат окажется ближе к априору, если брак пришёл позже
  • Они совпадут: обновление сводится к перемножению множителей
  • Совпадут, только если априор равномерный
Вопрос 5

Исследователь назначил гипотезе априорную вероятность 0, посчитав её нелепой. Затем пришли данные, которые крайне вероятны именно при этой гипотезе. Что даст обновление?

  • Вероятность вырастет, но медленнее обычного
  • Расчёт выдаст ошибку деления на ноль
  • Вероятность вырастет тем сильнее, чем правдоподобнее данные: множитель применяется к нулю так же, как к любому другому числу
  • Апостериорная вероятность останется нулевой при любых данных

Ответы и разбор открываются в самопроверке урока: она считает результат и отмечает урок пройденным. Пройти самопроверку.

Что читать

  • MIT 18.05, конспекты занятий 11-13: Обновление на дискретном априоре, обновление через шансы, переход к непрерывному априору. Первые два занятия читаются и без матанализа.
  • Blitzstein, Hwang, «Introduction to Probability», probabilitybook.net: Главы об условной вероятности и правило Байеса в форме шансов. Там же разобрано, почему обратная условная вероятность не то же самое, что прямая.
  • Adhikari, DeNero, Wagner, «Computational and Inferential Thinking», глава 18: «Обновление предсказаний» у Berkeley: та же процедура, показанная на задаче классификации и без единой формулы.
Все курсы и разделы школы
Фонтум

Открытая школа: университетские программы и практикумы на русском. Целиком, бесплатно, без регистрации.

Курс «Основы статистики»

ВАШ СЛЕДУЮЩИЙ ВОПРОС

Что хотите понять?