19-1 对“生女孩”的案例进行更准确的推理
在上一讲的基础之上,下面,我们开始解说使用了贝塔分布的贝叶斯推理过程。
这一次,我们依然使用第4讲中的例子——“若某对夫妇生的第一胎为女孩,那么第二胎依然为女孩的概率是多少”这个问题。第4讲中的推理,是在相当不充分的设定之下进行的。这是由于,在设定这对夫妇“生女孩的概率”的类别时,只考虑了0.4、0.5、0.6这3种情况,但并没有给出为何只设定这3种情况的相关证据。而实际上,大于0且小于1的所有数值都可以设为“生女孩的概率”。在学习第4讲时,我们只能做到为有限个数的类别设定先验概率;而现在,我们已经学会了处理连续型的概率分布,那么,也就可以在自然状态的设定下,进行贝叶斯推理。本讲中将会使用贝塔分布,来完成上述推理过程。
19-2 设定先验分布为均匀分布,并进行推理
把某对夫妇生女孩的概率设为x。x表示这对夫妇的“类别”。由于类别是未知的,所以将其作为推理的对象。
虽然我们知道,类别x一定是一个大于0且小于1的数值,但并不知道具体的数值。因此,需要设定每一类别分别对应何种程度的先验概率。当x分为3种情况时,设定各x的数值为事前“概率”是完全没问题的。但在本次推理中,x可以有连续无限个数值,因此设定的数值为“概率密度”(第16讲中对于“概率密度”这一概念已经进行了解说)。把各个类别的可能性的设定为概率密度时,称为“先验分布”。
在这里,暂且把表示x的先验分布的概率分布,假设为均匀分布。
这意味着,不管该夫妇所属的类别x为何种可能性,都假定其相等(大致相同)。也许有的读者会不理解这样进行假设的原因,认为“x在接近0或接近1的情况下,与接近0.5的情况下,结果是相等的”这样的设定不合逻辑。这是一个合理的疑问。在下一节中,将会以能够解答这个疑问的先验分布为例,来进行解说。而作为学习的出发点,首先我们来一起思考均匀分布的先验分布。
关于类别x(x为某对夫妇生女孩的概率)的先验分布,设定如下:
y=1 (0≤x≤1)
在图表19-1中,先验分布即为x轴上方的部分。
图表19-1 类别为均匀分布的情况
接下来,x轴的下方的长方形,可以对应第4讲的图表4-3的长方形分割图,也就是划分出互不相同的几种可能性。在图表4-3中,划分了6个长方形,但在图表19-1中,划分为无数条线段(AB或BC即为其中的1条)。
从有限变成无限的情形,如图表19-2所示。
图表19-2 从有限到无限
那么,接下来可以这样分析图表19-1:例如,图中的x=0.7(点A)表示该夫妇的类别为0.7,换言之,表示“这对夫妇生女孩的概率”为0.7这样一种可能性。因此,这对夫妇生的第一胎为女孩(这样一种可能性)的概率密度为0.7,用线段AB来表示。那么,生男孩的概率密度自然为0.3,用线段BC的长度来表示。实际上,这里采用了“&的事件的概率法则”(见15-3)。换言之,表示为:
(AB的长度)=(类别是x=0.7的概率密度)×(类别在x=0.7的基础上,生女孩的概率)
=(x=0.7时的y)×p(女孩|x=0.7)
=1×0.7
=0.7
在19-3之后,这个问题将成为基本的知识点。
假设我们获得了“这对夫妇生的第一胎为女孩”这样一条信息吧。那么,就可以把图表19-1中涂有颜色中的浅色部分的线段(生男孩的可能性)排除在外,只留下涂有颜色中的深色部分的线段(生女孩的可能性),如图表19-3所示。
图表19-3 排除生男孩的可能性