Урок по треку Математика для ML 6 мин

Условная вероятность и Байес за 6 минут

Условная вероятность, независимость, формула полной вероятности, Байес, матожидание и дисперсия.

Теория вероятностей на собесе DS почти всегда сводится к условной вероятности, Байесу, матожиданию и дисперсии. Задачи короткие, но в них легко ошибиться, если путать P(A | B) и P(B | A).

Условная вероятность и независимость

P(A | B) = P(A ∩ B) / P(B)

Мы сужаем мир до исходов, где произошло B. События независимы, если P(A ∩ B) = P(A)·P(B), то есть знание B не меняет вероятность A.

Ловушка: несовместные события с положительными вероятностями сильно зависимы. Если произошло A, то B точно не произошло.

Формула полной вероятности

Если гипотезы H₁…Hₙ делят все исходы на непересекающиеся части:

P(A) = Σ P(A | Hᵢ) · P(Hᵢ)

Завод A делает 60% деталей с браком 2%, завод B 40% с браком 5%: P(брак) = 0.6·0.02 + 0.4·0.05 = 0.032.

Теорема Байеса

P(H | D) = P(D | H) · P(H) / P(D)
  • P(H) приор, что мы думали до данных;
  • P(D | H) правдоподобие;
  • P(H | D) апостериор;
  • P(D) нормировка по формуле полной вероятности.

Классическая задача: болезнь у 1% людей, тест находит 99% больных и ложно срабатывает у 5% здоровых. Посчитаем на 10 000 человек:

больные: 100, положительных 99
здоровые: 9 900, положительных 495
P(болен | +) = 99 / (99 + 495) ≈ 0.17

Тест хороший, а болезнь редкая, поэтому ложных срабатываний больше, чем настоящих. В ML это precision модели на редком классе: антифрод с маленьким FPR всё равно выдаёт много ложных тревог.

Ещё одно следствие: если модель обучали на сбалансированной выборке, а в проде класс редкий, её вероятности завышены. Шансы p/(1-p) нужно умножить на отношение новых и старых приорных шансов или перекалибровать модель.

Матожидание и дисперсия

  • E[X] это среднее значение. Для кубика 3.5.
  • Var X = E[(X - EX)²] = E[X²] - (EX)². Для кубика 35/12 ≈ 2.92.
  • E[aX + b] = aE[X] + b, Var(aX + b) = a²Var X.
  • E[X + Y] = E[X] + E[Y] всегда, даже для зависимых величин.
  • Var(X + Y) = Var X + Var Y + 2Cov(X, Y). Складывать дисперсии можно только при нулевой ковариации.

Нулевая корреляция не означает независимость: X равномерна на [-1, 1] и Y = X² некоррелированы, но Y полностью определяется X.

Наивный Байес

Классификатор считает P(класс | признаки) по Байесу и допускает, что признаки условно независимы при известном классе:

P(y | x) ∝ P(y) · Π P(xᵢ | y)

Обучение сводится к подсчёту частот. Сглаживание Лапласа (+1 к счётчикам) не даёт невиданному слову обнулить произведение, а логарифмы спасают от underflow. Хороший бейзлайн для текстов, но вероятности у него плохо откалиброваны.

Частые ошибки

  • Путать P(+ | болен) и P(болен | +).
  • Считать несовместные события независимыми.
  • Складывать дисперсии зависимых величин.
  • Выводить независимость из нулевой корреляции.

Что спросят на собесе

  • Задача на Байеса с тестом или антифродом, лучше считать через 10 000 объектов.
  • Формула полной вероятности на примере.
  • Чем независимость отличается от несовместности и от некоррелированности.
  • Как устроен наивный Байес и что в нём наивного.
  • Свойства матожидания и дисперсии суммы.

Закрепите за 5 минут

После урока в тренажёре 3-5 проверочных вопросов, дальше модуль уходит в повторения.