问题

如何通俗理解 beta 分布?

回答
好的,咱们今天来聊聊 beta 分布,这个名字听起来有点绕,但其实它描述的东西,咱们生活中可能天天都能碰到,就是对“概率的概率”或者“不确定性”的一种描述方式。

你想啊,咱们平常说话,“这件事成功的可能性有多大?” 这时候我们脑子里其实是在给一个“概率值”估摸着一个范围。比如,你说“我觉得这事儿成功的可能性有七八成吧”,这就是在给我一个概率的估计。但这个“七八成”也不是绝对的,你可能也觉得,“嗯,说不定六成也能成,或者九成也有可能”。你是不是在心里给自己这个概率值,也画了一个小范围,有高有低?

beta 分布,就是数学家们用来精确描述这种“对概率的概率”的工具。

咱们先来个形象的比喻:扔飞镖

想象一下,你正在练习扔飞镖。你的目标是正中间的那个红心。

你不是一个完美的飞镖选手。 你扔出的飞镖,偶尔会偏左,偶尔会偏右,偶尔会高一点,偶尔会低一点。
但是,你也不是完全乱扔。 你有一个“平均水平”,你扔的飞镖大多数都会落在中心附近,离中心越远,落在那里的可能性就越小。
你每次扔飞镖,可能都会有细微的差别。 有时候你的手感特别好,大部分飞镖都会非常靠近中心;有时候手感不太好,飞镖会散得比较开。

现在,我们关注的焦点不是某一次飞镖具体扔在哪儿了,而是:你扔飞镖的“准确性”到底有多高?

“准确性”本身就是一个概率。比如,你可以说“我扔飞镖,有 80% 的概率能扔进红心所在的那个小区域”。

但是,我们知道,这个“80%”也不是一个死的数字。你今天状态好,可能实际成功率是 85%;你昨天手感差,可能实际成功率只有 70%。

beta 分布要做的,就是描述你这个“成功率的概率分布”。

它就像一个乐器,可以奏出很多不同的旋律,来代表你扔飞镖的准确性有多高。

beta 分布长啥样?—— 这得看两个参数:α (alpha) 和 β (beta)

这就像乐器的音高和音量一样,控制着 beta 分布的形状。α 和 β 都是正数(大于 0)。

咱们用扔飞镖来解释 α 和 β 的作用:

α (alpha): 可以理解为你扔出的“成功”次数的“伪计数”。 “成功”在这里就是指飞镖扔进了你希望的那个区域。
β (beta): 可以理解为你扔出的“失败”次数的“伪计数”。 “失败”就是指飞镖没扔进那个区域。

注意这里的“伪计数”。beta 分布本身不是直接基于你实际扔了多少次,而是用来描述一种概率的倾向。但你可以把它们想象成这样,会更容易理解。

形状的解读:

1. 当 α = 1, β = 1 时:
这时 beta 分布是一个均匀分布。这意味着你对飞镖的准确性没有任何偏好,你认为飞镖的成功率(扔进红心区域的概率)在 0 到 1 之间是完全随机的,每一点的可能性都一样。就像你对“成功率”这个数字,没有一点概念,它可能是 10%,也可能是 90%,可能性一样大。

2. 当 α > 1, β > 1 时:
这时 beta 分布会呈现一个钟形(或中间凸起)的形状,最可能的值(峰值)在 (α1)/(α+β2) 附近。
α 越大,β 越小: 峰值就越靠近 1。这意味着你非常自信你的飞镖准确性很高,更可能接近 100% 成功。就像你扔了很多次飞镖,并且大部分都成功了,你就会觉得你这个“成功率”的数值很可能在很高的地方。
α 越小,β 越大: 峰值就越靠近 0。这意味着你认为你的飞镖准确性很低,成功率更可能接近 0%。就像你扔了很多次,但失败的次数远多于成功。
α 和 β 都比较大,且差得不远: 比如 α=10, β=10。这时分布会非常窄,并且峰值在 0.5 附近。这意味着你对飞镖的准确性很有把握,而且你认为成功率很可能就在 50% 左右,波动很小。

3. 当 α < 1, β > 1 时:
这时 beta 分布会有一个在 0 处非常高的峰值。这表示你认为成功率非常接近 0。就像你扔飞镖,绝大部分都离目标十万八千里。

4. 当 α > 1, β < 1 时:
这时 beta 分布会有一个在 1 处非常高的峰值。这表示你认为成功率非常接近 100%。

5. 当 α < 1, β < 1 时:
这时 beta 分布会出现一种“U”形(或两头高中间低)的形状。这代表你认为成功率非常不可能在中间,而极有可能在两头,要么接近 0%,要么接近 100%。

为什么 beta 分布这么有用?

因为它能非常灵活地描述一个概率的分布情况。

不确定性高的情形: 当我们对某件事的成功率一点概念都没有时,可以用 α=1, β=1 的均匀分布来表示。
有一些经验后: 随着我们观察到更多的数据(比如扔了很多次飞镖),我们可以根据成功和失败的次数来更新 α 和 β 的值,让 beta 分布更精确地反映实际情况。
贝叶斯统计中的“共轭先验”: 这是 beta 分布最闪耀的地方之一。在贝叶斯统计里,我们经常会先有一个“先验”的信念(这就是 beta 分布在扮演的角色),然后根据新的观测数据来更新这个信念,得到“后验”的信念。如果你的先验分布是 beta 分布,而你的观测数据是伯努利分布(也就是一次试验只有成功或失败),那么你的后验分布仍然是 beta 分布!这大大简化了计算。

举个更实际的例子:A/B 测试中的转化率

假设你在测试一个网页的按钮颜色,想看看红色按钮和蓝色按钮哪个更能吸引用户点击(转化率更高)。

红色按钮: 你开始觉得,红色按钮可能转化率会比较高。你可以用一个 beta 分布来表示你对红色按钮转化率的“先验”信念。也许你觉得转化率最可能在 5%,但也有可能在 3% 或 8%。
蓝色按钮: 你对蓝色按钮没有特别的偏好,觉得转化率可能在 2% 到 7% 之间均匀分布。

然后,你开始收集数据:展示红色按钮给一部分用户,展示蓝色按钮给另一部分用户,记录有多少人点击了。

你看到 100 个用户看到红色按钮,其中 6 人点击了。
你看到 100 个用户看到蓝色按钮,其中 4 人点击了。

这个时候,你就可以用这些数据来更新你对红色和蓝色按钮转化率的 beta 分布了。你的“先验”信念(beta 分布的形状)会和新的数据结合,产生一个更精确的“后验”信念,告诉你现在更倾向于哪个按钮的转化率更高。

总结一下:

beta 分布就像是一个“概率的画笔”,你可以通过调整它的两个“颜料”(α 和 β)来画出各种各样的“概率形状”。它不是直接告诉你某件事的概率是多少,而是告诉你“这个概率有多大的可能性是某个值”。它特别擅长描述那些结果只有成功或失败(但成功率本身可以变化)的事件的概率。

是不是听起来就比那些干巴巴的公式有意思多了? 希望这个解释能让你对 beta 分布有个更直观的认识。它就像我们思考问题时,那种“大概率”、“可能”的模糊感,被数学家们用一种非常优雅和强大的方式给具象化了。

网友意见

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假如你在做一个抛硬币实验。硬币朝上的概率是 p,但是你不知道具体是多少,你想通过实验确定 p。

你做了 A + B 次实验,抛出 A 次正面,B 次反面。请问 p 是多少?

什么?你说 ?

太不专业了吧,我们是统计科学家,什么事情都要看个概率。

最符合我们的实验结果,固然可能性最大,但是我们也不能忽略其他取值的可能性。

比如说吧,如果说 ,那我们能不能扔出 A 次正面,B 次反面?可能啊,而且可能性很大,如果 ,那我们的实验结果也几乎完全符合预期。再比如说,就算 ,那我们扔出 10 次正面,0 次反面,有没有可能?好像也有可能,只是可能性很小。

看到没有,这个 p 始终有可能是 0 到 1 当中的任何一个值。而当我们观测到 A 次正面,B 次反面之后,能做的只是给它一个概率分布,就像上面说的, 的可能性很大,而 的可能性很小。

那么,这个概率分布到底是什么呢?有的同学可能知道了,就是贝塔分布。

但是先别急着看结论。这个问题其实并不难,我们先来自己动手算一下,实践出真知:

我们在对这个硬币一无所知的情况下,认为 是 0 到 1 的任何值都是等可能的。因此,在观测到一些实验结果之后,我们可以按照极大似然估计的思想 —— 参数 下我的实验结果的可能性,就是参数 的靠谱程度——得到参数 的分布。

假设这个硬币出正面的概率是 ,我们一共做了 A + B 次实验,那么我们得到 A 次正面的概率可以简单地算出来,从 A + B 次实验里面有 A 个正面的情况数量是 ,每个情况的出现概率是 。综合起来,A 次正面的概率是:

这个概率 就是所谓“参数 下我的实验结果的可能性”,同时也是 的靠谱程度,也就是似然

那么我们把 的靠谱程度做成函数,其实就是把上面等号左边的形式改一下:

然后我们把这个靠谱程度的函数归一化一下,让它的积分为 1,变成一个概率分布。直观上看,要把一个正函数变成一个概率分布,就是要让函数的图像面积为 1. 所以做法就是给这个函数除以它的图像面积,也就是这个函数的积分。于是就有:

你如果知道 Beta 分布的公式的话,相信你已经看出来怎么回事了。我们得到的,其实就是 Beta 分布的概率密度函数。下面我把维基百科的 Beta 分布密度函数粘贴过来,同学们可以对比一下:

Beta 分布的 x,就是我们要估计的 ,也就是这枚硬币正面朝上的概率。 就是我们的 A + 1, 就是我们的 B + 1,也就是代表我们已经观测到的正面/背面朝上的次数。至于为什么差个 1,可能只是为了 与 函数的简洁。


那么我们总结一下,什么叫 Beta 分布?

所谓的以 为参数的 Beta 分布 ,其实描述的就是我们在做抛硬币实验的过程中,我们当前如果已经观测到 次正面, 次反面,那么此时硬币正面朝上的真实概率的可能性分布。

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