Pr[A|B] ×100 15.4% B|A
数学之旅 · CHAPTER 18 · Part IV

条件概率

Conditional Probability

准确率 95% 的乳腺癌检测,阳性后真患病的概率只有 15%——"检测错了"与"你病了"不是同一道题。选错条件会让 O.J. 辛普森的律师团和上万愤怒读者一起翻车;贝叶斯因子 ×100 也压不住 1:9999 的先验赔率。

⏱ 约 70 分钟🧩 7 个互动装置📖 原书第 747–775 页
18.1

选错条件:蒙提霍尔余震

Monty Hall Confusion
定义 18.2.1 · 条件概率

Pr[X | Y] := Pr[X ∩ Y] / Pr[Y](Pr[Y] ≠ 0)。直觉:把样本空间砍到 Y 发生的那部分,再重新归一化。

第 17 章说换门赢 2/3,但有人算出 1/2:他用的条件是"初选 A 且 B 后有山羊",把 outcome (A,A,C) 也装了进来——可你亲眼看见 Carol 开的是 B,(A,A,C) 根本不在你的信息里。正确的条件是"初选 A 且 Carol 开了 B":

分母 1/18 + 1/9 = 3/18 ⟹ Pr[换门赢 | 选A且开B] = (1/9)/(3/18) = 2/3 ✓

教训不是"条件概率不可靠",而是条件必须恰好吃掉你掌握的全部信息——多装一个 outcome,答案就歪。同一个错误在法庭上叫"检察官谬误":辛普森案辩方引用"受虐丈夫杀妻概率 1/2500",却忘了 Nicole 已经被杀这个条件——给定"受虐且被杀",凶手是受虐者的概率约 80%。

18.3

冰球队:赢了第一场之后

The Four-Step Method for Conditional Probability

C 级冰球队三局两胜:首战胜率 1/2;赢了上一场则士气高涨(当战胜率 2/3),输了则泄气(当战胜率 1/3)。问:给定赢了第一场,最终夺冠的概率?老配方四步:树图 6 个 outcome,边概率随上一场结果切换 2/3 / 1/3:

Pr[夺冠 | 首胜] = (1/3 + 1/18) / (1/3 + 1/18 + 1/9) = 7/9

反过来问"给定夺冠,首胜的概率"也是 7/9——条件概率没有时间方向(18.4.5 a posteriori:数学里不存在"谁先发生")。

互动 ①

🏒 冰球队树图:6 个 outcome 的条件切片

W/L 序列(系列赛 2 胜即止)。按钮切换"全部 / 只看首胜 / 只看夺冠"三档,看 7/9 怎样从 6 个 outcome 里切出来。

outcome 概率 = 树路径边概率之积:WW = ½·⅔ = 1/3;WLW = ½·⅓·⅓ = 1/18(1-1 后第三场士气低落);LL = ½·⅔ = 1/3(两连败,第三场不打)。
18.4

乳腺癌检测:95% 准确率的陷阱

Medical Testing

X 光检查:患病者 10% 概率漏报(false negative),健康者 5% 概率误报(false positive),在无家族史的中年女性中发病率约 1%。"检测阳性"听起来九死一生,四步法给出:

Pr[患病 | 阳性] = 0.009 / (0.009 + 0.0495) ≈ 15.4%

近 95% 准确率的检查,阳性后 84.6% 是虚惊——因为健康人基数太庞大,5% 的误报洪流淹没了 90% 的真阳性。拨一拨三个参数,看后验怎么动:

互动 ②

🩺 检测器实验台:发病率 × 灵敏度 × 特异度

18.5

全概率定律:分情况,再合账

The Law of Total Probability
Rule 18.5.1 · 全概率定律

Pr[A] = Pr[A|E]·Pr[E] + Pr[A|Ē]·Pr[Ē]。n 个不交事件铺满样本空间时逐项展开;再倒过来就是 Bayes 法则的多事件版。

书中热身:掷公平硬币,正面掷一颗骰子取点数、反面掷两颗骰子取和——最终得到 2 的概率 = ½·1/6 + ½·1/36 = 7/72。18.5.1 警告:条件号两边的规则不能乱搬——Pr[A|B∪C] ≠ Pr[A|B]+Pr[A|C]−Pr[A|B∩C](书里反例算出 1.8,概率上限是 1)。

18.9

置信 99% ≠ 概率 99%:贝叶斯因子登场

Probability versus Confidence

结核病检测:只要患病必检出(灵敏度 100%),健康人 1% 误报。统计学家可以说"你有 99% 的把握检测结果正确",但这不是"阳性后 99% 患病"。用赔率语言(18.9.2):证据 E 把先验赔率乘上贝叶斯因子:

Odds(H|E) = Bayes-factor(E,H) · Odds(H),Bayes-factor = Pr[E|H]/Pr[E|H̄]

TB 检测的贝叶斯因子 = 1/0.01 = 100——听似惊人,但美国 TB 患病率约 1/10,000,先验赔率 1:9999,乘 100 之后是 1:100:阳性之后依然是百倍赔率反对你患病。

互动 ③

⚖️ 贝叶斯因子更新器:TB 检测连环案

每按一次"检测",贝叶斯因子 ×100;但 1:9999 的先验要多按几次才追得上——三次连阳后患病才反超成大概率。证据是乘法,先验是底子。
18.6

辛普森悖论:分组全输,总体全赢

Simpson's Paradox

1973 年一所大学被诉性别歧视:总体男录取 44% vs 女 35%。但逐系看,多数系反而偏向女性。书中的两人迷你版(表 18.1):CS 系男 40% vs 女 50%、EE 系男 70% vs 女 80%——每个系都是女高;合起来男 69% vs 女 51%,整体男高。原因:女性大量涌进更挑剔的 CS 系(100 人里进 50),被低录取率稀释。数字不会说谎,但聚合方式会。

互动 ④

🔬 辛普森悖论实验台:亲手凑一组

改任何数字,实时判定:每个系女 ≥ 男 且总体女 < 男 ⟺ 辛普森悖论成立。把 CS 的女性申请数从 100 拉到 10,悖论立刻消失——这是"哪个系招募了谁"在替总体说话。
18.7

独立性:两两都是朋友,仨仨未必

Independence & Mutual Independence
定义 18.7.1 / 定理 18.7.2

A、B 独立 ⟺ Pr[A|B] = Pr[A] ⟺ Pr[A∩B] = Pr[A]·Pr[B]。陷阱:互不相交(disjoint)的事件恰恰永远不独立——除非其中一方概率为 0。知道 A 发生就直接宣判 B 不发生。独立是建模假设,不是能从数据里读出的性质。

经典爆炸现场(18.8.2):掷三枚公平硬币,A₁ = "币1=币2",A₂ = "币2=币3",A₃ = "币3=币1"。任何两个都独立,但三个放在一起:只要前两个成立,第三个必然成立——Pr[A₁∩A₂∩A₃] = 1/4 ≠ 1/8。下面自己按亮 outcome 验算:

互动 ⑤

🪙 三硬币独立验证器:pairwise ✓ mutual ✗

点击 outcome 切换高亮(高亮 = 该事件覆盖的样本点)。事件:A₁=币1=币2 · A₂=币2=币3 · A₃=币3=币1
⚔️

习题实战

Problems 18.2 & 18.12, Playable

两道原书习题做成解题器:左轮枪的条件概率与桥牌的 A。

互动 ⑥

🔫 习题 18.2:Dirty Harry 的左轮

6 弹膛 2 弹。Harry 对头扣扳机,第一枪咔哒(空)。他可以直接再扣(转轮进到下一膛),也可以先甩轮重随机。关键问题:两弹相邻还是相对,最优选择一样吗?先算再答。

直接再扣:第二枪中弹 = —
甩轮重随机:中弹 = 1/3(恒为 2/6)
互动 ⑦

🂡 习题 18.12:一张 A 与一张黑桃 A 的区别

13 张桥牌手。两问:① 已知手里至少有一张 A,再有一张 A 的概率?② 已知手里有黑桃 A,再有一张 A 的概率?直觉说一样——先选再看。

⚖️

终局自测

Final Check

八题,覆盖 18.1–18.9。

🥚

彩蛋与课后挑战

Easter Eggs & Problems
1/170,000,000 是怎么变成 1/170 的(18.8.1)

辛普森案 DNA 专家把五个标记频率连乘:1/100 · 1/50 · 1/40 · 1/5 · 1/170 = 1/1.7 亿——前提是标记相互独立。若只有 pairwise 独立,正确上界只剩 1/17,000;若标记链条相关(有 E 者必有 A、有 A 者必有 B……),真值可达 1/170。独立性假设每强一分,结论漂亮一分,倒下的风险也大一分。

100 连正面之后,下一把该押什么?(18.9.4)

"硬币是公平的"定义上讲下一把仍是 1/2;但 2⁻¹⁰⁰ 的先验说明你几乎不可能真在掷公平硬币。 Bayesian 解法:给"偏头硬币(99/100 正面)"留 2⁻⁵⁰ 的先验,100 连 H 的贝叶斯因子 > 0.36·2¹⁰⁰——后验赔率狂飙到 0.36·2⁵⁰,下一把押正面。频率论者则说:我们只是"有 1−2⁻¹⁰⁰ 的置信度"硬币有偏。两种哲学,同一套公式。

课后挑战(均出自原书习题)
  • 18.2 Dirty Harry 的左轮:6 弹膛 2 弹。第一枪不响后第二枪中弹概率?(提示:条件在"转轮停在哪"上;两弹相邻时又如何)
  • 18.7 索伦拒听狱警报信:三人释放两人,狱警报出"Foo-Foo 获释"后,索伦获释概率仍 2/3——为什么他的直觉错了?(树图 + "报谁"的随机化)
  • 18.12 13 张桥牌手里已有一张 A,再有一张 A 的概率 vs 已知那张是黑桃 A——两题答案不同!
  • 18.15 Sally 择校:Pr[幸福] 与 Pr[Yale|幸福]、Pr[MIT|幸福]——前者相关、后者独立,算给你看。
本章路线图
18.1 · 选错条件18.3 · 冰球队 7/918.4 · 乳腺癌检测器 18.5 · 全概率定律18.9 · 贝叶斯因子更新器18.6 · 辛普森悖论 18.7 · 独立性三连⚔️ · 习题实战(18.2 左轮 / 18.12 桥牌 A) ⚖️ · 终局自测🥚 · 彩蛋与挑战