Statistica.

Schede di studio e quiz

Lezione 4Macroargomento 1 · Probabilità

Lezione 4. Il teorema di Bayes

In questa lezione

  1. Che cosa dice il teorema di Bayes?
  2. Da dove nasce il teorema?
  3. Perché un test ottimo dà tanti falsi allarmi?
  4. Come si riduce il numero di test con il pool testing?
  5. Che cos'è l'errore del procuratore?
  6. Quali sono le trappole tipiche per i concetti di questa lezione?
  7. Quiz della lezione (10 domande)

1. Che cosa dice il teorema di Bayes?

Per eventi A,BA,B con P(A),P(B)∈(0,1)P(A),P(B)\in(0,1):

P(A∣B)=P(B∣A) P(A)P(B).P(A\mid B)=P(B\mid A)\,\frac{P(A)}{P(B)}.

Dimostrazione. P(A∣B)=P(A∩B)P(B)=P(A∩B)P(A)⋅P(A)P(B)=P(B∣A)P(A)P(B)P(A\mid B)=\dfrac{P(A\cap B)}{P(B)}=\dfrac{P(A\cap B)}{P(A)}\cdot\dfrac{P(A)}{P(B)}=P(B\mid A)\dfrac{P(A)}{P(B)}.

Messaggio chiave: il condizionamento non è simmetrico. In generale P(A∣B)≠P(B∣A)P(A\mid B)\neq P(B\mid A); Bayes misura quanto differiscono.

Con la formula di disintegrazione al denominatore si ottiene la forma più usata:

P(A∣B)=P(B∣A) P(A)P(B∣A) P(A)+P(B∣Ac) P(Ac).P(A\mid B)=\frac{P(B\mid A)\,P(A)}{P(B\mid A)\,P(A)+P(B\mid A^c)\,P(A^c)}.

2. Da dove nasce il teorema?

ChiQuandoDomanda
Pascal e FermatSeicentoDato un modello del caso, qual è la probabilità di un evento? (probabilità «diretta»)
Thomas BayesSaggio scritto verso il 1750, pubblicato nel 1763Visti successi e fallimenti, quanto è probabile che il meccanismo abbia probabilità pp? (usare i dati per scegliere il modello)
LaplaceInizio OttocentoRiscopre e sistematizza la teoria; la formula compare nel suo trattato

3. Perché un test ottimo dà tanti falsi allarmi?

Malattia rara: 1 caso su 10 000. Test con sensibilità P(+∣malato)=99,5%P(+\mid\text{malato})=99{,}5\% e specificità P(−∣sano)=99,7%P(-\mid\text{sano})=99{,}7\%.

QuantitàDefinizioneValore
Falsi positiviP(+∣sano)=1−specificitaˋP(+\mid\text{sano})=1-\text{specificità}0,003
Falsi negativiP(−∣malato)=1−sensibilitaˋP(-\mid\text{malato})=1-\text{sensibilità}0,005
Malato se positivoP(malato∣+)P(\text{malato}\mid +)≈0,032\approx0{,}032
Malato se negativoP(malato∣−)P(\text{malato}\mid -)≈5⋅10−7\approx5\cdot10^{-7}

Calcolo con Bayes.

P(malato∣+)=0,995⋅10−40,995⋅10−4+0,003⋅0,9999≈0,032.P(\text{malato}\mid +)=\frac{0{,}995\cdot10^{-4}}{0{,}995\cdot10^{-4}+0{,}003\cdot0{,}9999}\approx0{,}032.

Quindi un positivo è sano nel 96,8% dei casi. Il test trova quasi tutti i malati, ma la maggior parte dei positivi è sana. Su 100 000 persone ci sono circa 10 malati e circa 300 positivi.

Il 99,5% è un valore relativo: va confrontato con la diffusione (prevalenza) della malattia.

4. Come si riduce il numero di test con il pool testing?

Idea di Robert Dorfman (1943): si mescolano i campioni di kk persone e si fa un test unico. Se il pool è negativo, tutti sono negativi. Se è positivo, si testano i kk uno a uno.

  1. Ogni persona è infetta con probabilità pp, in modo indipendente (modello con re-immissione, valido se k≪nk\ll n).
  2. Il pool è negativo con probabilità (1−p)k(1-p)^k: 1 test.
  3. È positivo con probabilità 1−(1−p)k1-(1-p)^k: k+1k+1 test.
  4. Test medi per persona: 1k+1−(1−p)k.\frac1k+1-(1-p)^k.
  5. Minimizzando in kk si ottiene circa k≈1/pk\approx1/\sqrt p.

Esempio svolto: p=1%p=1\%. Con k=10k=10 servono circa 0,196 test per persona: circa 20 000 test per 100 000 persone, invece di 100 000.

Ricalcolo: con p=1%p=1\% il minimo esatto è a k=11k=11 (0,19557 test per persona) contro 0,19562 con k=10k=10. La differenza è trascurabile; la dispensa indica k=10k=10.

5. Che cos'è l'errore del procuratore?

È confondere P(E∣I)P(E\mid I) con P(I∣E)P(I\mid E): la probabilità della prova sapendo l'innocenza con la probabilità dell'innocenza sapendo la prova.

Caso 1: omicidio e violenza domestica (ispirato al caso O. J. Simpson).

Caso 2: People vs Collins (California, 1968).

Lezione comune: un evento rarissimo diventa frequente se la popolazione è grande («legge dei numeri grandi», da non confondere con la Legge dei Grandi Numeri).

6. Quali sono le trappole tipiche per i concetti di questa lezione?

7. Quiz della lezione (10 domande)

Domande di ripasso create per questa scheda a partire dalla dispensa (non sono il test ufficiale della piattaforma). Scegli una risposta: ricevi subito esito e spiegazione.