1.1 Betinget sannsynlighet, total sannsynlighet og Bayes
Fra betinget sannsynlighet til Bayes' formel — med diagnosetest-oppsettet som åpner sett etter sett.
De tilbakevendende innpakningene (her omskrevet) er diagnosetester med sensitivitet og spesifisitet, genetikk (recessive gener, eneggede vs. toeggede tvillinger), en «jukseterning» trukket tilfeldig, og bakterier med mutasjon. Ofte kommer flere runder på samme oppsett: du oppdaterer en sannsynlighet når ny informasjon kommer inn.
Sensorens første krav (gjelder hele boka): definer hendelsene med egne symboler FØR du regner. Et svar som starter rett på tall, uten «La = personen har antistoffer, = testen er positiv», regnes som ufullstendig selv når tallsvaret er riktig. Prioritet: høyeste — dette er billige, sikre poeng du ikke har råd til å miste.
> Ren kombinatorikk (tunge telleoppgaver) kreves i praksis ikke her — telling holdes på nivå «gunstige av mulige».
Alt du trenger av regneteknikk er trygg brøkregning og å kunne løse en enkel likning. Ingen integrasjon eller derivasjon her — det kommer først i kap. 1.2 og senere deler. Nye fagord (sensitivitet, spesifisitet, prevalens) forklares der de brukes.
Tenk på en hverdagssituasjon: du tar en hjemmetest, og den slår ut positivt. Hvor bekymret bør du være? Svaret avhenger ikke bare av hvor god testen er, men også av hvor vanlig tilstanden er i utgangspunktet. Nettopp dette samspillet — mellom hvor treffsikker en test er og hvor sjelden det den leter etter er — er kjernen i Bayes' formel, og det er den enkeltmekanismen STK1100-eksamen tester oftest.
Kapitlet er bygget som fire små læringsløkker. Vi går fra betinget sannsynlighet (hva vet vi når vi vet noe), via loven om total sannsynlighet (hvordan legge sammen alle veiene til en hendelse), til Bayes' formel (hvordan snu en betinget sannsynlighet), og til slutt oppdatering over flere runder. Hver løkke går teori → gjennomregnet eksempel → øvingsoppgaver, så du kan jobbe deg gjennom stoffet bit for bit.
> Dette er et 55-minutters kapittel. Naturlige pausepunkter er markert underveis — du trenger ikke ta alt i én økt.
Løkke 1 — Betinget sannsynlighet og multiplikasjonsregelen (~12 min)
Ofte får vi vite noe før vi regner ut sannsynligheten for noe annet: en test er positiv, en første kule ble trukket, en person tilhører en gitt gruppe. Den nye informasjonen krymper utfallsrommet — vi ser bare på den delen av verden der betingelsen er oppfylt. Betinget sannsynlighet formaliserer dette.
Her er hendelsen «både og ». Loddrett strek leses «gitt». Merk rekkefølgen: og er som regel ikke like — å bytte dem er den vanligste feilen i hele kapitlet.
Den leses som en «vei»: først skjer (sannsynlighet ), deretter gitt at har skjedd (sannsynlighet ). Dette er byggeklossen i alle sannsynlighetstrær.
Merk: uavhengighet er en påstand som må begrunnes eller følge av oppgaven — den kan ikke antas gratis. Sensor trekker for å gange sannsynligheter sammen uten å ha vist at hendelsene er uavhengige.
I en klasse på 100 elever går 60 på realfag; av dem har 24 valgt fysikk. Av de 40 som ikke går realfag har 4 valgt fysikk. En elev trekkes tilfeldig. La = eleven går realfag og = eleven har valgt fysikk. Finn og .
, og .
For trenger vi . Totalt har elever fysikk, så :
Legg merke til at og er svært forskjellige — retningen på betingelsen betyr alt.
La og være hendelser med , og .
a) Finn .
b) Finn .
c) Er og uavhengige? Begrunn.
En bedrift produserer komponenter på to skift. Dagskiftet lager 70 % av komponentene, kveldsskiftet 30 %. La = komponenten kom fra dagskiftet. En tilfeldig komponent er defekt; hendelsen kaller vi . Det er kjent at .
a) Skriv og i ord.
b) Finn sannsynligheten for at en komponent både kom fra dagskiftet og er defekt.
Løkke 2 — Loven om total sannsynlighet (~12 min)
Ofte kan en hendelse nås langs flere gjensidig utelukkende veier — komponenten kom fra dagskiftet eller kveldsskiftet, personen har genet eller ikke. Da deler vi opp verden i disse veiene og legger sammen bidraget fra hver. Delene må dekke alt og ikke overlappe: de danner et fullstendig hendelsessystem (en partisjon).
Det enkleste eksemplet er en hendelse og komplementet: .
Hvert ledd er sannsynligheten for å nå via (multiplikasjonsregelen). Vi legger sammen alle veiene fordi de utelukker hverandre.
En fabrikk bruker to maskiner. Maskin A lager 60 % av enhetene og har defektrate 2 %; maskin B lager 40 % og har defektrate 5 %. En enhet trekkes tilfeldig. Hva er sannsynligheten for at den er defekt?
Gitt: , , , .
Loven om total sannsynlighet:
Så 3,2 % av enhetene er defekte. Legg merke til at vi vektet hver maskins defektrate med hvor stor andel den produserer.
Et forsikringsselskap deler kundene i tre risikoklasser: lav (50 % av kundene, skadesannsynlighet 0,05 per år), middels (35 %, skadesannsynlighet 0,12) og høy (15 %, skadesannsynlighet 0,30).
a) Definer et fullstendig hendelsessystem for risikoklassene.
b) Finn sannsynligheten for at en tilfeldig kunde har minst én skade i løpet av et år.
Løkke 3 — Bayes' formel og diagnosetester (~18 min)
Nå kommer selve kjerneferdigheten. I total sannsynlighet gikk vi framover: fra årsak (hvilken maskin) til virkning (defekt). Bayes' formel går bakover: vi observerer virkningen (enheten er defekt) og spør hvor sannsynlig hver årsak var. Dette er nøyaktig strukturen i en diagnosetest — vi ser testresultatet og vil vite tilstanden.
Telleren er sannsynligheten for å nå via akkurat (multiplikasjonsregelen); nevneren er (total sannsynlighet) — summen av alle veiene. Bayes' formel er altså bare multiplikasjonsregelen delt på total sannsynlighet.
Diagnosetester er den vanligste innpakningen. Da trenger vi et lite fagvokabular. En test leter etter en tilstand (antistoffer, en mutasjon, en sykdom). La = personen har tilstanden og = testen er positiv.
- Sensitivitet : andelen syke som testen fanger opp (sann positiv-rate).
- Spesifisitet : andelen friske som testen korrekt frikjenner (sann negativ-rate).
- Prevalens : hvor vanlig tilstanden er i befolkningen — forhåndssannsynligheten før testen.
Det vi egentlig vil vite er : gitt en positiv test, hvor sannsynlig er det at personen faktisk har tilstanden? Dette kalles den positive prediktive verdien, og den kan være overraskende lav når tilstanden er sjelden.
En antistofftest har sensitivitet 99 % og spesifisitet 96 %. I befolkningen har 0,5 % antistoffer. En tilfeldig person tester positivt. Finn sannsynligheten for at personen faktisk har antistoffer, og kommenter tallet.
Gitt: (sensitivitet), (spesifisitet), så (falsk positiv-rate). Prevalens , så .
Total sannsynlighet for positiv test:
Bayes' formel:
Kommentar: Selv med en svært god test er sjansen for at en positiv person faktisk har antistoffer bare rundt 11 %. Grunnen er lav prevalens: fordi de friske er så mange flere (99,5 %), gir de få prosentene falske positive () langt flere positive tester enn de sanne positive (). Derfor brukes ofte en ny, uavhengig test for å bekrefte.
To urner ser like ut. Urne I inneholder 3 hvite og 7 svarte kuler; urne II inneholder 6 hvite og 4 svarte. Du velger en urne tilfeldig (like sannsynlig) og trekker en kule. Kula er hvit.
a) Definer hendelsene og finn sannsynligheten for å trekke en hvit kule.
b) Gitt at kula er hvit, finn sannsynligheten for at den kom fra urne I.
En hurtigtest for en tarmbakterie har sensitivitet 90 % og spesifisitet 98 %. Blant reisende fra et gitt område bærer 8 % bakterien. En tilfeldig reisende tester positivt.
a) Definer hendelsene og angi sensitivitet, spesifisitet og prevalens som betingede sannsynligheter.
b) Finn sannsynligheten for at den reisende faktisk bærer bakterien.
En sjelden arvelig tilstand rammer 1 av 2000 personer. En gentest gir positivt utslag hos 98 % av dem som har tilstanden, og gir falskt positivt utslag hos 1 % av dem som ikke har den.
a) Definer hendelsene og finn sannsynligheten for et positivt utslag.
b) Finn den positive prediktive verdien .
c) Forklar kort hvorfor svaret er så mye lavere enn testens sensitivitet.
Løkke 4 — Oppdatering over flere runder (~10 min)
STK1100-oppgavene stopper sjelden ved én runde. Når en ny, uavhengig observasjon kommer inn, bruker vi gårsdagens svar som dagens utgangspunkt: etterhåndssannsynligheten fra runde 1 blir forhåndssannsynligheten i runde 2. Vi kjører Bayes på nytt med den oppdaterte prevalensen. (At de to testene er uavhengige gitt tilstanden må oppgaven gi eller vi må begrunne — ellers kan vi ikke bruke samme tall på nytt.)
når er uavhengig av gitt tilstanden. Hver ny bekreftende test løfter sannsynligheten.
Bruk testen fra Eksempel 3 (sensitivitet 99 %, spesifisitet 96 %, prevalens 0,5 %). Personen testet positivt én gang og tar en ny, uavhengig test som også er positiv. Finn den oppdaterte sannsynligheten for antistoffer.
Ny prevalens: , . Samme test: , .
To uavhengige positive tester løfter sannsynligheten fra ca. 11 % til ca. 75 %. Det er nettopp derfor sjeldne tilstander bekreftes med en ny test.
En bakteriestamme muterer. En koloni er enten mutert () eller ikke. Før noen analyse antar vi . En analyse gir utslag «mutert» hos 85 % av de muterte og hos 10 % av de ikke-muterte. Analysen kjøres to ganger uavhengig, og begge ganger gir den utslag «mutert».
a) Finn .
b) Bruk svaret som ny forhåndssannsynlighet og finn .
Et recessivt gen gir en egenskap bare hos individer med to kopier (). I en populasjon er andelen genotyper : 0,49, : 0,42, : 0,09. Bare viser egenskapen.
a) En tilfeldig person viser ikke egenskapen. Finn sannsynligheten for at personen likevel bærer minst ett -gen (altså er ).
b) Kommenter hvorfor denne «skjulte» bærersannsynligheten er høy.
- Forveksle og . Dette er kjernen i diagnostikk-oppgavene: (sensitiviteten, ofte høy) er noe helt annet enn (det vi vil vite, ofte lav ved sjeldne tilstander).
- Glemme total sannsynlighet i nevneren. Bayes' nevner er — ikke bare . Å dele på feil nevner gir tall som kan overstige 1.
- Regne uten å definere hendelsene. Sensor krever «La , » først. Riktig tall uten definerte hendelser gir trekk.
- Anta uavhengighet uten belegg. Å gange sannsynligheter sammen krever at hendelsene er uavhengige — det må følge av oppgaven eller begrunnes.
- Blande spesifisitet og falsk positiv-rate. Spesifisitet er ; falsk positiv-rate er . Det er sistnevnte som går inn i total sannsynlighet.
Begrepsbank
Flashcard-/repetisjonsstoff — hopp trygt over ved førstegangslesing; tidsanslaget på 55 minutter gjelder kjernestoffet over. Begrepene under er allerede brukt i kapitlet og samles her for repetisjon.
Brukes stadig i diagnostikk: (andelen friske), og (falsk positiv-rate fra spesifisiteten).
To hendelser er disjunkte (gjensidig utelukkende) dersom de ikke kan skje samtidig: , så . For disjunkte hendelser gjelder . Ikke forveksle med uavhengige — disjunkte hendelser er tvert imot sterkt avhengige (skjer den ene, kan ikke den andre skje).
En figur der hver gren er en betinget sannsynlighet og hver full sti et produkt (multiplikasjonsregelen). Første forgreining er de disjunkte årsakene (med ), neste forgreining utfallet eller (med ). Summen av sannsynlighetene langs alle stiene som ender i er nettopp total sannsynlighet.
En høy sensitivitet betyr få falske negative. Sensitivitet alene sier ingenting om hvor sannsynlig tilstanden er gitt en positiv test.
Falsk positiv-raten er komplementet: . Det er falsk positiv-raten, ikke spesifisiteten direkte, som går inn i total sannsynlighet.
Avgjørende for den positive prediktive verdien: lav prevalens gir lav selv med en god test, fordi de mange friske produserer mange falske positive.
En positiv test hos en person uten tilstanden. Sannsynligheten er falsk positiv-raten . I en befolkning med lav prevalens dominerer de falske positive antallet positive tester.
En negativ test hos en person med tilstanden. Sannsynligheten er . Lav sensitivitet gir mange falske negative — tilstander som overses.
Dette er svaret Bayes' formel gir i en diagnosetest, og kan være lavt selv når sensitivitet og spesifisitet er høye.
Ved lav prevalens er NPV som regel svært høy — en negativ test er da svært betryggende.
Sannsynligheten for en hendelse før ny informasjon tas med — i Bayes' formel. I diagnostikk er dette prevalensen . Ved oppdatering over flere runder er forrige rundes etterhåndssannsynlighet den nye forhåndssannsynligheten.
Sannsynligheten for en hendelse etter at ny informasjon er tatt med — på venstre side i Bayes' formel. I diagnostikk er dette den positive prediktive verdien .
Dette er forutsetningen som lar oss oppdatere over flere tester med samme sensitivitet/spesifisitet: to tester på samme person antas å være uavhengige når vi vet om personen har tilstanden eller ei.
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.
Skolesaga er en uavhengig læringsressurs og er ikke tilknyttet eller godkjent av Universitetet i Oslo. Dette er ikke offisielt studiemateriell. Les mer.