Том Чиверс
Предсказать всё
Как теорема Байеса объясняет наш мир

Посвящается столь рано ушедшему Луису Макгилликадди и недавно появившейся на свет Мэй Элисон Дэвидсон

Tom Chivers

Everything Is Predictable

How Bayes' Remarkable Theorem Explains the World

© Tom Chivers, 2024

All rights reserved including the rights of reproduction in whole or in part in any form

© М. Шер, перевод, 2026© ООО «Издательство «Эксмо», 2026

Individuum®

Введение
Теория почти всего

Общее правило в психиатрии – если вы думаете, что открыли теорию, объясняющую всё, диагностируйте себе манию и ложитесь в больницу.

Скотт Александер

Можно ли предсказать будущее? Конечно, можно.

Почти с полной уверенностью можно предсказать, что в ближайшие несколько секунд вы сделаете вдох и выдох. Ваше сердце будет биться со скоростью от одного до трех ударов в секунду. Завтра утром взойдет солнце – в конкретное время, зависящее от географической широты и времени года, но которое можно узнать с высокой долей точности. Все эти события можно уверенно предсказать.

Можно также предсказать, что поезд прибудет на станцию назначения в определенное время, или что ваша подруга вовремя приедет в ресторан, где вы договорились встретиться. В этом, правда, нельзя быть так уж сильно уверенным – все будет зависеть от железнодорожной компании или от подруги.

Можно также предсказать, что население планеты продолжит расти примерно до середины столетия, после чего снова начнет сокращаться. Можно предсказать, что общемировые средние температуры воздуха у поверхности Земли в 2030 году будут выше, чем были в 1930‐м.

Будущее не столь уж туманно. В него можно заглянуть. Что-то в нем легче предсказать, что-то – сложнее: танец планет по Ньютону можно предсказать на тысячи лет вперед, хаос в погоде по Лоренцу – лишь на несколько дней. Сложно, с натяжкой, но можно.

Однако когда люди говорят: «Я могу предсказать будущее», они имеют в виду нечто мистическое, какую-то сверхъестественную или волшебную способность заглянуть за горизонт. На такое мы все-таки не способны. (В этой книжке вы прочтете об ученом, который считает, что способны, а еще – о том, что он, скорее всего, не прав). Да нам это и не нужно. Мы так или иначе всё время предсказываем будущее. Иначе мы не смогли бы существовать. С каждым вдохом мы безотчетно делаем базовый прогноз в духе «воздухом и дальше можно будет дышать». Всякий раз, принимая решение, мы делаем более сложные прогнозы, например, «в магазине на углу, когда я туда зайду, будет альпийский сыр». В основе таких прогнозов нет никакой мистики – только информация, которую мы собрали в прошлом.

Суть всех прогнозов в том, что они неточны. Вселенная может быть детерминирована, а может и не быть; если бы мы обладали совершенным, божественным знанием о положении, движении и качествах всех частиц во Вселенной, мы, наверное, могли бы идеально предсказать всё, вплоть до того, когда на землю упадет всякая малая птица[1]. Однако у нас такого знания нет, есть только неполная информация. Мы можем кое-как увидеть какие-то частицы Вселенной с помощью несовершенных органов чувств. Мы можем с максимальной долей вероятности выдвигать предположения о том, как эти частицы движутся: мы знаем, что человекообразные частицы чаще находятся в поисках пропитания и компании; мы знаем, что камнеобразные частицы чаще стремятся к неподвижности. На основе этих сведений мы можем делать путаные, неполноценные прогнозы.

Жизнь – не шахматы, в ней нет полной информации, и поэтому ее нельзя «решить», как какую-то задачу. Она больше похожа на покер: игру, в которой человек пытается принимать оптимальные решения, обладая небольшим объемом данных.

Эта книга – об уравнении, которое позволяет это делать.

«Кто-то мне говорил, – заметил Стивен Хокинг после выхода своей "Краткой истории времени", – что одно математическое уравнение в книге снижает ее продажи вдвое». Поскольку моя книга, собственно, об уравнении, сложно будет обойтись без хотя бы одного[2].

Это уравнение – теорема Байеса, или правило Байеса. Для уравнений оно в принципе простое и выглядит так:

Открою маленький секрет: я терпеть не могу читать уравнения. То есть я вроде и умею их читать, но для меня это всегда мука. Неудобно выходит: я написал три книги, полностью или частично посвященных математике. Но когда я вижу знак Σ, мозг мой «закипает» и останавливается. Подозреваю, что у многих читателей происходит то же самое, и, наверное, поэтому Хокингу советовали обойтись в книге без уравнений.

Однако уравнения – не тайнопись и не колдовские формулы. Каждый символ (это я сам себе напоминаю) обозначает простое действие, то есть выступает как сокращение.

Итак, теорема Байеса: она позволяет определить вероятность – насколько вероятно то или иное событие с учетом имеющихся у нас данных.

Если точнее, она описывает специфическую форму условной вероятности. Вертикальная черта | – сокращенное обозначение «в случае, если», или «при условии, что». То есть, P(A|B) – это вероятность наступления события A при условии, что событие B уже произошло.

Вот простой пример условной вероятности: допустим, вы хотите узнать вероятность вытащить из колоды карту червей. Вы знаете, что в стандартной колоде из пятидесяти двух карт тринадцать червей, поэтому вероятность P(♡), если угодно, равна 13/52, или 1/4. Или, если воспользоваться обозначением, принятым в теории вероятностей, p=0,25. И вот вы вытаскиваете карту из колоды, но она оказывается трефовой. Какова вероятность теперь? Червей же в колоде по-прежнему тринадцать, но карт осталось пятьдесят одна. Поэтому вероятность получается 13/51, или p≈0,255 (волнистый знак равенства означает «приблизительно равно»). Такова вероятность, что вы вытащите из колоды черви, если до этого вытянули трефы, P(♡|♣).

Или так: какова вероятность, что в определенный день в Лондоне будет идти дождь? Вероятно, около 0,4: в Лондоне примерно 150 дождливых дней в году. Но ты смотришь в окно и видишь темные тяжелые тучи. Какова вероятность теперь? Точно не знаю, но с учетом облачной погоды выше.

Теорема Байеса как раз об этом, только немного шире. В переводе на обычный человеческий язык она будет звучать так: вероятность события A с учетом события B равна вероятности B с учетом A, умноженной на вероятность A саму по себе и деленной на вероятность B саму по себе.

Представим, что в обществе распространяется некая болезнь. Учитывая недавние события, вообразить такое несложно.

Ты хочешь узнать, не подцепил ли ее, поэтому делаешь тест. В инструкции к тесту видишь примечание: «Чувствительность теста равна 99 %, специфичность – 99 %». Это означает, что если ты болеешь, то с вероятностью 99 % тест правильно это покажет, а если нет, то с вероятностью 99 % он правильно покажет, что ты не болеешь. Иными словами, доли «ложноотрицательных» и «ложноположительных» результатов теста составляют по 1 %.

То есть ты делаешь тест и получаешь положительный результат – две полоски. Что это значит? Можно разумно предположить, это значит, что с 99-процентной вероятностью ты болен.

Однако это не так. И причина кроется в теореме Байеса.

Теорема Байеса странная. Это простое уравнение, которое можно записать на одной строке, и состоит оно только из математических действий, посильных для большинства восьмилетних детей – умножения и деления. Вывел теорему один священник-нонконформист[3] из города Танбридж-Уэллс, занимавшийся математикой в свободное от служб время. Однако несмотря на простоту, она серьезно влияет на нашу жизнь. Именно она объясняет, почему тест на рак может быть точным на 99 %, даже если у 99 % людей, которым этот тест ставит диагноз «рак», на самом деле рака нет. Именно она объясняет, почему вероятность, что ДНК-экспертиза ошибочно укажет на невиновного подозреваемого, составляет лишь один шанс на 20 миллионов, но при этом вероятность, что осудят не того, все равно немаленькая. Теорема Байеса объясняет, почему научные результаты могут быть «статистически значимыми» и при этом с большой вероятностью быть ошибочными.

Ей также посвящены интереснейшие философские споры. Является ли «вероятность» объективной реальностью? Когда мы говорим, что вероятность того, что на кубике выпадет единица, составляет один к шести, что мы имеем в виду? Является ли вероятность неким фактом о Вселенной, или же она описывает только наши собственные ожидания о поведении мира? И можно ли разовые события описывать в категориях вероятности? Если сказать, что «Манчестер Сити» с вероятностью 90 % выиграет чемпионат в 2025 году, то что это будет значить?

Когда мы принимаем решения о чем-то неопределенном, изменчивом, – а мы делаем это постоянно, – степень удачности таких решений описывает теорема Байеса. Все, кто в меру несовершенных сил пытается манипулировать миром для достижения какой-то цели, например бактерии, ищущие более высоких концентраций глюкозы, гены, пытающиеся передать копии самих себя следующим поколениям, или правительство, стремящееся добиться экономического роста, – если они справляются со своей задачей, значит, они действуют по Байесу.

По сути, прикладная логика Байеса лежит в основе искусственного интеллекта. Он на самом своем базовом уровне пытается делать прогнозы. Простой классификатор изображений, который смотрит на картинки и говорит, что на них изображены кошки или собаки, просто «предсказывает», что сказал бы человек, основываясь на своих обучающих данных и информации, содержащейся на картинке. DALL-E 2, GPT-4, Midjourney и остальные замечательные ИИ-технологии, уже сейчас будоражащие воображение людей, способные вести с тобой беседы и создавать удивительные изображения по простым текстовым описаниям, просто предсказывают, что по промпту сделали бы писатели или художники-люди, основываясь на своих обучающих данных. Работают они на байесовских принципах.

Наши мозги тоже работают на байесовских принципах. Ими можно объяснить, почему человек подвержен оптическим иллюзиям, почему психоделические вещества вызывают галлюцинации, как работают разум и сознание.

Теорема Байеса помогает понять, почему теории заговора так трудно развенчать и почему два человека могут смотреть на одни и те же доказательства, но видеть в них совершенно разное. Почему научные данные меня убеждают в том, что вакцины безопасны и эффективны, а скептиков – нет? Потому что, как следует из теоремы Байеса, реакция людей на новую информацию зависит от убеждений, которых они уже придерживаются. Дело не в том, что антиваксеры или конспирологи – какие-то странные инопланетяне, чей мозг устроен иначе, а в том, что они ведут себя совершенно рационально, просто с учетом своих убеждений, которые у них уже есть. Теорема Байеса объясняет, как это работает.

Видимо, мы имеем дело с теорией почти всего. Практически всего. Как только ты начинаешь смотреть на мир сквозь призму теоремы Байеса, то видишь ее везде. Я намерен сделать так, чтобы и ты, читатель, увидел ее повсюду.

Обычный способ объяснить теорему Байеса – привести пример медицинских анализов, реалистичный пример с правдоподобными цифрами: вы проходите скрининг на рак груди. Вы знаете, что если у женщины рак, то маммограмма правильно выявит его в 80 % случаев (то есть чувствительность теста равна 80 %), а в остальных 20 % – пропустит. Если же рака у нее нет, то маммограмма даст результат «все чисто» в 90 % случаев (ее специфичность равна 90 %), а в 10 % случаев даст результат ложноположительный.

Вы получаете тест. Он положительный. Значит ли это, что с 90-процентной вероятностью у вас рак? Нет. Информации, которую я вам дал, просто недостаточно, чтобы оценить ваши шансы.

Вам нужно знать, насколько вероятным вы считали наличие у вас рака груди до скрининга. Один простой способ это понять – выяснить, какой процент женщин вашего возраста страдает раком груди в определенный момент времени. Допустим, эта доля составляет один процент. Чтобы разобраться на конкретном примере, представим, что скрининг прошли сто тысяч женщин. Из этих ста тысяч у одного процента, то есть у тысячи женщин действительно выявлен рак. Из этой тысячи скрининг поставит правильный диагноз восьмистам женщинам – 80 % – и даст ложноотрицательный результат двумстам. Из 99 тысяч женщин, у которых рака нет, 89 100 женщин получат правильный отрицательный результат, а 9900 – ложноположительный. Если сделать из этих цифр таблицу, получим такую картинку:

То есть теперь ясно. Вы приходите к онкологу и получаете положительную маммограмму. Из 10 700 женщин, получивших положительный результат, у 800 действительно выявлен рак. То есть вероятность того, что у вас действительно рак, если вы получили положительный результат, в этом случае составляет 800/10 700 ≈ 0,07, или около 7 %.

Но это полностью зависит от того, насколько велика вероятность, что у вас изначально мог быть рак. Если бы скрининг проходили пациентки из группы риска, скажем, пожилые женщины со случаями рака в семейном анамнезе, то, возможно, рак был бы выявлен у 10 % этих женщин. Но дальше расчеты меняются кардинально:

Теперь вместо 800 истинно положительных результатов у вас их 8000, а число ложноположительных результатов снизилось до 9000. Таким образом, вероятность того, что у вас рак, равна 8000/17 000 или около 47 %, – гораздо более тревожная оценка. Тест не изменился, изменилась лишь априорная вероятность.

Теорема Байеса подсказывает, до какой степени вам следует изменить свои изначальные представления. Но для этого нужно, чтобы они у вас уже были.

Вернемся к уравнению – если я его чуть выше уже вставил, еще в два раза продажи не уменьшатся:

По результатам расчетов получаем P(A|B): вероятность события A с учетом имеющихся данных B, то есть вероятность, что у вас рак, в случае положительного теста. Только это вас, в сущности, и волнует: «Результат получен, насколько вероятно, что у меня рак?»

Однако показатель чувствительности 80 % дает результат ровно противоположный, а именно P(B|A), то есть вероятность B при условии A; насколько вероятно, что я увижу такой результат, учитывая, что у меня рак груди?

Это может показаться несущественным, но это такая же разница, как между следующими утверждениями: «Есть только один из восьми миллиардов шансов, что отдельно взятый человек – папа Римский» и «Есть только один из восьми миллиардов шансов, что папа Римский – человек».

Чтобы разобраться в том, что мы действительно хотим узнать, нам нужно больше информации. В примере с тестом на рак нам нужно знать, насколько распространен рак груди среди населения. В медицинской терминологии такой показатель называют заболеваемостью или распространенностью заболевания (англ. prevalence), или фоновым уровнем (background rate), а в теореме Байеса – априорной вероятностью (prior probability) или априорным представлением (prior).

Для медицинских обследований априорную вероятность часто относительно легко вычислить или, по крайней мере, просто определить. Если нужно определить риск развития болезни Хантингтона, можно просмотреть диагнозы, зарегистрированные в журналах общей практики, и подсчитать, что этим заболеванием страдают примерно 12,3 человека на сто тысяч.

В других ситуациях это намного сложнее. Если вы хотите узнать, насколько вероятно, что Россия введет войска в Украину, какова априорная вероятность такого события? Сколько раз в год Россия вводила войска в Украину? Как часто одна страна вводит войска в другую страну? Как часто одна страна вводит войска на территорию другой страны, если первая сосредоточила у границы второй танки?

Возьмем другой пример. Насколько вероятно, что моя научная гипотеза верна, учитывая, что я только что провел эксперимент и увидел определенные данные? Допустим, если моя гипотеза ошибочна, я бы ожидал увидеть подобные данные только в одном случае из двадцати. Значит ли это, что я могу сказать, что гипотеза, скорее всего, верна? Нет. Зависит от того, насколько вероятной была моя гипотеза до того, как я начал эксперимент, то есть от того, какова априорная вероятность. Но как же ее определить?

И еще один пример. Какова вероятность, что тот или иной человек виновен в преступлении с учетом данных криминалистической экспертизы? Если у меня есть образцы ДНК, шанс получить которые – один на миллион, значит ли это, что вероятность того, что я ошибся в подозреваемом, составляет один на миллион? Нет. Это зависит от того, насколько вероятно, что ваш подозреваемый изначально был «правильным». Но опять же, как вообще все это можно просчитать?

До этого мы дойдем. (Есть люди, которые на этом зарабатывают.) Главное – начинать с априорной вероятности и пользоваться теоремой Байеса. В противном случае можно забрести бог знает куда.

С теоремой Байеса люди чаще всего впервые сталкиваются в медицине, так что начнем с нее.

Я уже много лет слегка одержим теоремой Байеса. Впервые я прочитал о ней в начале двухтысячных в колонке Бена Голдакра под заголовком «Псевдонаука» («Bad Science») в газете The Guardian. С тех пор теорема увлекала меня всё больше и больше. Я написал три книги, включая эту, и во всех трех она фигурирует. Есть что-то удивительное в том, насколько теорема Байеса контринтуитивна. Что значит, когда 99-процентная точность анализа – не то же самое, что 99-процентная вероятность того, что он окажется верным? Что за бред вообще? Если вникнуть в аргументацию – не очень-то сложную, – все становится понятно, но по крайней мере для меня теорема Байеса и сейчас не теряет определенного жутковатого, потустороннего флера.

За последние четыре года, с начала 2020‐го, когда ковид-19 начал свое «триумфальное шествие» по планете, она стала намного актуальнее. Еще в апреле 2020 года, когда мы сидели на первом карантине, разные люди, например Тони Блэр, призывали ввести «иммунные паспорта» – тесты на антитела, которые позволят определить, переболел человек ковидом или нет. Если переболел, ему можно было бы выходить на улицу. (Это было еще до того, как мы поняли, что можно легко заразиться несколько раз).

В то время тесты на антитела только появились. Один такой тест, только что получивший экстренную регистрацию в США, показал чувствительность и специфичность на уровне примерно 95 %.

Неплохой показатель. Но на апрель 2020 года переболели вирусом, видимо, около 3 % британцев. Это ваша априорная вероятность. Если бы с помощью этого теста вы протестировали миллион человек, можно было бы предположить, что ковидом переболели около 30 тысяч человек. Ваш тест правильно бы выявил 28 500 из них. Но в тестах 970 тысяч человек, не болевших ковидом, он бы дал ложноположительный результат у 48 500 из них.

То есть из 77 тысяч человек, которые получили бы положительный результат, в реальности переболели чуть больше трети. Это ваша апостериорная вероятность. Если бы вы протестировали все 65 миллионов британцев и выдали «иммунные паспорта» всем, кто получил положительный результат, это означало бы, что около трех миллионов человек сказали бы, что им можно идти обниматься с бабушками, чей иммунитет ослаблен, хотя это совсем не так. Вы просто не разобрались бы во всем этом, не имея хоть какого-то представления о байесовских принципах.

В Британии возник еще один скандал, связанный с этими принципами: несколько комментаторов из числа настроенных скептически в отношении самоизоляции людей какое-то смутное представление о теореме Байеса получили. Бывший министр Джон Редвуд прославился, наверное, больше остальных: «Советники правительства должны нам сегодня сказать, как они собираются бороться с ложными результатами тестов, искажающими цифры», – потребовал он.

Дело в том, что один из скептиков неверно истолковал интервью с профессором сэром Дэвидом Шпигелхалтером – жизнерадостным статистиком, который во время пандемии не вылезал из телевизора и радио, терпеливо объясняя точность тестирования или эффективность прививок. Из его слов эти комментаторы извлекли, что когда тестирование дает 1 % ложноположительных результатов, то это не означает, что лишь 1 % всех положительных результатов ложны!.. Все это происходило между первой и второй волнами, когда при малейшем насморке мы делали тестирование при помощи полимеразной цепной реакции – ПЦР-тесты. В то время заболеваемость ковидом среди британцев была довольно низкой – локдаун же снижает число заражений! – но, похоже, она снова начала расти.

Однако ковид-диссиденты посчитали, что явный рост заболеваемости – иллюзия, которую можно объяснить с помощью теоремы Байеса. Примерно 0,1 % людей на тот момент болели ковидом. Если бы вы тестировали людей случайным образом, и ваш тест в 99 % случаев правильно определял бы людей, у которых нет ковида, а людей, у которых ковид есть, – в 90 % случаев, то более 90 % ваших положительных результатов были бы ложными[4].

Все это абсолютно верно. Однако они не зашли в своих байесовских рассуждениях достаточно далеко. Во-первых, действительно ли априорная вероятность составляла 0,1 %? Конечно, если тестировать население полностью случайным образом. Но мы-то не тестировали их так – мы тестировали людей, у которых были симптомы, или же контактировавших с человеком, заболевание которого было подтверждено. Вероятность, что эти люди больны, была гораздо выше. Насколько выше? Мы не знаем, но даже если только у одного процента из них в действительности был ковид, общая доля ложноположительных результатов упала бы до 50 %. Если 10 % из них действительно болели бы, примерно 90 % положительных результатов были бы правильными.

И, конечно, мы исходим из того, что доля ложноположительных результатов составляет 1 %. Такой показатель кажется совершенно невероятным.

В один момент летом 2020 года, когда ковид, казалось, пошел на убыль, общая доля положительных тестов – и ложных, и правильных – составила 0,05 %, то есть доля ложноположительных результатов не могла объективно превышать этот показатель. Если взять это за основу, то при заболеваемости ковидом на уровне 0,1 % доля неверных положительных результатов упадет примерно до 35 %. Если учесть, что заболеваемость подвергнутой тестированию части населения была выше, как мы аргументировали ранее, получим, что доля неверных положительных результатов среди положительных была еще меньше.

Речь, впрочем, может идти не только о ковиде. Невозможно разобраться ни в одной из форм медицинских анализов, не призвав на помощь Байеса.

Система медицинского обслуживания (NHS) в Англии делает плановый онкоскрининг трех видов – груди, мозга и толстой кишки. Обследование предстательной железы могут пройти мужчины старше пятидесяти лет, если они обратятся самостоятельно, но в плановом порядке оно не проводится.

Почему? Обследование на рак – это же здорово. Все мы знаем, что чем раньше болезнь выявят, тем выше шансы ее победить. Почему тогда не пройти обследование, которое выявит, больны вы раком или нет? Ответ на этот и другие вопросы, заданные в этой книге, – в теореме Байеса.

Скрининг рака предстательной железы проводят с помощью так называемого теста на простатический специфический антиген (ПСА). Он довольно простой. Ты делаешь анализ крови, и если уровень ПСА в крови превышает определенный показатель, – обычно 3 или 4 нанограмма на миллилитр, – тебя направляют на дальнейшее обследование, например, на сканирование или биопсию. Высокий уровень ПСА может быть признаком рака предстательной железы, хотя он же может указывать и на наличие инфекции, воспаления или просто на возраст.

ПСА-скрининг не настолько точен, как тесты, о которых шла речь выше. По данным Национального института здоровья и медицинской помощи (NICE) – консультативного медицинского органа Великобритании, – если проводить скрининг на ПСА с отсечкой 3 нанограмма на миллилитр, это позволит правильно выявить около 32 % пациентов, больных раком (чувствительность) и около 85 % пациентов, у которых нет рака (специфичность).

Примерно 2 % мужчин за пятьдесят страдают раком предстательной железы. Если еще раз протестировать миллион пациентов, примерно 20 тысяч из них действительно окажутся больны. Правильный диагноз будет поставлен примерно 6 400 из них. А из оставшихся 980 тысяч примерно 147 тысячам вы скажете, что им нужно будет пройти дополнительное обследование. Если вы получите положительный результат по этому тесту, и вы мужчина за пятьдесят, вероятность, что у вас действительно рак, составит примерно 4 %.

Стоит ли знать о такой вероятности? Наверное. Но нужно иметь в виду, что надо будет пройти дополнительные обследования, в том числе инвазивные, неприятные, иногда в чем-то рискованные. Плюс, конечно, NHS пришлось бы оплачивать десятки тысяч МРТ-сканирований и биопсий, а это миллионы фунтов. Такие деньги лучше было бы потратить на статины, пересадку почек или зарплату медсестер. Особенность рака предстательной железы заключается в том, что во многих случаях он растет настолько медленно, что мужчины даже не подозревают о том, что он у них может быть; очень часто рак простаты обнаруживают при вскрытии, когда мужчина умер от чего-то другого.

Так что возникает еще одна важная тема. Показатели «чувствительность 32 %, специфичность 85 %» вы получите, если примените отсечку в 3 нанограмма на миллилитр. Но можно увеличить этот показатель до 4 нанограмм. Что тогда?

Тогда показатель специфичности будет выше. Процент пациентов, которым правильно диагностировано отсутствие рака, увеличится с 85 до 91 %. Но тогда пострадает чувствительность. Доля мужчин, у которых есть рак, и при этом правильно диагностированный, снизится с 32 до 21 %. Если еще раз протестировать миллион мужчин, то теперь вы получите меньше ложноположительных результатов – 88 200, но меньше и истинно положительных: всего 4 200 из 20 тысяч. В такой ситуации, если вы получили положительный результат, вероятность, что у вас действительно рак, все равно составит всего лишь около 4,5 %.

Обойти это невозможно. Можно поднять порог, скажем, до 5 нанограмм на миллилитр, и уменьшить число ложноположительных результатов, но только за счет увеличения числа ложноотрицательных. Или можно снизить порог и уменьшить количество ложноотрицательных результатов, но только ценой увеличения количества ложноположительных. Это неизбежная дилемма, высеченная в камне. Единственный возможный обходной маневр здесь – пройти другое, более эффективное обследование. Ситуация аналогична проблеме «статистической значимости» в науке. Об этой проблеме мы еще поговорим.

При раке груди и толстой кишки скрининг довольно точен. Но даже в этом случае он сильно зависит от показателя заболеваемости в популяции. В одном крупном исследовании было показано, что 60 % женщин, которые в течение десяти лет ежегодно делают маммографию, хотя бы один раз получают ложноположительный результат. Их направляют на дополнительные исследования, например на биопсию. Всё это вызывает «тревогу, душевное смятение и беспокойство, связанные с раком молочной железы». Стоит ли оно того? Будет целиком зависеть от фонового уровня заболеваемости в популяции, то есть от априорной вероятности. Рак груди редко встречается у молодых женщин. Если протестировать женщин моложе сорока, то даже довольно чувствительные и специфические тесты дадут очень много ложноположительных результатов. Среди женщин старшего возраста этот метод ценят больше, и в NICE утверждают, что он экономически эффективен, если его делать у женщин старше пятидесяти. Но вы не можете принимать решения, не прибегнув к помощи Байеса.

Будущим родителям тоже не помешает почитать о Байесе. Существует вид дородового скрининга, известный как «неинвазивное пренатальное тестирование» (NIPT), при котором у беременной женщины берут на анализ кровь, которую проверяют на наличие различных хромосомных заболеваний у плода. В Великобритании NHS предлагает его пройти женщинам из категорий высокого риска. Еще его делают в частных клиниках, примерно за 500 фунтов. Продают тест, рекламируя его 99-процентную точность. Но, опять же, точность теста сама по себе ничего вам не скажет о том, насколько вероятна правильность вашего результата. Заболевания, ради выявления которых его проходят, редки; это синдром Дауна, синдром Патау и синдром Эдвардса. Но они при этом крайне серьезны. Ребенок с синдромом Дауна может прожить долгую и счастливую жизнь, но ему скорее всего будет необходим пожизненный уход, в то время как дети с синдромами Патау и Эдвардса обычно умирают в первые месяцы или годы жизни. Очевидно, что для родителей очень важно, точны результаты тестов или нет.

Анализ данных показал, что НИПТ-тестирование населения в целом, а не только беременных из группы высокого риска, часто дает ложноположительные результаты. «Прогностическая ценность положительного результата» (positive predictive value), то есть процентная вероятность того, что данный положительный результат окажется истинно положительным, для синдрома Дауна составила 82 %, для синдрома Патау – 49 %, для синдрома Эдвардса – всего 37 %.

Если ограничиться только группами высокого риска, то эти показатели значительно возрастают: для синдрома Эдвардса прогностическая ценность положительного результата теста достигает 84 %. Иными словами, если проводить тест на будущих матерях методом случайной выборки, то почти два из трех полученных положительных результатов будут ложными. Но если ограничиться только группами повышенного риска, то ложным окажется менее чем один результат из шести.

Это «чистый Байес». Новые данные сами по себе не могут описать всю картину. Нужно знать априорную вероятность. Это не гипотетическая и не научная задача. Если вы ждете ребенка, делаете один из таких тестов и получаете положительный результат, теорема Байеса станет центральным фактором в принятии решения о том, что делать дальше. И, как мы увидим ниже, нельзя рассчитывать, что врачи вам помогут. Они, как и все мы, склонны считать, что тест, точность которого составляет 99 %, верен в 99 % случаев.

Все это касается не только медицины. В юридической сфере есть понятие «заблуждение прокурора», которое буквально означает, что человек в своем мышлении просто не следует заветам Байеса. Представьте, что вы делаете экспертизу ДНК на месте преступления. Вы находите образец на рукоятке орудия убийства, который совпадает с ДНК человека из вашей базы данных. Совпадение ДНК довольно точное: такая точность встречается примерно один раз на три миллиона.

Значит ли это, что вероятность того, что ваш подозреваемый невиновен, составляет всего один на три миллиона? Надеюсь, сейчас вы уже понимаете, что это не так.

Вам нужно знать априорную вероятность. Есть ли какие-то особые причины считать, что этот человек – именно тот, кто вам нужен, или ваша база данных представляет собой просто случайную выборку жителей Великобритании? Если это так, то априорная вероятность того, что подозреваемый вами человек – преступник, равна одному к 65 миллионам: есть 65 миллионов британцев и только один человек, совершивший это конкретное преступление. Если бы вы сделали анализ ДНК каждого британца, то по чистой случайности получили бы около двадцати совпадений ДНК, плюс преступник. Таким образом, вероятность того, что вы вышли на правильного подозреваемого, составляет плюс-минус 5 %.

Но если бы вы заранее сузили круг подозреваемых до десяти человек – скажем, вы Эркюль Пуаро и знаете, что это один из десяти человек, запертых в загородном особняке снежной бурей, – то это было бы совсем другое дело. Ваша априорная вероятность в таком случае – 10 %. Если ДНК одного из этих десяти человек совпадет с найденным образцом, то вероятность ложноположи-тельного результата составит примерно один к 300 000[5].

И, опять же, это не какое-то крючкотворство и не копание в малозначимых мелочах. На этих цифрах строятся реальные судебные дела. В 1990 году суд признал некоего Эндрю Дина виновным в изнасиловании – частично на основании данных ДНК. Свидетель-эксперт заявил суду, что вероятность того, что ДНК принадлежит кому-то другому, составляет один к трем миллионам. Однако приговор Дину отменили (хотя на повторном процессе он был все равно признан виновным), потому что, как объяснил один статистик, два вопроса – «Насколько вероятно совпадение ДНК человека с [найденным] образцом ДНК, если он невиновен?» и «Насколько вероятно, что человек невиновен, если его ДНК совпадает с образцом?» – не одно и то же, так же как вопрос «Насколько вероятно, что некий человек является Папой Римским?» не то же самое, что и вопрос «Насколько вероятно, что Папа Римский – человек?».

Иногда ошибки возникают и в обратную сторону. На суде по делу бывшей звезды американского футбола О. Дж. Симпсона, обвиненного в убийстве своей жены Николь Браун Симпсон, обвинение утверждало, что Симпсон был склонен к физическому насилию. Защита возражала, что за условный год «бесконечно малый процент мужчин, которые бьют своих жен», потом их убивают.

Но это была ошибка, противоположная заблуждению прокурора. Годовая вероятность того, что мужчина, избивающий свою жену, убьет ее, может составлять «всего» один к 2500. Но мы спрашиваем не об этом. Мы спрашиваем, если мужчина избивает жену, и, учитывая, что жена была убита, какова вероятность, что убил ее муж?

Немецкий психолог и исследователь риска Герд Гигеренцер указал на то, что если цифра один к 2500 верна, то на каждые сто тысяч женщин, страдающих от домашнего насилия, приходится около сорока убитых. Базовый показатель убийств среди американских женщин составляет примерно пять на 100 000.

То есть априорная вероятность того, что американка, ставшая жертвой домашнего насилия, будет убита своим мужем, составляет примерно один к 2500 в год. Но нам нужно рассмотреть эту вероятность с учетом новой информации: теперь мы знаем, что именно эта женщина была убита.

Именно здесь вступает в дело байесовская математика. Если мы возьмем сто тысяч жертв домашнего насилия, то можем предположить, что за условный год 99 955 женщин убиты не будут. Но из оставшихся сорока пяти сорок убьют их мужья. Защита совершила ошибку, обратную заблуждению прокурора: она привела только априорную вероятность и проигнорировала уже имеющуюся новую информацию.

Теорема Байеса, хотя и помогает нам понять эти ошибки в рассуждениях, может рассказать и о более глубоких вещах. Слово «обратная» в предыдущем абзаце – ключевое. Часто статистика и теория вероятности говорят, насколько вероятно, что вы получите какой-то результат случайно. Если мои игральные кости – геометрически правильные по форме, три шестерки одновременно мне выпадут один раз из 216. Если меня не было на месте преступления, моя ДНК должна совпасть с найденным образцом с вероятностью один на 3 миллиона.

Зачастую, впрочем, это не то, что мы хотим знать. Если мы опасаемся, что человек, с которым мы играем в кости, – шулер, мы, наверное, захотим узнать, «если ему выпадет три шестерки, какова вероятность того, что его кубики правильные по форме?» Если чья-то ДНК совпадает с образцом, найденным на месте преступления, мы, наверное, захотим узнать, какова вероятность того, что это случайность. А это ровно противоположный вопрос.

Долгое время история вероятности сводилась к постановке первого вопроса. Но после того как в XVIII веке преподобный Томас Байес, о котором мы расскажем чуть позже, начал задавать второй вопрос, его стали называть обратной вероятностью. В этой книге вы увидите, что теорема Байеса на удивление спорна. У нее есть сторонники и враги, причем и тех, и тех гораздо больше, чем у любого сопоставимого однострочного уравнения. Вы не встретите людей, которые бы ругались в интернете из-за выражения для вычисления площади поверхности сферы или из-за формулы Эйлера.

Причина, по-моему, кроется в том, что теорема Байеса влияет на всё. Насколько вероятно, что та или иная научная гипотеза верна с учетом результатов того или иного исследования? Я могу сказать, какова вероятность, что вы увидите результаты, которые увидели бы, если бы она не была верна, но это не одно и то же. Чтобы оценить, насколько это вероятно, – а все больше ученых утверждают, что именно этим и должна заниматься статистика, – нам нужна теорема Байеса и априорные вероятности.

Более того, все решения, принимаемые в условиях неопределенности, являются байесовскими; или вернее так: теорема Байеса обеспечивает принятие идеальных решений, и степень, в которой агент подчиняется Байесу, есть мера правильности его решений. Сама логика – «Все люди смертны, Сократ – человек, следовательно, Сократ смертен», помните, наверное? – это лишь частный случай байесовских рассуждений, в которых можно использовать только вероятности, равные единице и нулю.

Похоже, мы, люди, – байесовские машины. Это верно на довольно высоком уровне: формально людям сложно разобраться в теореме Байеса, но решения, которые мы принимаем в повседневной жизни, вполне сопоставимы с теми, которые принимал бы идеальный сторонник байесовского подхода. К сожалению, это не значит, что мы в итоге во всем согласимся друг с другом: если мои представления сильно отличаются от ваших, то одни и те же данные или доказательства могут привести нас к совершенно разным выводам. Именно так мы можем прийти к глубоким, но искренним разногласиям по вопросам о климате, прививках или по любым другим вопросам, которые, казалось бы, снабжены убедительными доказательствами или данными.

На более глубоком уровне мы тоже байесианцы. Наш мозг, наше восприятие, похоже, работают, давая предсказания о поведении мира – априорные вероятности – и исправляя эти предсказания информацией от наших органов чувств: новыми данными.

Наше осознанное восприятие мира – вот наша априорная информация. Я предсказываю, следовательно, существую.

Глава первая
От «Книги общих молитв» до Full Monty Carlo

Байес-человек

Недалеко от станции метро «Олд Стрит» в районе Шордич в восточной части Лондона есть кладбище Банхилл-Филдс.

Здесь похоронено довольно много известных людей. Самый, пожалуй, знаменитый из них – Уильям Блейк. Здесь также лежит автор «Робинзона Крузо» и «Дневника чумного года» Даниэль Дефо и Джон Беньян, написавший «Путешествия Пилигрима».

Но тем, кто, как я, много раз ходил от метро до расположенного неподалеку Королевского статистического общества, кладбище Банхилл-Филдс известно как последнее пристанище преподобного Томаса Байеса.

Байес жил в XVIII веке, служил пресвитерианским священником и был математиком-любителем. При жизни он опубликовал один богословский труд и один текст о ньютоновском исчислении. Но больше всего его помнят по короткой работе «Очерк к решению проблемы доктрины шансов». Она была опубликована после его смерти в журнале Philosophical Transactions: несколько незаконченных заметок, оставленных Байесом, нашел и отредактировал его друг Ричард Прайс.

Книга, которую вы держите в руках, посвящена обманчиво простой идее, которую разработал Байес, – его теореме. Она, без преувеличения, является, возможно, самым важным уравнением в истории. Однако о ее авторе как человеке известно очень мало. Тот факт, что мы можем сказать лишь то, что он вероятно родился в 1701 году, дает представление о том, насколько скудны сведения о нем.

В 2004 году почетный профессор статистики в канадском Университете Уотерлу Дэвид Беллхаус написал биографию Байеса для журнала Statistical Science. Проблема, по его словам, заключалась в том, что Байес был нонконформистом – членом общины, отколовшейся от Церкви Англии из-за определенных разногласий с ней.

Чтобы понять, в чем здесь загвоздка, придется вернуться на пару столетий назад. Поклонники сериала «Волчий зал» помнят, что Генрих VIII отделил Англию от Католической церкви в 1533 году, чтобы жениться на Анне Болейн. Он был несколько раз женат и умер в 1547 году. После его смерти архиепископ Кранмер двумя годами позже ввел в обиход «Книгу общих молитв», сделав ее обязательной для богослужений во всех церквях Англии.

В 1553‐м дочь Генриха Мария отменила его решение, а самого Кранмера велела сжечь на костре как еретика, чтобы максимально доходчиво довести свою точку зрения до всех. Елизавета I через несколько лет снова ввела в обращение «Книгу», и все продолжали пользоваться ею еще почти столетие, вплоть до Гражданской войны в Англии.

В период Английской республики, то есть с момента казни Карла I в 1649 году до восстановления монархии в 1660‐м, религиозные ограничения были ослаблены, но в 1662 году парламент принял Закон о единоверии, по которому «Книгу» снова нужно было использовать во всех церквях Англии.

К тому времени некоторые священники уже привыкли к свободе, которой пользовались во времена республики Оливера Кромвеля. Примерно две тысячи из них – в основном сторонники пуританской традиции – отказались пользоваться «Книгой», были извергнуты из сана и лишились своих должностей в Англиканской церкви. Тем не менее многие из них продолжали проповедовать, часто пользуясь защитой мелкопоместного дворянства. Этих священников стали называть «несогласными» или «нонконформистами».

Принятый в 1688 году Акт о веротерпимости гарантировал нонконформистам, пресвитерианам и квакерам свободу вероисповедания, и им – в отличие от католиков того времени, – больше не нужно было совершать богослужения в тайне. При этом они должны были получать лицензии на свои храмы, им запрещалось занимать государственные должности и – что важно для нашей истории – учиться в английских университетах. Вместо них ученые из числа нонконформистов и будущие священники поступали в шотландские университеты, в частности в Эдинбургский, или в голландские, в том числе в Лейденский.

Члены семьи Байесов были нонконформистами. При этом они были состоятельными людьми: прадед Томаса Ричард Байес разбогател на металлургии в Шеффилде: он выпускал столовые приборы. У Ричарда и его жены Элис, урожденной Чапман, было двое сыновей. Один из них – Сэмюэл – стал священником: таким путем шли многие отпрыски богатых семей из числа как нонконформистов, так и англикан. Сэмюэлу повезло: возраста, когда нужно было поступать в университет, он достиг во времена Английской республики, поэтому ему разрешили учиться в кембриджском Тринити-колледже, который он окончил в 1656‐м. Несмотря на свои нонконформистские убеждения, Сэмюэл стал викарием в Нортхэмптоншире, хотя оказался среди тех двух тысяч священников, отказавшихся в 1662 году подчиняться Акту о единоверии. Поэтому и прихода своего он лишился. Другой сын Ричарда и Элис Байесов – Джошуа – дед Томаса, пошел по стопам отца и занимался семейным делом.

На тот момент Байесы вполне серьезно относились к нонконформистской миссии. Джошуа дал деньги на строительство часовни в Шеффилде. У него было четверо дочерей и три сына, но две дочери и один сын умерли в младенчестве. Один из его зятьев основал еще один нонконформистский приход, второй зять служил священником в другом. Второй сын Джошуа, тоже Джошуа, родился в 1671 году. Он изучал философию и богословие в одной из Школ для несогласных[6] на севере Англии, которая вынуждена была несколько раз переезжать с места на место из-за притеснений со стороны государства и преследования ученых-нонконформистов. Затем он стал священником и служил в нескольких лондонских церквях, сначала в районе Саутуарк, потом – недалеко от Фаррингдона. Если верить Беллхаусу, паства его уважала «и как проповедника, и как человека ученого».

Он также был классическим пуританином-семьянином с целым выводком детей. Джошуа вступил в брак с Анной Карпентер в октябре 1700 года, хотя точная дата свадьбы неизвестна, вероятно из-за того, что церемония прошла в нонконформистской церкви. Реестры рождений, смертей и браков вела Церковь Англии. Нонконформистские общины часто хранили свои записи в тайне или не вели их вовсе, опасаясь дискриминации.

По той же причине даты рождения семерых детей Джошуа и Анны неизвестны. Все семеро дожили до совершеннолетия, что было довольно необычно для того времени – около трети английских детей, рождавшихся в начале XVIII века, умирали, не дожив до пяти лет. Мы знаем, что Томас – старший из детей – умер в апреле 1761 года в возрасте пятидесяти девяти лет, поэтому он «с вероятностью 0,8» родился в 1701 году (или в самом начале 1702 года). Его братьями и сестрами были, в порядке рождения, Мэри, Джон, Анна, Сэмюэл, Ребекка и Натаниэль; нам известны годы их смерти и возраст (Джон умер самым молодым, в возрасте тридцати восьми лет в 1743 году, а Ребекка дожила до восьмидесяти двух), но не точные даты их рождения.

Семья жила в полном соответствии с нашими представлениями о жизни богатых образованных семейств того времени. Один из сыновей – Джон – поступил в училище правоведения «Линкольнс-Инн», в 1739‐м стал адвокатом. Сэмюэл и Натаниэль занимались торговлей, как их дед и прадед: Сэмюэл продавал белье, Натаниэль был бакалейщиком. Анна и Ребекка вышли замуж за обеспеченных людей своего круга – торговца текстилем и адвоката соответственно. А Томас, конечно же, пошел по стопам отца и стал нонконформистским священником.

Обучением мальчика занимался, вероятно, друг семьи Джон Уорд, который позднее стал профессором риторики в кембриджском Грешем-колледже и членом Королевского общества[7]. Отец Томаса оплатил тираж безусловно увлекательной книги Уорда «Жизнь профессоров Грешем-колледжа», и биограф Уорда говорит, что последнего «побудили взять на себя обучение нескольких детей его друзей». В итоге он открыл школу в Мурфилдсе. Существует также предположение, что Томаса обучал Абрахам де Муавр – один из великих первопроходцев теории вероятностей, вынужденный бежать из Франции в Лондон и зарабатывать там на жизнь репетиторством; впрочем, кажется, что это всего лишь предположение.

Томас вырос умным молодым человеком: из письма ему от Уорда, написанного в 1720 году, когда Томасу было восемнадцать или девятнадцать лет, ясно следует, что Байес свободно читал по-гречески и по-латыни, – само письмо, кстати, было написано на латыни. В письме Уорд дает Томасу советы, как лучше составлять тексты на латыни.

Несмотря на богатство и связи семьи, а также собственные умственные способности, выходцу из среды нонконформистов Томасу Байесу путь в английские университеты был закрыт. В 1719 году он отправился в Эдинбург, где, судя по всему, начал учиться у Колина Драммонда – профессора логики и метафизики. Письмо Уорда от 1720 года также сообщает нам, что Байес изучал математику, к удовлетворению Уорда: «Порядок, которого вы придерживаетесь в остальных ваших занятиях, я не могу не одобрить. Занимаясь одновременно и математикой, и логикой, вы будете яснее и четче замечать, какой вклад вносит каждый из этих прекрасных инструментов в управление мыслью и чувством».

Однако в Эдинбург Байеса поехал все же не за этим, а чтобы изучать богословие и готовиться к жизни священника. В 1720‐м он поступил на богословский факультет (Divinity Hall), документы которого свидетельствуют о том, что он занимался там, в частности, анализом стихов Евангелия от Матфея. Последний документ датируется январем 1722 года, то есть в Эдинбурге он прожил как минимум до этого момента.

Еще один факт, известный о жизни Байеса – он приехал в Лондон примерно в 1728 году; именно тогда его имя появилось в списке священнослужителей, представленном комитету пресвитериан, индепендентов и баптистов, в котором Джошуа – отец Томаса – часто заседал и иногда председательствовал. На тот момент Томас уже официально считался священником – сдал все необходимые экзамены – но прихода своего еще не имел. К 1732 году, согласно тому же списку за этот год, он уже служил вместе с отцом в церкви на Лезер-Лейн недалеко от Фаррингдона. К началу 1734‐го он переехал в городок Танбридж-Уэллс в графстве Кент, где возглавил приход уже сам.

О сути убеждений Байеса нам точно неизвестно. Мы знаем, что он был нонконформистом, но и только. Тем не менее и этого достаточно, чтобы понять, что у него были довольно необычные, даже откровенно еретические для своего времени взгляды.

Он не был ни англиканином, ни католиком. Между этими учениями есть разница, но она не столь велика. Для постороннего они расходятся по весьма малозначимым вопросам. Католики верят, что спасение возможно только в рамках Церкви, тогда как англикане убеждены, что если верить в Иисуса Христа и следовать Его заветам, то попадешь в рай, даже если ни разу в жизни не видел священника. Католики верят, что облатка и вино буквально пресуществляются в Тело и Кровь Христовы во время таинства Евхаристии, в то время как большинство англикан считает, что они просто пропитаны Его Духом. При этом и те, и другие верят в Святую Троицу – Бога Отца, Бога Сына и Бога Духа Святого, – и что Бог одновременно единосущен и триипостасен. Некоторые нонконформисты имели совершенно другие взгляды. В частности, ариане и социниане отрицали догмат о Троице (и, как следствие, «мейнстримные» христиане считали их еретиками). Ариане считали, что Бог Отец есть верховный Бог, а Иисус, его сын – Бог малый, существовавший всегда, даже до того, как физически появился на Земле. Социниане же соглашались с тем, что Иисус – малый Бог, но считали, что он появился на свет только в момент собственно Рождества Христова. Позднее из двух этих ересей выросло унитарианство. Его сторонники так же отрицали догмат о Троице, но пошли в этом отрицании еще дальше: они утверждают, что Бог один и что Иисус – человек.

Эти убеждения получили довольно широкое распространение среди пресвитерианских общин в XVIII веке. «Пресвитериане были действительно свободными мыслителями», – пишет Беллхаус, хотя и не настолько свободными, чтобы эти еретические убеждения не приводили к конфликтам: в 1719 году проповедники Джеймс Пирс и Джозеф Халлетт были изгнаны из пресвитерианских церквей в Эксетере из-за обвинений в ереси арианства.

Первой публикацией Байеса стала богословская работа 1731 года «Божественная милость, или попытка доказать, что главная цель Божественного провидения и правления есть счастье его созданий: ответ на памфлет под названием “Божественная прямота, или Исследование о нравственных совершенствах Божества”, с опровержением выдвинутых в нем понятий о красоте и порядке, причине наказания и необходимости состояния испытания, предшествующего совершенному счастью». Его имя не было указано на авторской странице (хотя, если честно, там вряд ли нашлось бы для него место), но считается, что работа именно его. Друг Байеса Ричард Прайс ссылается на нее в собственных текстах и называет автором Байеса.

«Божественная милость» – работа о теодицее, попытка объяснить, почему Бог, если он всемогущ и всемилостив, допускает зло в мире. Как писал Дэвид Юм, очевидно цитируя Эпикура: «Хочет ли он предотвратить зло, но не может? Тогда он беспомощен. Может, но не хочет? Тогда он злонамерен. Может и хочет? Тогда откуда берется зло?»

Своей работой Байес отвечал на трактат Джона Болги – англиканского богослова, утверждавшего: страдания в мире вызваны тем, что доброта Бога заключается в совершении «правильного и уместного», а это не обязательно должно нравиться нам, людям. Байес, напротив, верил, что Бог действительно милостив и хочет, чтобы мы были счастливы. Поскольку многие из нас несчастны, большая часть аргументации Байеса была посвящена объяснению причин, по которым Бог не пытается сделать нас счастливыми, хотя Он может и хочет этого. Работа была, очевидно, весьма спорной и широко разошлась.

Однако «Божественная милость» не укладывалась в собственные религиозные представления Байеса. Его отец Джошуа Байес был «умеренным кальвинистом, терпимым к разным взглядам», но Беллхаус утверждает, что Томас, вероятно, был последователем арианства или социнианства и «отчасти унитарианства». «Он не был среднестатистическим ортодоксальным христианином», – пишет Беллхаус.

«Он учился на пресвитерианского священника, но сам скорее всего был сторонником социнианства».

Разгадка кроется в круге его общения. Среди друзей Байеса был некто Джеймс Фостер – тоже диссидентствующий проповедник, который сам был дружен с двумя эксетерскими священниками, отлученными от церкви за арианство. Фостер также написал памфлет «Очерк об основах религии», в котором утверждал, что Троица не особо важна для христианства, что, на мой взгляд, звучит как опасная ересь.

Еще одним соратником Байеса был Уильям Уистон – преемник Исаака Ньютона на посту лукасовского профессора математики в Кембридже. Однажды за завтраком Фостер и Уистон спросили Байеса, будет ли на проповеди в местной англиканской церкви в приближающийся выходной упомянут Афанасьевский Символ веры, который содержит догмат о Троице. Уистон сказал, что если будет, он покинет службу, на что Байес заверил его, что вряд ли.

После смерти Байес оставит 200 фунтов Джону Хойлу и Ричарду Прайсу – двум лондонским нонконформистским священникам. Оба они были арианами по вероисповеданию, и обе их церкви позже стали унитарианскими. Прайс был близким другом Байеса. Когда Байес умер, именно он переработал и опубликовал знаменитое сочинение, содержавшее теорему Байеса.

Томас Байес жил в мире высшего общества. Его коллеги, как правило, имели университетское образование, многие – степень доктора богословия и дворянские титулы. Это видно по его общению с такими уважаемыми людьми, как Уорд и Уистон. В Танбридж-Уэллсе Байес продолжал общаться с известными людьми, обладавшими большими связями. Самым важным из них был, по-видимому, Филип Стенхоуп – второй граф Стенхоуп.

Танбридж-Уэллс в те годы был «в основном туристическим городком». Добраться до него из Лондона можно было за день конным экипажем, а самой известной его достопримечательностью был крупный и очень популярный курорт, «питаемый» местным источником. Стенхоуп, ставший графом в возрасте семи лет после смерти отца, семейное имение которого в Чивнинге располагалось всего в нескольких милях от Танбриджа, начал постоянно ездить туда с двадцатилетнего возраста. Он был младше Байеса – родился в 1713 году.

Молодой граф был увлеченным математиком-любителем. В детстве дядя и опекун пытались отбить у него интерес к математике и подтолкнуть к литературным занятиям, но по достижении совершеннолетия он взялся за нее с удвоенной энергией. «Он прочел много книг по богословию, метафизике и математике», – писал один из его современников. «Он постоянно делал какие-то математические заметки в записной книжке, поэтому кто-то считал его фокусником, кто-то – дураком», – писал другой.

Стенхоуп, судя по всему, создал целую сеть из коллег-ученых и математиков. В нее, помимо Байеса, входили математик из Университета Глазго Роберт Смит, чьи работы Стенхоуп опубликовал посмертно, химик и первооткрыватель кислорода Джозеф Пристли, а также Джон Имс – ученый-богослов, друг Исаака Ньютона. Все они, как и многие другие люди из окружения Стенхоупа, были нонконформистами того или иного толка, и большинство из них были учеными джентльменами – любителями, занимавшимися наукой как хобби.

«Он не был похож на современного ученого», – пишет Беллхаус о Байесе. «Он был скорее любитель, знаток. Он занимался наукой ради собственного удовольствия, а не по какой-то исследовательской программе».

То есть Стенхоуп и Байес – умные люди, располагавшие свободным временем и занятые несложной работой, – проводили за математическими штудиями свой досуг. По словам того же Беллхауса, «занятия наукой давали богатым людям XVIII века возможность приятно провести время, примерно как спорт в наши дни».

Друзья постоянно писали друг другу; их переписку нашли относительно недавно среди вещей Стенхоупа. Судя по всему, Стенхоуп познакомился с Байесом в 1730‐е годы, раздобыв незадолго до того или получив вскоре после знакомства экземпляр байесовской работы «Введение в теорию флюксий».

В ней Байес защищал ньютоновские исчисления от нападок философа Джорджа Беркли. Байес был верным сторонником Ньютона. «Некоторые [нонконформисты] не решались преподавать математику, – пишет Беллхаус, – вдруг она приведет к ньютоновской науке, а от нее – к атеизму. Но представители гораздо более значимой группы среди нонконформистов утверждали, что изучать математику важно, чтобы понимать мир Божий».

Беркли утверждал, что Ньютон, по сути, совершил ошибку деления на ноль: один из членов в ключевом уравнении был одновременно нулевым и ненулевым, и поэтому его «теория флюксий» заведомо противоречива. Байес в своем ответе попытался более строго закрепить определения Ньютона, точно установив, что означают те или иные термины.

После этого Байес проделал некоторую работу по изучению бесконечных рядов и их связи с производными. Производная – это скорость изменения величины, или же наклон графика. Если у нас есть график по осям времени (в секундах) и координаты (в метрах), то форма линии даст нам представление о скорости (в метрах в секунду). Если линия прямая, то скорость постоянна. Если она кривая, скорость меняется. Производная измеряет наклон кривой в конкретной точке, поэтому можно определить скорость для любого значения координаты или времени. Можно подняться еще на один уровень: разделите изменение скорости на изменение времени и получите ускорение, которое является второй производной от расстояния по времени.

Бесконечный ряд – это вид суммы, но суммы, продолжающейся бесконечно. Если я скажу «x равно один плюс два плюс три плюс четыре и так далее»[8], то это бесконечный ряд, и x равно бесконечности[9]. Однако суммы некоторых бесконечных рядов вовсе не бесконечны. Например, если я скажу «x равно половина плюс четверть плюс одна восьмая плюс одна шестнадцатая плюс 1/32 и так далее»,[10] то это тоже бесконечный ряд, и x равен единице.

Байес показал, что производная функции y равна бесконечному ряду: приращение y при изменении аргумента на единицу минус половина от «двойного приращения» (приращения приращения) y плюс треть от тройного приращения y и так далее[11]. Это маленькая аккуратная теорема, найденная в бумагах Стэнхоупа уже после смерти обоих («Теорема, о которой мне в Танбридж-Уэллсе сказал мистер Байес 12 августа 1747 года», – гласит лаконичная запись на клочке бумаги), и которую, как считает Беллхаус, самостоятельно открыл четверть века спустя французский математик Жозеф-Луи Лагранж.

Примерно тогда Байес и заинтересовался теорией вероятности. Но прежде чем перейти к ней, нужно сказать пару слов о математике случайности и о том, над чем тогда вообще люди работали.

Паскаль и Ферма

Принято считать, что история изучения вероятности начинается во французских игорных домах в середине XVII века. Но мы можем заглянуть и в более давнее время.

В XVI веке итальянский эрудит Джероламо Кардано попытался дать количественную оценку математике игры в кости. Например, какова вероятность, что выпадет шестерка за четыре броска кубика или две шестерки за 24 броска пары кубиков?

Ход его рассуждений выглядел следующим образом. Вероятность, что выпадет шестерка, составляет один к шести, или 1/6, или около 17 %. Обычно в теории вероятностей мы даем цифру не в процентах, а в виде числа от нуля до единицы, которое мы называем P. Таким образом, вероятность выпадения шестерки равна p=0,17. (На самом деле 0,1666666…, но я округлил).

Кардано разумно предположил, что если бросить кубик четыре раза, вероятность возрастет в четыре раза – до 4/6 или 0,67. Но если задуматься, такой расчет не может быть правильным, потому что будет значить, что если бросить кубик шесть раз, шанс, что выпадет шестерка, будет равен одной шестой, умноженной на шесть, или единице, то есть будет означать стопроцентную уверенность, что это произойдет. Но очевидно, что можно бросить кубики шесть раз, и ни в один из них шестерка не выпадет.

Кардано сбил с толку тот факт, что среднее количество выпавших на четырех кубиках шестерок составляет 0,67. Но иногда их может выпасть три, иногда – ни одной. Шансы, что выпадет шестерка (или, говоря строже, хотя бы одна шестерка) – это нечто другое.

Если один кубик бросить четыре раза, мы сильно ошибемся: реальный ответ будет примерно 0,52, а не 0,67, но все равно будем правы, если поставим на то, что шестерка скорее выпадет, чем нет. Однако если воспользоваться рассуждением Кардано для второго вопроса – о том, каков шанс, что шестерка выпадет на двух кубиках, если бросить их 24 раза, в игре оно собьет вас с толку. Его расчеты показали бы, что, поскольку две шестерки выпадают один раз из тридцати шести (p≈0,03), то, бросив кости 24 раза, соответствующий шанс увеличится в 24 раза – двадцать четыре из тридцати шести или две трети (p≈0,67, опять же).

Теперь, однако, его разумная, но ошибочная мысль заставит нас сделать неверную ставку. Шанс, что шестерка выпадет два раза, если кости бросить 24 раза, равен 0,49 – чуть меньше половины. Если делать такую ставку, мы потеряем деньги. Что же тут не так?

Столетие спустя – в 1654 году – теми же вопросами по понятным профессиональным причинам заинтересовался Антуан Гомбо, азартный игрок и философ-любитель, называвший себя Шевалье де Мере. Он заметил именно то, о чем мы только что говорили: ставка на то, что нам выпадет хотя бы одна шестерка за четыре броска одного кубика, принесет деньги, а ставка на то, что две шестерки выпадут хотя бы раз за 24 броска двух кубиков, не принесет.

Гомбо путем простых эмпирических наблюдений пришел к гораздо более реалистичной позиции, чем Кардано. Но он чувствовал, что запутался. Почему эти два результата оказались разными? Ведь шесть к четырем – то же, что тридцать шесть к двадцати четырем. Он привлек друга, математика Пьера де Каркави, но и вместе они так и не смогли разобраться. Тогда они обратились к общему другу, великому математику Блезу Паскалю.

Решение этой задачи на самом деле не такое уж сложное. Кардано зашел не с той стороны: идея в том, чтобы по числу ходов оценивать шанс не того, что некое событие произойдет, а того, что оно не произойдет.

Если бросить игральный кубик один раз, шанс, что не выпадет шестерка, равен 5/6, или p≈0,83. Если его бросить снова, шанс, что шестерка не выпадет ни в одном из бросков, составит 0,83, умноженное на 0,83, то есть чуть меньше 0,7. С каждым броском кубика вы уменьшаете шанс, что шестерка не выпадет, на 17 %.

Если бросить кубик четыре раза, шанс, что шестерка не выпадет, составляет 0,83 × 0,83 × 0,83 × 0,83 ≈ 0,48. (Для экономии времени можно сказать «0,83 в четвертой степени», или «0,83⁴»). То есть шанс, что выпадет шестерка, равен 1 минус 0,48, то есть 0,52, или 52 %. Если поставить на выпадение шестерки 100 раз с равными ставками, вы ожидаете, что выиграете 52 раза и в среднем будете в прибыли.

Но посмотрите, что произойдет, если проделать то же самое с двумя кубиками в попытке добиться, чтобы выпали две шестерки. Шанс, что выпадут две шестерки при одном броске двух кубиков, равен 1/36, или p≈0,03, – мы об этом уже говорили выше. Значит, ваш шанс, что две шестерки не выпадут, равен 35/36, или около 0,97.

Если бросить кости 24 раза, шанс, что две шестерки не выпадут, равен 0,97, умноженным на себя 24 раза (0,97²⁴). Если проделать вычисления, результат будет 0,51. То есть шанс, что выпадет двойная шестерка, равен 0,49. Если побиться об заклад при равных ставках можно рассчитывать, что нужная комбинация выпадет в сорока девяти случаях из ста, и вы потеряете деньги.

Здесь надо заметить, что Гомбо, видимо, потратил совершенно героические количество сил и времени на азартные игры, чтобы определить, что ставка в 52 % сработает, а в 49 % – нет[12]. Очевидно, он сделал правильный вывод, что для удачной ставки нужно не 24, а 25 бросков костей. Гомбо явно нравилось играть в кости.

Благодаря этим играм он задал Паскалю еще один вопрос. Представим, что два человека играют в азартную игру – в карты или в кости. Игра прерывается на середине, причем один из игроков лидирует. Как справедливо разделить банк? Неправильно ведь просто разделить его пополам, поскольку один из игроков все же лидирует; но так же несправедливо отдать все этому игроку, ведь хотя он и лидирует, но еще не выиграл.

Паскаль счел эту задачу увлекательной и обменялся серией писем о ней со своим современником Пьером де Ферма, известным по своей Великой теореме[13].

Опять же, этой задаче несколько веков. Итальянский монах Пачоли попытался решить нечто подобное в 1494 году в работе «Сумма арифметики, геометрии, отношений и пропорций» (Summa de arithmetica, geometrica, proportioni et proportionalità

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Отсылка к Евангелию от Матфея, 10:29–31. – Прим. пер..

Вернуться

2

Приятно думать, впрочем, что если бы у меня получилось обойтись без уравнений, то я мог бы продать четыре экземпляра.

Вернуться

3

Нонконформизм – течение в английском протестантизме, отколовшееся по ряду теологических вопросов от позиции Церкви Англии.

Вернуться

4

Вы тестируете миллион человек. Тысяча из них реально больна ковидом. Ваш тест выявил 900 из них. Из остальных 999 000 тест ложно диагностировал болезнь у 9 990. 900 + 9 990 = 10 890. 900 – это примерно 9 % от 10 890.

Вернуться

5

Разумеется, это не означает, что вероятность того, что он невиновен, составляет один к 300 000, ведь образец его ДНК мог оказаться на орудии убийства в результате какого-то другого обстоятельства, а не только из-за того, что он убийца.

Вернуться

6

Dissenting academies – учебные заведения, принадлежавшие общинам несогласных с вероучением Церкви Англии.

Вернуться

7

Британская академия наук.

Вернуться

8

В численном обозначении: x=1+2+3+4+5. .

Вернуться

9

Более точно можно сказать, что такой ряд расходится, и что сумма этого ряда (предел его частичных сумм) равна плюс бесконечности. – Прим. науч. ред.

Вернуться

10

В численном обозначении: x=(1/2)+(1/4)+(1/8)+(1/16)+(1/32). .

Вернуться

11

Эта формула верна далеко не всегда; напротив, она требует достаточно жестких ограничений на функцию и сходимость приведенного ряда. Байесу эти ограничения, скорее всего, не были известны. – Прим. науч. ред.

Вернуться

12

Справедливости ради для того, чтобы понять, что с рассуждением Кардано что-то не так, достаточно отличить на практике 52 % и 49 % от 67 %, что намного проще. – Прим. науч. ред.

Вернуться

13

В математике же куда шире используется так называемая Малая теорема Ферма; также с его именем связаны используемый в физике принцип Ферма, простые числа Ферма и т. д. – Прим. науч. ред.

Вернуться