III · вероятность ← Курс
Глава III · фундамент

Вероятность — язык ИИ.

Логика говорила на языке достоверного: истина или ложь. Но мир и нейросеть живут в неопределённости. Модель не выдаёт «ответ» — она выдаёт распределение над ответами. Чтобы говорить на языке ИИ, нужна вероятность — и её строгое основание заложил Колмогоров.

[0,1]мера уверенности
p(·)распределение
E[·]ожидание
PROBABILITASp(x) Σ p = 1Колмогоров распределение вероятностей p(x)
№ 00Зачем вероятность

От «истинно/ложно» — к «насколько вероятно»

Логика из главы II работает с двумя значениями: истина и ложь, 1 и 0. Но реальность редко так категорична, а ИИ — почти никогда. Языковая модель не утверждает «следующее слово такое-то»; она приписывает каждому варианту вероятность и выбирает из распределения. Вероятность — это и есть обобщение логики: вместо $\{0,1\}$ — весь отрезок $[0,1]$, мера уверенности.

Поэтому без вероятности нельзя понять машинное обучение (глава IV) и «язык» модели (глава VIII). Эта глава — мост: от достоверного к неопределённому, от логики к статистике, лежащей в основе ИИ.

Индивидуальным творчеством можно заниматься чисто романтически — без уверенности, что что-то выйдет. — А. Н. Колмогоров
Ω
Аксиоматика Колмогорова

Вероятность как мера

В 1933 году Колмогоров сделал вероятность строгой: это мера на событиях пространства элементарных исходов Ω. Три аксиомы — и вся теория следует из них.

Вероятность неотрицательна, у достоверного события равна единице, а для несовместных событий складывается:

$P(A)\ge 0,\qquad P(\Omega)=1,\qquad P\!\Big(\bigcup_i A_i\Big)=\sum_i P(A_i)$

(последнее — для попарно несовместных $A_i$). Отсюда строго выводится всё остальное: $P(\varnothing)=0$, $P(\neg A)=1-P(A)$, и так далее.

MENSURAP на событиях Ω = всёP(Ω)=1 Ω P(Ω) = 1 A B P(A), P(B) — доли «площади» в Ω
Событие — подмножество пространства исходов Ω; вероятность — его «доля». Достоверное событие Ω имеет меру 1.
∿
Случайные величины и распределения

Форма неопределённости

Случайная величина приписывает исходам числа, а распределение задаёт, с какой вероятностью эти числа выпадают. Распределение — это «форма» неопределённости.

Распределения бывают дискретные (конечный набор исходов) и непрерывные (например, гауссово $\mathcal{N}(\mu,\sigma^2)$). И вот прямая связь с моделью: на каждом шаге языковая модель выдаёт дискретное распределение над словарём — функцией softmax превращает оценки $z_i$ в вероятности:

$p_i=\dfrac{e^{z_i}}{\sum_j e^{z_j}},\qquad \sum_i p_i=1$

То самое «p(следующий токен)» из главы об LLM — это и есть распределение.

DISTRIBUTIOsoftmax Σ = 1над словарём w₁w₂w₃w₄w₅ p(w | контекст)
Распределение над словами: высота столбца — вероятность слова. Сумма равна 1.
↺
Условная вероятность и Байес

Как обновлять веру при новых данных

Условная вероятность $P(A\mid B)$ — вероятность A, если известно B. Из неё следует теорема Байеса — двигатель вывода и обучения: как пересчитать веру в гипотезу, увидев свидетельство.

$P(A\mid B)=\dfrac{P(A\cap B)}{P(B)}\qquad\Longrightarrow\qquad P(H\mid E)=\dfrac{P(E\mid H)\,P(H)}{P(E)}$

Слева направо: априорная вера $P(H)$ в гипотезу, увидев свидетельство $E$, превращается в апостериорную $P(H\mid E)$. Это и есть обучение на данных — пересчёт уверенности под наблюдения.

BAYESаприори → апостериори P(H)P(H | E) априори P(H) свидетельство E апостериори P(H|E) вераобострилась
Свидетельство пересчитывает распределение: размытая априорная вера становится более определённой апостериорной.
№ 04Математическое ожидание

Среднее, по которому решают и учатся

Ожидание — это среднее значение случайной величины, взвешенное вероятностями:

$\mathbb{E}[X]=\sum_x x\,p(x)\qquad(\text{или }\textstyle\int x\,p(x)\,dx\text{ в непрерывном случае})$

Ожидание — основа решений в неопределённости и сердце обучения. Обучить модель — значит подобрать параметры $\theta$, минимизирующие ожидаемую потерю:

$\theta^\star=\arg\min_\theta\ \mathbb{E}\big[L(\theta)\big]$

Эта формула — мост к следующей главе: машинное обучение есть оптимизация ожидания. Вся «учёба» нейросети сводится к движению к минимуму средней ошибки.

Машинное обучение — это минимизация ожидаемой ошибки. — связь глав III и IV
№ 05Итог

Язык, на котором говорит неопределённость

Вероятность обобщила логику: от $\{0,1\}$ к $[0,1]$. Колмогоров дал ей строгую меру; распределения задают форму неопределённости (и прямо описывают выход модели — softmax над словарём); Байес пересчитывает веру по данным; ожидание лежит в основе решений и обучения ($\theta^\star=\arg\min\mathbb{E}[L]$). Это и есть язык, на котором мыслит ИИ.

С этой главой дуга фундамента завершена: алгебра дала структуры, логика — вывод, вероятность — меру неопределённости. На этих трёх опорах стоит всё дальнейшее — и прежде всего машинное обучение, к которому мы и переходим.

Книга природы написана на языке математики — а неопределённость в ней записана языком вероятности. — по мотивам Галилея
→
Дальше по курсу

К машинному обучению

Фундамент собран. Вероятность ведёт прямо в машинное обучение.

№ 07Опоры

Связи