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什么是貝葉斯決策法_數(shù)據(jù)分析師?
2014-11-08
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什么是貝葉斯決策法_數(shù)據(jù)分析師

貝葉斯決策法概述

  決策的分類有很多種,如果按環(huán)境劃分,決策可以分為確定型、不確定型和風(fēng)險(xiǎn)型三大類,其中風(fēng)險(xiǎn)型決策是最常見的類型。風(fēng)險(xiǎn)型決策的主要特點(diǎn)是具有狀態(tài)發(fā)生的不確定性。決策者面臨著幾種可能的狀態(tài)和相應(yīng)的后果,且對(duì)這些狀態(tài)和后果得不到充分可靠的有關(guān)未來環(huán)境的信息,只能依據(jù)“過去的信息或經(jīng)驗(yàn)”去預(yù)測(cè)每種狀態(tài)和后果可能出現(xiàn)的概率,在這種情況下,決策者根據(jù)確定的決策函數(shù)計(jì)算出項(xiàng)目在不同狀態(tài)下的函數(shù)值,然后再結(jié)合概率求出相應(yīng)的期望值,此值就是對(duì)未來可能出現(xiàn)的平均狀況的估計(jì),決策者可以依此期望值的大小做出決策行為。常見的決策函數(shù)主要有成本函數(shù)、收益函數(shù)、效用函數(shù)。前面兩種函數(shù)是從貨幣因素考慮的,而后者是從非貨幣因素考慮的。這種以期望值為標(biāo)準(zhǔn)的分析法是決策者在處理風(fēng)險(xiǎn)型問題時(shí)常常使用的方法,貝葉斯決策法是最常見的以期望為標(biāo)準(zhǔn)的分析方法。它是在不完全情報(bào)下,對(duì)部分未知的狀態(tài)用主觀概率估計(jì),然后用貝葉斯公式對(duì)發(fā)生概率進(jìn)行修正,最后再利用期望值和修正概率做出最優(yōu)決策。

貨幣因素的貝葉斯決策

  如果決策函數(shù)是成本函數(shù)或收益函數(shù),則決策者是從貨幣因素考慮問題的。貝葉斯決策模型是決策者在考慮成本或收益等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時(shí)經(jīng)常使用的方法,它是在貝葉斯定理的基礎(chǔ)上提出來的。以收益型問題為例,其基本思想是在已知不確定性狀態(tài)變量θ的概率密度函數(shù)f(θ)的情況下,按照收益的期望值大小,對(duì)決策方案排序,則最優(yōu)方案為使期望收益最大的方案。由于由貝葉斯定理可以推出通過抽樣增加信息量能夠使概率更加準(zhǔn)確,概率準(zhǔn)確則意味著決策風(fēng)險(xiǎn)的降低,所以貝葉斯定理保證了該決策模型的科學(xué)性。

  1.收益函數(shù)的貝葉斯決策步驟

  (1)計(jì)算出每種狀態(tài)的概率,計(jì)為Pi。

  (2)對(duì)于收益型問題,列出條件收益的計(jì)算公式,求出在各種狀態(tài)下相應(yīng)方案的條件收益CPij,結(jié)合概率求出相應(yīng)的期望值EPij列出貝葉斯決策法收益表。

  (3)通過貝葉斯決策法收益表,依次求出在各種狀態(tài)下可獲得的最大期望收益值EP^*_i,它們的和為該問題最理想的期望收益EPC,此時(shí)收益最大。

  (4)通過貝葉斯決策法收益表,求出各方案下的期望收益EMV,其中最大的值記為EMV * ,使期望收益最大的方案就是最優(yōu)方案。ECC與EMV * 的差值表示完全情報(bào)價(jià)值,計(jì)為EVPI。

  (5)寫出答案:最優(yōu)方案a * =? EMV * =? EVPI=?

  2.收益函數(shù)的貝葉斯決策模型舉例

  表1為某百貨商場(chǎng)過去200天關(guān)于商品B的日銷售量紀(jì)錄,商品B的進(jìn)價(jià)為200元/f牛,售價(jià)為600元/f牛,如果當(dāng)天銷售不完,余下全部報(bào)廢,求該商品的最佳日訂貨量a * ,及相應(yīng)的期望收益金額EMV * 和EVPI。

  Image:貝勒1.jpg

  由表1可知,該商場(chǎng)商品B的銷售狀態(tài)空間為θ={θ1,θ1,θ1,θ1,θ1}={5,6,7,8,9},這些狀態(tài)發(fā)生的概率也可以推測(cè)出來,見表2。根據(jù)此狀態(tài)空間,決策者的決策空間為A={a1,a1,a1,a1,a1}={5,6,7,8,9}。http://cda.pinggu.org/

  Image:貝勒2.jpg

  當(dāng)商場(chǎng)的銷售量為θi,而進(jìn)貨量為ai時(shí),商場(chǎng)的條件收益為:

  \mathbf{CP_{ij}=\begin{cases} (6-2)a_j.................................................a_j\le\theta_i  \\ (6-2)\theta_i-2(a_j-\theta_i)=6\theta_i-2a_j ...........a_j>\theta_i\end{cases}}

  而相應(yīng)的期望收益為EPij = CPij * PI,表3即為此例的貝葉斯決策法收益表:

  Image:貝勒3.jpg

  從經(jīng)濟(jì)角度看當(dāng)日訂貨量等于日銷售量時(shí),商場(chǎng)沒有因?yàn)槎喽ㄘ浕蛏俣ㄘ浂斐傻臋C(jī)會(huì)損失,因此獲得的收益最大,所以此例理論上的最大利潤(rùn)為EPC=2,720元。但在實(shí)際工作中這個(gè)值很難得到,除非商場(chǎng)能夠根據(jù)情況隨時(shí)調(diào)整進(jìn)貨量,因此商場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)者往往追求的是期望收益的最大值,在此例中當(dāng)訂貨量為7時(shí)期望收益最大,EMV * 和EVP,分別為2,460元和260元。

  EVPI的含義為由于情報(bào)不準(zhǔn)確而造成的商場(chǎng)的贏利損失,這個(gè)損失可能是因?yàn)殇N售量小于7件而引發(fā)商品報(bào)廢產(chǎn)生的損失,也可能是因?yàn)殇N售量大于7件使商場(chǎng)未能多盈利而造成的損失。商場(chǎng)若有百分之百準(zhǔn)確的情報(bào),則完全可以避免這類損失,因此定義EVPI為完全情報(bào)價(jià)值。

  為了追求更多的利潤(rùn),決策者總是希望獲取一些準(zhǔn)確信高的信息,現(xiàn)在隨著越來越多的咨詢公司、研究中心的出現(xiàn),為我們獲取高質(zhì)量的信息提供了可能。只要費(fèi)用小于預(yù)期收入,決策者就可以考慮購(gòu)買由信息公司提供的情報(bào)信息。這些信息主要是通過抽樣調(diào)查或其他途徑得到的概率,與憑借經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)出來的概率不同它們的可靠性更高,這種概率稱為后驗(yàn)概率,而前者稱為先驗(yàn)概率。一般的用后驗(yàn)概率代替先驗(yàn)概率進(jìn)行貝葉斯決策,往往可以得到更準(zhǔn)確的方案,這種用后驗(yàn)概率代替先驗(yàn)概率再進(jìn)行貝葉斯決策,就成為后驗(yàn)分析法。需要指出的是有些情況下并非用后驗(yàn)分析法就一定比先驗(yàn)分析好,如果兩者選擇的方案相同,則意味著后者在增加成本的情況下收益并沒有增加,顯然此時(shí)先驗(yàn)比后驗(yàn)更加有效率。

效用函數(shù)的貝葉斯決策

  決策者在進(jìn)行決策時(shí)可以從貨幣因素出發(fā)進(jìn)行決策,但因?yàn)闆Q策的結(jié)果是由決策者承擔(dān)的,所以決策者個(gè)人的心理因素就會(huì)對(duì)決策的過程產(chǎn)生一定的影響。在眾多心理因素中決策者對(duì)待風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度往往是決定性的因素。同樣的問題對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)穩(wěn)重者,為了少承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn),往往少訂商品以避免商品的積壓;而對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)愛好者,他對(duì)未來的預(yù)期很高,則會(huì)冒險(xiǎn)訂購(gòu)較多的商品;而對(duì)待風(fēng)險(xiǎn)持中間型態(tài)度的決策者則往往只單純的從貨幣因素進(jìn)行考慮。由于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度不同,所以不同的訂貨量給決策者所帶來的滿意程度也是不同的,而效用函數(shù)則可以表示這種不同。決策者會(huì)選取效用最大的方案作為候選方案。

  1.效用函數(shù)決策步驟

  (1)計(jì)算出每種狀態(tài)的概率,計(jì)為Pi。

  (2)列出效用函數(shù),求出在各種狀態(tài)下相應(yīng)方案的效用值U(θi,ai),結(jié)合概率求出相應(yīng)的期望值EUij,列出效用決策表。

  (3)通過效用決策表,求出各方案下的期望效用EUi,其中最大的記為EU * ,使期望效用最大的方案就是最優(yōu)方案。

  (4)寫出答案:最優(yōu)方案a * =?; EU * =?。

  2.效用函數(shù)決策模型舉例

  仍然討論上面的例子,假設(shè)決策者為風(fēng)險(xiǎn)穩(wěn)重者,其效用值隨著日定貨量和日銷售量的差值的增大而減小,且當(dāng)日定貨量等于日銷售量時(shí),決策者最滿意,此時(shí)效用值為1,故假設(shè)效用函數(shù)為下式,據(jù)此可構(gòu)建效用決策表(見表4)。

  U(\theta_i,a_i)=1-\sqrt{\frac{\theta_i-a_j}{a_j}}

  由表4可知,決策者的效用隨著定貨量與其加權(quán)平均和(6,8)的差距的加大而呈遞減趨勢(shì),當(dāng)定貨量是7時(shí),決策者獲得最大的效用,即EU * = 0.72??梢姶藭r(shí)的決策者屬于風(fēng)險(xiǎn)穩(wěn)重者,需要說明的是最優(yōu)方案的選取是與決策者當(dāng)時(shí)所采用的效用函數(shù)有緊密聯(lián)系的。

  Image:貝勒4.jpg

變異系數(shù)在決策中的應(yīng)用

  在上面討論的兩種方法中,都是按期望值的大小進(jìn)行決策的。然而對(duì)于不同的方案,即使期望值相同,它們?nèi)≈档碾x散程度仍然是不同的,顯然期望值大而離散程度小的方案是最優(yōu)方案。為了考慮在單位期望值下不同方案的波動(dòng)性的大小,決策者可以通過計(jì)算不同方案的變異系數(shù)υ:

  \mathbf{\upsilon=\frac{\sigma}{\overline{x}}}

  σ是標(biāo)準(zhǔn)差,而\overline{x}是期望值。在單位期望值下,變異系數(shù)值小表示變量值密集,反之則表示變量值分散。

  在上面的例子中,如果選擇第二種方法中的效用函數(shù)作為決策函數(shù),則相應(yīng)的變異系數(shù)可以計(jì)算出來,分別為:0.578,0.347,0.278,0.195,0.282。其結(jié)果說明,在單位期望效用值下,方案a4的波動(dòng)性最小。盡管方案a3的效用值較大,但是如果決策者從波動(dòng)性的角度考慮,最優(yōu)方案則應(yīng)該是a4。

貝葉斯決策法的評(píng)價(jià)

  由于在生活當(dāng)中許多自然現(xiàn)象和生產(chǎn)問題都是難以完全準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的,因此決策者在采取相應(yīng)的決策時(shí)總會(huì)帶有一定的風(fēng)險(xiǎn)。貝葉斯決策法就是將各因素發(fā)生某種變動(dòng)引起結(jié)果變動(dòng)的概率憑統(tǒng)計(jì)資料或憑經(jīng)驗(yàn)主觀地假設(shè),然后進(jìn)一步對(duì)期望值進(jìn)行分析,由于此概率并不能證實(shí)其客觀性,故往往是主觀的和人為的概率,本身帶有一定的風(fēng)險(xiǎn)性和不肯定性。

  雖然用期望的大小進(jìn)行判斷有一些風(fēng)險(xiǎn),但仍可以認(rèn)為貝葉斯決策是一種兼科學(xué)性和實(shí)效性于一身的比較完善的用于解決風(fēng)險(xiǎn)型決策問題的方法,在實(shí)際中能夠廣泛應(yīng)用于組織系統(tǒng)改革、企業(yè)效益、市場(chǎng)開發(fā)、證券投資等諸多領(lǐng)域。使用時(shí)根據(jù)決策者的側(cè)重點(diǎn),結(jié)合變異系數(shù),綜合使用貨幣因素的貝葉斯決策、或效用函數(shù)的貝葉斯決策法,都會(huì)得到自己想要的結(jié)果。

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