INTERVALLIPÄÄTÖSPUUT JANNE GUSTAFSSON 45433E. Mat Optimointiopin seminaari Referaatti

Samankaltaiset tiedostot
Päätöksentekomenetelmät

Päätöksentekomenetelmät

Yhteistyötä sisältämätön peliteoria jatkuu

Nollasummapelit ja bayesilaiset pelit

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Preference Programming viitekehys: epätäydellisen preferenssi-informaation elisitointi ja mallintaminen, dominanssi

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ORMS2020 Päätöksenteko epävarmuuden vallitessa Syksy päätöspuiden avulla tarkastellaan vasta seuraavissa harjoituksissa.

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Kertymäfunktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2007) 1

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Kertymäfunktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Estimointi. Estimointi. Estimointi: Mitä opimme? 2/4. Estimointi: Mitä opimme? 1/4. Estimointi: Mitä opimme? 3/4. Estimointi: Mitä opimme?

Bayesin pelit. Kalle Siukola. MS-E2142 Optimointiopin seminaari: Peliteoria ja tekoäly

Oletetaan, että virhetermit eivät korreloi toistensa eikä faktorin f kanssa. Toisin sanoen

Harjoitus 2: Matlab - Statistical Toolbox

Ilkka Mellin Tilastolliset menetelmät Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi Estimointi

Osa 1: Todennäköisyys ja sen laskusäännöt. Kokonaistodennäköisyyden ja Bayesin kaavat

Johdatus tilastotieteeseen Estimointi. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Tilastollinen testaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Kokonaistodennäköisyys ja Bayesin kaava. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Otosavaruus ja todennäköisyys Otosavaruus Ë on joukko, jonka alkiot ovat kokeen tulokset Tapahtuma on otosavaruuden osajoukko

Estimointi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

tilastotieteen kertaus

Gaussinen vaikutuskaavio Tommi Gustafsson 45434f Tfy IV

Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi

Jatkuvat satunnaismuuttujat

Martingaalit ja informaatioprosessit

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 7

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Kohdassa on käytetty eksponentiaalijakauman kertymäfunktiota (P(t > T τ ) = 1 P(t T τ ). λe λτ e λ(t τ) e 3λT dτ.

Kaksi sovellusta robustien päätössuositusten tuottamisesta

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Diskreettiaikainen dynaaminen optimointi

Kvanttimekaniikan tulkinta

5/11 6/11 Vaihe 1. 6/10 4/10 6/10 4/10 Vaihe 2. 5/11 6/11 4/11 7/11 6/11 5/11 5/11 6/11 Vaihe 3

ORMS2020 Päätöksenteko epävarmuuden vallitessa Syksy Tehtävissä 1, 2, ja 3 tarkastelemme seuraavaa tilannetta:

Pohdiskeleva ajattelu ja tasapainotarkennukset

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

&idx=2&uilang=fi&lang=fi&lvv=2015

MS-A0503 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

2. Jatkoa HT 4.5:teen ja edelliseen tehtavään: Määrää X:n kertymäfunktio F (x) ja laske sen avulla todennäköisyydet

Kokonaisuudet johon opintojakso kuuluu Lang=fi&lang=fi&lvv=2014

Lisätehtäviä ratkaisuineen luentomonisteen lukuihin 2-4 liittyen

3.7 Todennäköisyysjakaumia

Todennäköisyyslaskun kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Arvo (engl. value) = varmaan attribuutin tulemaan liittyvä arvo. Päätöksentekijä on riskipakoinen, jos hyötyfunktio on konkaavi. a(x) = U (x) U (x)

monitavoitteisissa päätöspuissa (Valmiin työn esittely) Mio Parmi Ohjaaja: Prof. Kai Virtanen Valvoja: Prof.

Lisää satunnaisuutta ja mahdollisuus keskeyttää projekti

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A. Moniulotteiset jakaumat. Avainsanat:

Todennäköisyyden ominaisuuksia

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Verkot ja todennäköisyyslaskenta. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

Kopulafunktiot. Joonas Ollila 12. lokakuuta 2011

TILASTOLLINEN OPPIMINEN

Eräs tyypillinen virhe monitavoitteisessa portfoliopäätösanalyysissa + esimerkkitapaus

Tilastotieteen kertaus. Kuusinen/Heliövaara 1

4.1. Olkoon X mielivaltainen positiivinen satunnaismuuttuja, jonka odotusarvo on

Tilastotieteen kertaus. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Väliestimointi (jatkoa) Heliövaara 1

MTTTP5, luento Otossuureita ja niiden jakaumia (jatkuu)

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Todennäköisyyslaskenta IIa, syyslokakuu 2019 / Hytönen 2. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset

Tilastollinen aineisto Luottamusväli

Haitallinen valikoituminen: yleinen malli ja sen ratkaisu

Matematiikan tukikurssi

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Tutkimustiedonhallinnan peruskurssi

Dynaaminen ohjelmointi ja vaikutuskaaviot

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Lukujonon raja-arvo 1/7 Sisältö ESITIEDOT: lukujonot

Bayesilainen päätöksenteko / Bayesian decision theory

Projektiportfolion valinta

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia. Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia: Mitä opimme?

Dynaaminen ohjelmointi ja vaikutuskaaviot

1 + b t (i, j). Olkoon b t (i, j) todennäköisyys, että B t (i, j) = 1. Siis operaation access(j) odotusarvoinen kustannus ajanhetkellä t olisi.

Lisää Diskreettejä jakaumia Lisää Jatkuvia jakaumia Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

f(n) = Ω(g(n)) jos ja vain jos g(n) = O(f(n))

l (φ; y) = l(θ(φ); y) Toinen derivaatta saadaan tulon derivaatan laskusäännöllä Uudelleenparametroidun mallin Fisherin informaatio on

&idx=2&uilang=fi&lang=fi&lvv=2015

Vedonlyöntistrategioiden simulointi ja evaluointi

Aloitamme yksinkertaisella leluesimerkillä. Tarkastelemme yhtä osaketta S. Oletamme että tänään, hetkellä t = 0, osakkeen hinta on S 0 = 100=C.

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

FoA5 Tilastollisen analyysin perusteet puheentutkimuksessa. Luentokuulustelujen esimerkkivastauksia. Pertti Palo. 30.

Tilastollisen analyysin perusteet Luento 1: Lokaatio ja hajonta

Demspter-Shafer -sovellus (ja Dempster-Shafer vs. Bayes)

Tilastollinen päättely. 5. Väliestimointi Johdanto Luottamusvälien konstruointi Luottamusvälien vertailu

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 3: Todennäköisyysjakaumia. Diskreettejä jakaumia. TKK (c) Ilkka Mellin (2007) 1

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Todennäköisyyslaskun kertaus. Heliövaara 1

Johdannaisanalyysi. Contingent Claims Analysis Juha Leino S ysteemianalyysin. Laboratorio

Projektin arvon aleneminen

Parametrin estimointi ja bootstrap-otanta

Jos nyt on saatu havaintoarvot Ü ½ Ü Ò niin suurimman uskottavuuden

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Diskreetin satunnaismuuttujan odotusarvo, keskihajonta ja varianssi

Algoritmit 2. Luento 10 To Timo Männikkö

Transkriptio:

12.11.1999 INTERVALLIPÄÄTÖSPUUT JANNE GUSTAFSSON 45433E Mat-2.142 Optimointiopin seminaari Referaatti Syksy 1999

1. JOHDANTO Thomas M. Stratin artikkeli Decision Analysis Using Belief Functions käsittelee päätösanalyysia Shaferin uskomusfunktioteorian valossa. Uskomusfunktioesityksellä voidaan mallintaa esimerkiksi epätietoisuutta päätöstilanteen todellisesta luonteesta. Uskomusfunktioteoria tuottaa intervalleja tapahtumien todennäköisyyksille ja odotusarvoille, joten päätösongelmassa saattaa käydä niin, että usean vaihtoehdon hyötyintervallit muodostuvat osittain päällekkäisiksi. Tällöin muodostuu ongelmaksi, mikä vaihtoehdoista tulisi valita. Strat pyrkiikin artikkelissaan kehittämään yksinkertaisen menetelmän, jolla tämä pulma ratkaistaisiin. Stratin menetelmässä hyötyintervalli redusoidaan yhdeksi luvuksi, jonka perusteella ratkaisu on sitten helppo tehdä. Lopputuloksena tällöin päädytään kuitenkin käytännössä perinteiseen hyötyteoriaan, mutta jo pelkkä intervallien tarkastelu ennen päätöskriteerin määräämistä saattaa antaa lisäymmärrystä päätöksentekijälle. Shaferin teorian sovellus päätösteoriaan vaikuttaa varsin mielenkiintoiselta, vaikka teoria redustoituukin todennäköisyyslaskuun, kun satunnaismuuttujan otosavaruuden osajoukkojen sisäiset todennäköisyydet määrätään. Selkeästä esityksestä huolimatta artikkelin notaatiossa on kuitenkin paljon parantamisen varaa. Esitelmöitsijä onkin joutunut korjaamaan Stratin käyttämää notaatiota useista paikoista johdonmukaisemmaksi. 2. TODENNÄKÖISYYSJAKAUMASTA USKOMUSFUNKTIOHIN Intervallipäätöspuut perustuvat todennäköisyysjakaumien korvaamiseen Shaferin uskomusfunktioilla. Tällöin maailmantilojen hyödyille ja todennäköisyksille muodostuu intervalleja yksittäisten arvojen sijasta. Stratin artikkeilin ydin perustuukin uskomusfunktioiden käyttöön päätöspuun sattumasolmuissa. Uskomusfunktioteoriassa määritellään massafunktio m, joka on käytännössä todennäköisyysjakauman laajennus. Kun todennäköisyysjakauma voi antaa todennäköisyyden ainoastaan satunnaismuuttujan otosavaruuden yksittäisille alkioille, voidaan massafunktiolla jakaa uskomusmassaa otosavaruuden alkioden lisäksi myös otosavaruuden (muille) osajoukoille. Usean alkion

käsittävien osajoukkojen saama uskomusmassa tulkitaan siten, että satunnaismuuttuja voi ko. todennäköisyydellä saada arvokseen jonkin joukon alkiosta (kuitenkaan erittelemättä tarkemmin). Massafunktio on edellä kuvatun mukaisesti kuvaus otosavaruuden Θ kaikkien osajoukkojen joukolta 2 Θ reaaliakselille. Samoin kuin todennäköisyysjakauman antamien todennäköisyyksien summa tulee olla 1, tulee myös massafunktion osajoukoille antamien uskomusmassojen vastaavasti summatua yhteen. Kun tavallisessa todennäköisyyslaskussa voidaan laskea satunnaismuuttujan todennäköisyysjakaumasta satunnaismuuttujan odotusarvo, saadaan Shaferin uskomusfunktioteoriassa odotusarvointervalli. Shaferin teorian mukainen odotusarvointervalli saadaan laskemalla uskomusmassoin painotettu summa otosavaruuden osajoukoista. Odotusarvointervallin alarajalla kutakin osajoukkoa edustaa joukon pienin alkio ja ylärajalla suurin alkio. Odotusarvointervallin laskeminen edellyttää tietysti, että summausoperaattorin lisäksi myös vertailuoperaattori on otosavaruudessa määritelty. [ E ( x), E ( )] EVI( x) = x, missä (1) x) = A i Θ E ( inf( A ) m ( ) ja (2) i Θ A i E x) = sup( Ai ) mθ ( A i ) Θ (. (3) A i Uskomusfunktioteoriasta saadaan myös intervallit otosavaruuden tapahtumien todennäköisyyksille, so. uskomusintervallit. Tapahtuman A uskomusintervalli voidaan laskea kaavasta BI ( A) = mθ ( Ai ),1 mθ ( Ai ). (4) Ai A Ai A 3. ODOTUSARVO USKOMUSFUNKTIOILLA Koska Shaferin teorian käyttöä päätöspuissa on ilmeisesti käsitelty kirjallisuudessa jo ennen tätäkin, löytyy artikkelin varsinainen suola kappaleesta, jossa esitellään, kuinka odotusarvointervallit saadaan redusoitua yhdeksi luvuksi, odotusarvoksi (jota voidaan sitten käyttää päätöskriteerinä). Tämän

avulla päätösteorian mukaiset päätökset on sitten suoraviivaista tehdä. Strat esittelee kaksi kirjallisuudessa esiintynyttä ja yhden oman tapansa laskea odotusarvo. Ensimmäinen, maksimientropia, olettaa, että jokaisen osajoukon alkiot ovat yhtä todennäköisiä. Toisessa tavassa osajoukkojen sisäinen todennäköisyysjakauma päätellään tehtävänasettelusta. Kolmas on Stratin esittämä tapa, jossa otetaan käyttöön parametri ρ, joka kuvaa todennäköisyyttä, että satunnaismuuttujan realisaatio on joukon alkioista paras mahdollinen. Vastaavasti todennäköisyydellä 1-ρ realisaatio on huonoin joukon alkioista. Esitelmöitsijä on antanut parametrille nimen edullisuustodennäköisyys. Edullisuustodennäköisyyden etuna on se, että sen antama odotusarvo voidaan laskea suoraan odotusarvointervallista (katso kaava (5)). Ongelmana menetelmässä on kuitenkin parametrin ρ määrääminen, mihin ei ole yksikäsitteistä tapaa. E( x ρ ) = ρe ( x) + (1 ρ) E ( x) = E ( x) + ρ[ E ( x) E ( x)] (5) Voidaan todeta, että edullisuustodennäköisyyden valitseminen sopivasti tuottaa monenlaisia, jo entuudestaan tunnettuja päätössääntöjä. Kun ρ on 0, valitaan aina vaihtoehto, jonka odotusarvointervallin alaraja on suurin (Waldin maximinkriteeri). Kun ρ on 1, saadaan puolestaan maximax-päätössääntö, ja ρ:n ollessa 0.5 kyseessä on central values-päätössääntö. Lopuksi kannattaa huomata, että kaikki odotusarvon määräävät tavat käytännössä määrittävät kaikkien osajoukkojen sisäiset todennäköisyydet. Kun lisäksi tiedetään osajoukkojen todennäköisyydet, voidaan otosavaruuden kunkin alkion todennäköisyys laskea eksplisiittisesti ja uskomusfunktioesitys palautuu tavalliseen todennäköisyyslaskuun. Tästä voidaan puolestaan laskea helposti odotusarvo, jota voidaan käyttää päätöskriteerinä hyötyteoriassa. 4. PÄÄTÖSPUISTA INTERVALLIPÄÄTÖSPUIHIN Päätöspuiden laajentaminen intervallipäätöspuiksi on suoraviivaista, kun Shaferin uskomusfunktioteoria tunnetaan. Intervallipäätöspuissa sattumasolmujen todennäköisyysjakaumat korvataan uskomusfunktioteorian massafunktioilla. Tällöin sattumasolmusta lähteville haaroille tulee

todennäköisyysintervallit ja siten myös sattumasolmun odotetulle tuotolle kaavan (1) mukaisesti. Päätössolmun hyöty on puolestaan valitun haaran hyötyintervalli. Ongelmaksi muodostuu kuitenkin päätöksen tekeminen pelkän intervallin perusteella (etenkin, jos on päällekkäisiä intervalleja), joten Stratin esittämän tai jonkin muun päätössäännön käyttöönotto on välttämätöntä. Strat on kuitenkin intervallipäätöspuissaan päätynyt kummalliseen ratkaisuun, sillä hän esittelee lehtisolmuissa mahdolliset maailmantilojen disjunktiot, jotka vastaavat uskomusfunktioesityksen usean alkion käsittäviä osajoukoja. Sattumasolmu voi siis saada realisaatiokseen maailmantilojen disjunktion, jolloin päädytään lehtisolmuun, jossa on maailmantilojen hyödyistä määräytyvä hyötyintervalli. Mielestäni tämä on täysin turhanpäiväinen lisäys ja jopa Shaferin teorian vastainen. Teoriassahan määritellään, että satunnaismuuttuja voi saada arvokseen jonkin osajoukon alkioista, ei koko joukkoa! Maailmantilat tulisikin pitää erillään omissa lehtisolmuissaan, jolloin myös päätöspuun tulkinta helpottuisi huomattavasti. Lukija voi tarkistaa, että kaikki Stratin esittelemät esimerkit voidaan kuvata intervallipäätöspuina, joissa ei käytetä lainkaan maailmantilojen disjunktioita vaan ainostaan Shaferin uskomusfunktioteoriaa. Tätä käsittelee myös annettu kotitehtävä. 5. POHDINTOJA JA YHTEENVETO Pitkällisen pohdinnan jälkeen totesin, että intervallipäätöspuut voivat olla hyvinkin käyttökelpoinen väline epätarkkojen (epätietoisuutta sisältävien) päätöstilanteiden kuvaamiseen. Tämä vaatii kuitenkin pitäytymistä pelkissä Shaferin uskomusfunktioissa, eikä maailmantilojen disjunktioihin kannata turvautua. Disjunktioiden käyttöönotto itse asiassa saattaa tehdä päätösongelmasta sellaisen, ettei sitä voida edes kuvata päätöspuulla. Intervallipäätöspuihin liittyy monia etuja ja haittoja. Ongelmapuolella on lähinnä päätösongelman mallin ja vastaavan matematiikan monimutkaistuminen. Lisäksi joskus joudutaan tekemään joitain oletuksia ongelman luonteesta (kuten onnenpyörän peitetyn sektorin tuotoista), vaikka tähän ei olisi riittävästi perusteita. Usein kuitenkin tällaiset rajoitusehdot ongelmalle ovat välttämättömiä eikä niitä voida muillakaan menetelmillä kiertää. Päätössäännönkään valinta ei ole myöskään yksiselitteinen, mutta vastaavanlaisiin päätössääntöihin joudutaan

turvautumaan muissakin intervalleja käsittelevissä menetelmissä. Intervallipäätöspuiden etuihin lukeutuu se, että ne ottavat huomioon päätöstilanteen, johon sisältyy epätietoisuutta (esimerkiksi jostain todennäköisyysjakaumasta). Tällöin saadaan annetuin reunaehdoin helposti laskettua hyödyn odotusarvolle muodostuva intervalli. Shaferin teoria soveltuu myös yksittäisten tapahtumien todennäköisyyden arvioinnin jakamiseen osiin. Jos tapahtuma on mukana useassa otosavaruuden osajoukossa, saadaan todennäköisyysestimaattia tarkennettua yrittämällä määrätä osajoukkojen sisäiset todennäköisyydet.