Fuzzy logika a pravděpodobnost: proč „trochu teplo“ neznamená „pravděpodobně teplo“
Náhodnost a vágnost, Bezdekovy dvě láhve, axiomy pravděpodobnosti proti fuzzy příslušnosti, Fréchetovy meze, pravděpodobnost fuzzy jevu na předpovědi počasí a slova o pravděpodobnosti jako fuzzy množiny.
Série Základy AI Díl 33 z 83
- Mapa umělé inteligence: co je co a jak to do sebe zapadá
- Stručná historie umělé inteligence: od Turinga po jazykové modely
- Data, model, trénink, inference: základní pojmy na jednom příkladu
- Jak číst matematický zápis: symboly, indexy, sumy a kvantifikátory
- Množiny a relace: stavebnice, ze které se skládají definice v AI
- Funkce a zobrazení: proč je každý model v AI funkce
- Logika a důkazy: pravidla, podle kterých se v AI uvažuje
- Grafy a stromy: struktura, na které stojí hledání i neuronové sítě
- Lineární algebra pro strojové učení: vektory, matice a proč AI hlavně násobí
- Derivace, gradient a řetízkové pravidlo: jak model zjistí, kterým směrem se učit
- Gradientní sestup: jak se model učí
- Co je pravděpodobnost: od hodu kostkou ke Kolmogorovovým axiomům
- Podmíněná pravděpodobnost a Bayesova věta: jak změnit odhad, když se dozvíte něco nového
- Náhodná veličina a distribuční funkce: jedna funkce, která o rozdělení řekne všechno
- Funkce hustoty a pravděpodobnostní funkce: proč má spojitá veličina v bodě pravděpodobnost nula
- Střední hodnota, rozptyl a kovariance: kde rozdělení leží, jak je široké a co s čím souvisí
- Přehled pravděpodobnostních rozdělení: Bernoulli, binomické, Poisson, rovnoměrné, normální a exponenciální
- Zákon velkých čísel a centrální limitní věta: proč se průměry chovají tak předvídatelně
- Statistika a odhady parametrů: maximální věrohodnost, MAP a intervaly spolehlivosti
- Teorie informace: entropie, křížová entropie a KL divergence — odkud se berou ztrátové funkce
- Prohledávání stavového prostoru: BFS, DFS, UCS a A* s animacemi
- Hry a protivník: minimax, alfa-beta ořezávání a Monte Carlo tree search
- Splňování omezujících podmínek: backtracking, propagace omezení a AC-3 na sudoku a mapě krajů
- Logika a znalostní systémy: dopředné a zpětné řetězení, rezoluce a expertní systémy
- Plánování: STRIPS, svět kostek, heuristiky z relaxace a plánování v AI agentech
- Lokální hledání a simulované žíhání: obchodní cestující přes krajská města
- Genetické algoritmy: populace, křížení, mutace a výběr na batohu na výlet
- Evoluční strategie a genetické programování: od pravidla jedné pětiny po Keplerův zákon
- Optimalizace mravenčí kolonií: jak feromonová stopa najde krátkou cestu
- Optimalizace hejnem částic: setrvačnost, vlastní zkušenost a zkušenost hejna
- Neuroevoluce: evoluce vah i tvaru neuronových sítí a algoritmus NEAT
- Fuzzy množiny a funkce příslušnosti: jak zapsat „trochu teplo“
- Fuzzy logika a pravděpodobnost: proč „trochu teplo“ neznamená „pravděpodobně teplo“
- Fuzzy logika: t-normy, implikace a pravidla KDYŽ–PAK
- Fuzzy řízení: Mamdani a Sugeno od ventilátoru po kyvadlo na vozíku
- Fuzzy shlukování: algoritmus fuzzy c-means a body mezi shluky
- Neuro-fuzzy systémy (ANFIS): fuzzy pravidla, která se učí z dat
- Markovovy řetězce: přechodová matice, stacionární rozdělení a PageRank
- Skryté Markovovy modely: Viterbiho algoritmus a nepoctivé kasino
- Bayesovské sítě: proč je tráva mokrá a co z toho plyne pro postřikovač
- Kalmanův filtr: jak z nepřesných měření odhadnout, kde auto je a jak rychle jede
- Druhy strojového učení: s učitelem, bez učitele, s částečným učitelem a další
- Přeučení a regularizace: proč model, který zná data nazpaměť, selže
- Vyhodnocení modelu: křížová validace, F1 a křivka ROC
- Shlukování a snížení dimenze: k-means, PCA a t-SNE
- Klasifikace a regrese: dvě úlohy učení s učitelem
- Lineární regrese: nejmenší čtverce geometricky i maticově
- Polynomiální a nelineární regrese: jak přímku ohnout
- Logistická regrese: sigmoida, šance a křížová entropie
- Vícetřídní klasifikace a softmax: od dvou tříd k mnoha
- Naivní Bayesův klasifikátor: spamový filtr, který funguje lépe, než by měl
- Ztrátové funkce: co přesně model minimalizuje
- Rozhodovací stromy a k nejbližších sousedů: modely bez vzorců
- Ansámbly: náhodný les a gradient boosting
- SVM a jádrový trik: nejširší hranice a jak ji ohnout
- Signál a vzorkování: proč platí Nyquistův teorém
- Fourierova transformace: rozklad signálu na frekvence
- Filtry a konvoluce: vyhlazení, hrany a odstranění šumu
- Zvuk a řeč: spektrogram, melová škála a MFCC
- Obraz jako signál: pixely, barvy, konvoluce a hrany
- Perceptron a umělý neuron: nejjednodušší neuronová síť a co neumí
- Neuronová síť od nuly: zpětné šíření chyby krok za krokem
- Aktivace, inicializace a normalizace: drobnosti, na kterých hluboká síť stojí
- Konvoluční sítě: jak síť poznává obrázky
- Rekurentní sítě: paměť pro posloupnosti a mizející gradient
- LSTM a GRU: brány, které rozhodují, co si síť zapamatuje
- Autoenkodéry: síť, která se učí data stlačit a zase rozbalit
- Embeddingy a word2vec: jak se slovo stane vektorem
- Mechanismus pozornosti: jak se model naučí, kam se dívat
- Transformery a velké jazykové modely: architektura krok za krokem
- Tokenizace: jak se text rozseká na kousky pro model
- Předtrénování a škálování: proč větší model a víc dat funguje
- Doladění a RLHF: jak se z doplňovače textu stane asistent
- Prompty, kontext a RAG: jak modelu dát správné informace
- Variační autoenkodéry (VAE): nové obrázky ze spojitého latentního prostoru
- Generativní adversariální sítě (GAN): padělatel proti detektivovi
- Difúzní modely: jak se z čistého šumu stane obrázek
- Markovovy rozhodovací procesy: stavy, akce, odměny a Bellmanovy rovnice
- Q-learning a DQN: učení hodnoty akcí od tabulky po neuronovou síť
- Policy gradient a PPO: učení přímo strategie
- Jak funguje AI agent: jazykový model ve smyčce s nástroji
- Programování s AI agenty: zadání, testy a kontrola
- Vyhodnocení a bezpečnost AI systémů: jak měřit a jak hlídat
Celá osnova série 83 z 83 témat hotovo
- Jaký je rozdíl mezi nejistotou o výsledku a neurčitostí pojmu a proč se nedají zaměnit.
- Proč se fuzzy hodnoty skládají jednoduše a pravděpodobnosti ne — a co říkají Fréchetovy meze.
- Jak obě nejistoty spojit: pravděpodobnost fuzzy jevu a slova jako „pravděpodobně“.
Co se hodí znát předem: Fuzzy množiny a funkce příslušnosti: jak zapsat „trochu teplo“, Co je pravděpodobnost: od hodu kostkou ke Kolmogorovovým axiomům
„Zítra bude trochu teplo.“ „Zítra bude pravděpodobně teplo.“ Obě věty obsahují nejistotu a obě se dají vyjádřit číslem mezi nulou a jedničkou. Přesto říkají něco úplně jiného. První mluví o tom, jak moc se počasí bude podobat slovu „teplo“; druhá o tom, jestli se stane něco, co zatím nevíme. Záměna těchhle dvou druhů nejistoty vedla k jednomu z nejvášnivějších sporů v dějinách umělé inteligence — a dodnes je to častá chyba.
Navazuje na díly Fuzzy množiny a funkce příslušnosti a Co je pravděpodobnost.
1. Dva druhy nejistoty
Definice — náhodnost a vágnost
Rozlišujeme dva druhy nejistoty, které se oba vyjadřují číslem z [0, 1]:
- Náhodnost (nejistota o výsledku). Nechť (Ω, 𝓕, P) je pravděpodobnostní prostor (Co je pravděpodobnost) a A ∈ 𝓕 je (ostrý) jev. Pro každý výsledek ω ∈ Ω platí buď ω ∈ A, nebo ω ∉ A; nejisté je jen to, který výsledek ω nastane. Tuto nejistotu měří číslo P(A) ∈ [0, 1].
- Vágnost (neurčitost pojmu). Nechť X je neprázdná množina, A fuzzy množina na X (Fuzzy množiny) a x ∈ X je prvek, který známe přesně. Nejisté není, jaký prvek máme, ale nakolik odpovídá neostře vymezenému pojmu A. Tuto neurčitost měří stupeň příslušnosti μA(x) ∈ [0, 1].
Náhodnost tedy zmizí, jakmile zjistíme výsledek ω; vágnost zůstává, i když prvek x známe úplně.
U náhodnosti nám chybí informace: hodíme kostkou a nevíme, co padne. Až se podíváme, nejistota zmizí. U vágnosti nám nic nechybí: teplotu 25 °C známe přesně, jen slovo „teplo“ k ní sedí napůl. A když se podíváme na teploměr, nic se nezmění — slovo zůstane stejně neostré.
2. Dvě láhve
Rozdíl skvěle ukazuje příklad Jamese Bezdeka. Jste na poušti a máte žízeň. Před vámi jsou dvě láhve. Na první stojí: „Příslušnost do množiny pitných tekutin je 0,91.“ Na druhé: „Pravděpodobnost, že je tekutina pitná, je 0,91.“ Ze které se napijete?
První láhev obsahuje něco, co je skoro pitné — třeba trochu kalnou vodu. Zaručeně vám neublíží moc. Ve druhé je s pravděpodobností 0,91 čistá voda, ale v devíti případech ze sta něco úplně jiného, třeba jed. Po otevření se ukáže rozdíl i v číslech: příslušnost první láhve zůstane 0,91, protože se nic nedozvíme navíc. Pravděpodobnost u druhé skočí na 1, nebo na 0 — náhodný jev buď nastal, nebo ne.
3. Co říkají axiomy
Připomenutí — Kolmogorovovy axiomy
Nechť Ω je prostor výsledků a 𝓕 systém jevů (σ-algebra podmnožin Ω, viz Co je pravděpodobnost); pro A ∈ 𝓕 značí ¬A = Ω ∖ A opačný jev. Pravděpodobnost je funkce P : 𝓕 → ℝ, která splňuje
- nezápornost: P(A) ≥ 0 pro každé A ∈ 𝓕;
- normovanost: P(Ω) = 1;
- aditivitu: pro navzájem neslučitelné jevy A1, A2, … ∈ 𝓕 (Ai ∩ Aj = ∅ pro i ≠ j) je P(⋃i Ai) = ∑i P(Ai); speciálně pro dva neslučitelné jevy A, B ∈ 𝓕 je P(A ∪ B) = P(A) + P(B).
Z toho plyne, že pro každé A ∈ 𝓕 je P(A) + P(¬A) = 1 a P(A ∩ ¬A) = 0.
Odvození. Jevy A a ¬A jsou neslučitelné a dohromady dávají Ω, takže z aditivity P(A) + P(¬A) = P(Ω) = 1. Průnik A ∩ ¬A je prázdný jev ∅; ten je neslučitelný sám se sebou, takže P(∅) = P(∅ ∪ ∅) = 2 P(∅), a to jde jen pro P(∅) = 0. ∎
Pravděpodobnost je „rozpočet“, který se rozděluje mezi možné výsledky a vždycky dá dohromady jedničku. Co přidáte jednomu výsledku, musíte ubrat jinému.
Funkce příslušnosti žádný takový rozpočet nemá. V minulém dílu bylo 25 °C „příjemně“ ze 0,6 a „teplo“ ze 0,5 — dohromady 1,1, a to je v pořádku. Rozdíly shrnuje tabulka:
| Pravděpodobnost | Fuzzy příslušnost | |
|---|---|---|
| Co popisuje | jestli jev nastane | jak moc prvek odpovídá pojmu |
| Po pozorování | změní se na 0 nebo 1 | zůstává stejná |
| Součet přes možnosti | vždy 1 | libovolný |
| A a zároveň ne A | vždy 0 | až 0,5 |
| A nebo ne A | vždy 1 | aspoň 0,5 |
| Hodnota „A a B“ | závisí na vztahu A a B | min(μA, μB) |
Odkud se v tabulce berou čísla 0,5? Fuzzy „a“ je tu minimum, „nebo“ maximum a „ne“ doplněk 1 − μ, jako v dílu o fuzzy množinách.
Věta — „A a ne A“ a „A nebo ne A“ ve fuzzy množinách
Nechť X je neprázdná množina, A fuzzy množina na X, x ∈ X a a = μA(x) ∈ [0, 1]. Se Zadehovými operacemi (průnik = min, sjednocení = max, doplněk 1 − μ) je μA ∩ ¬A(x) = min(a, 1 − a) a μA ∪ ¬A(x) = max(a, 1 − a). Pak
min(a, 1 − a) ≤ 0,5 ≤ max(a, 1 − a)
a v každé z obou nerovností nastane rovnost, právě když a = 0,5.
Důkaz. Čísla a a 1 − a dávají dohromady 1, takže menší z nich je nejvýš polovina součtu a větší aspoň polovina. Obě jsou rovna 0,5 jen tehdy, když jsou si rovna, tedy pro a = 0,5. ∎
Příklad. Při 25 °C je „teplo“ ze 0,5. Pak „teplo a není teplo“ = min(0,5; 0,5) = 0,5 a „teplo nebo není teplo“ = max(0,5; 0,5) = 0,5 — klasický zákon sporu by chtěl 0, zákon vyloučeného třetího 1. U pravděpodobnosti by „bude aspoň 25 °C a nebude aspoň 25 °C“ měl vždy pravděpodobnost 0.
4. Skládání: kdo potřebuje víc informací
Poslední řádek tabulky je možná nejdůležitější. Fuzzy logika je pravdivostně funkcionální: hodnota „A a B“ se spočítá jen z hodnot A a B. U pravděpodobnosti to nejde.
Definice — pravdivostní funkcionalita
Nechť 𝒱 je množina výroků taková, že pro každé A, B ∈ 𝒱 je i „A a B“ ∈ 𝒱, a nechť h : 𝒱 → [0, 1] přiřazuje každému výroku jeho hodnotu (stupeň pravdivosti, nebo pravděpodobnost). Spojka „a“ je vzhledem k h pravdivostně funkcionální, právě když
∃ g : [0, 1]2 → [0, 1] ∀ A, B ∈ 𝒱 : h(A a B) = g(h(A), h(B)).
Hodnota složeného výroku tedy závisí jen na hodnotách jeho částí, a to pro všechny dvojice výroků stejnou funkcí g. Ve fuzzy logice je g = min (nebo jiná t-norma, viz Fuzzy logika); u pravděpodobnosti je 𝒱 = 𝓕, h = P a „A a B“ = A ∩ B.
Stačí znát dvě čísla a výsledek je jasný — není třeba vědět, o čem výroky mluví ani jak spolu souvisejí.
Příklad — proč pravděpodobnost pravdivostně funkcionální není
Hodíme jednou kostkou. Jev A = „padne sudé“ = {2, 4, 6} má P(A) = 3/6 = 1/2. Vezměme tři jevy B, všechny s pravděpodobností 1/2:
- B = {2, 4, 6} (sudé): A ∩ B = {2, 4, 6}, P = 3/6 = 1/2,
- B = {4, 5, 6} (aspoň 4): A ∩ B = {4, 6}, P = 2/6 = 1/3,
- B = {1, 3, 5} (liché): A ∩ B = ∅, P = 0.
Vstupy jsou pokaždé stejné (1/2 a 1/2), výsledky tři různé. Žádná funkce g nemůže dát z (1/2, 1/2) zároveň 1/2, 1/3 a 0.
Věta — Fréchetovy meze
Nechť (Ω, 𝓕, P) je pravděpodobnostní prostor a A, B ∈ 𝓕 libovolné jevy. Pak
max(0, P(A) + P(B) − 1) ≤ P(A ∩ B) ≤ min(P(A), P(B)).
Obě meze jsou nejlepší možné: pro každá a, b ∈ [0, 1] existují jevy s P(A) = a, P(B) = b, pro které nastane rovnost v horní, resp. v dolní mezi (třeba náhodné číslo z [0, 1] s rovnoměrným rozdělením, A = [0, a] a B = [0, b], resp. B = [1 − b, 1]). Ze samotných čísel P(A) a P(B) tedy nelze P(A ∩ B) určit přesněji.
Důkaz. Horní mez: A ∩ B ⊆ A, takže P(A ∩ B) ≤ P(A), a stejně ≤ P(B). Dolní mez: ze vzorce pro sjednocení P(A ∩ B) = P(A) + P(B) − P(A ∪ B) a z P(A ∪ B) ≤ 1 plyne P(A ∩ B) ≥ P(A) + P(B) − 1; nezápornost dodá 0. Horní mez nastane, když jeden jev leží celý v druhém (A ⊆ B); dolní, když se jevy překrývají co nejméně — nejsou-li neslučitelné, pokrývají spolu celé Ω. ∎
Prší s pravděpodobností 0,7 a fouká s pravděpodobností 0,6. Jaká je pravděpodobnost, že prší a zároveň fouká? Kdekoli mezi 0,7 + 0,6 − 1 = 0,3 a min(0,7; 0,6) = 0,6 (barvy podle vzorce níže) — podle toho, jestli déšť a vítr chodí spolu (pak 0,6), nebo se spíš vylučují (pak 0,3). Bez dalších informací to nevíme. Fuzzy minimum 0,6 je přesně horní mez — odpovídá situaci, kdy jsou oba jevy „co nejvíc spolu“. A dolní mez max(0, a + b − 1) je jiná fuzzy operace, se kterou se potkáme v dílu o fuzzy logice.
max(0, P(A) + P(B) − 1) ≤ P(A ∩ B) ≤ min(P(A), P(B))
- P(A ∩ B)
- pravděpodobnost, že nastanou oba jevy — to, co bychom chtěli znát, ale ze dvou čísel neumíme
- max(0, P(A) + P(B) − 1)
- dolní mez — dvě pravděpodobnosti, které dají dohromady víc než 1, se do celku nevejdou bez překryvu; přebytek nad jedničkou se překrýt musí. Nula je tam proto, že když přebytek není, překryv může chybět úplně
- min(P(A), P(B))
- horní mez — oba jevy naráz nemohou nastat častěji než ten vzácnější z nich
Každý předpoklad o vztahu jevů dává jedno číslo z intervalu — a každému odpovídá jedna fuzzy „a“ (t-norma) z dílu o fuzzy logice (barvy podle vzorce výše):
| Vztah deště a větru | P(prší ∩ fouká) | Výpočet | Fuzzy „a“ |
|---|---|---|---|
| co nejvíc spolu | 0,60 | min(0,7; 0,6) | minimum |
| nezávislé | 0,42 | 0,7 · 0,6 | součin |
| co nejvíc proti sobě | 0,30 | max(0; 0,7 + 0,6 − 1) | Łukasiewicz |
Odtud plyne praktický rozdíl. Fuzzy systém se počítá snadno a rychle, ale mlčky předpokládá jeden konkrétní vztah mezi pojmy. Pravděpodobnostní model musí vztahy výslovně zadat — nebo se je naučit z dat — a za to dostane výsledky, které sedí s frekvencemi ve skutečném světě.
5. Pravděpodobnost fuzzy jevu
Obě nejistoty se ale nevylučují — často se objeví obě najednou. „Jaká je pravděpodobnost, že zítra bude teplo?“ obsahuje náhodu (jaká teplota bude) i vágnost (co je „teplo“).
Definice — pravděpodobnost fuzzy jevu (Zadeh, 1968)
Nechť X je spojitá náhodná veličina s hodnotami v ℝ a s hustotou f : ℝ → [0, ∞) a nechť A je fuzzy množina na ℝ s (měřitelnou) funkcí příslušnosti μA : ℝ → [0, 1]. Pravděpodobnost fuzzy jevu A je číslo
P(A) = E[μA(X)] = ∫−∞∞ μA(x) f(x) dx ∈ [0, 1],
kde E je střední hodnota. Je to tedy průměrná příslušnost, kterou náhodná hodnota X do A má.
Je-li A ostrá (μA = χB pro množinu B ⊆ ℝ), je P(A) = P(X ∈ B) — obyčejná pravděpodobnost. Nabývá-li X jen hodnot x1, …, xn ∈ ℝ s pravděpodobnostmi pi = P(X = xi) (pi ≥ 0, ∑i=1n pi = 1), je integrál nahrazen součtem: P(A) = ∑i=1n μA(xi) pi.
Každou možnou teplotu zvážíte tím, jak je pravděpodobná, a zároveň tím, jak moc je to „teplo“. Teplota 28 °C se započítá celá, 25 °C jen napůl, 20 °C vůbec.
P(A) = ∫ μA(x) · f(x) dx
- P(A)
- pravděpodobnost fuzzy jevu — jedno číslo, které nese obě nejistoty najednou
- f(x)
- hustota předpovědi — náhodnost: jak pravděpodobná je teplota x (v obrázku šedá křivka)
- μA(x)
- příslušnost — vágnost: kolik z teploty x je „teplo“; místo ostrého „počítá se / nepočítá se“ se každá teplota započítá jen svým dílem (v obrázku jantarová)
- ∫ … dx
- sečtení přes všechny teploty — jako u obyčejné pravděpodobnosti, jen se nesčítá celá hustota, ale hustota zvážená příslušností; výsledkem je plocha vyplněná v obrázku
Předpověď říká, že zítřejší teplota je normálně rozdělená se střední hodnotou 24 °C a směrodatnou odchylkou 3 °C. „Teplo“ je trojúhelník (22, 28, 34) z minulého dílu:
Příklad — integrál jako součet po jednom stupni
Barvy odpovídají členům vzorce výše. Hustota normálního rozdělení se střední hodnotou m = 24 a směrodatnou odchylkou σ = 3 je f(x) = 1/σ√2π · exp(−(x − m)2/2σ2). Příslušnost do trojúhelníku (22, 28, 34) na vzestupné straně je x − 22/28 − 22. Pro 25 °C:
f(25) = 1/3 · 2,5066 · exp(−1/18) = 0,1330 · 0,9460 = 0,1258
μ(25) = 25 − 22/28 − 22 = 3/6 = 0,5
příspěvek: 0,5 · 0,1258 = 0,0629 na stupeň
Mimo interval (22, 34) je μ = 0, takže stačí sečíst příspěvky celých stupňů od 23 do 33 (každý krát šířka 1 °C):
| x (°C) | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| μ(x) | 0,17 | 0,33 | 0,50 | 0,67 | 0,83 | 1,00 | 0,83 | 0,67 | 0,50 | 0,33 | 0,17 |
| f(x) | 0,126 | 0,133 | 0,126 | 0,106 | 0,081 | 0,055 | 0,033 | 0,018 | 0,009 | 0,004 | 0,001 |
| μ · f | 0,021 | 0,044 | 0,063 | 0,071 | 0,067 | 0,055 | 0,028 | 0,012 | 0,004 | 0,001 | 0,000 |
Součet posledního řádku je P(A) ≈ 0,367 — i s takhle hrubým krokem stejně jako přesný integrál. Největší příspěvky nedávají nejteplejší dny (28 °C je „teplo“ celé, ale málo pravděpodobné), ani nejpravděpodobnější (24 °C je „teplo“ jen ze třetiny), nýbrž 25–28 °C, kde jsou obě čísla rozumně velká.
Pravděpodobnost fuzzy jevu „bude teplo“ vychází 0,367 — skoro stejně jako pravděpodobnost ostrého jevu „bude aspoň 25 °C“ (0,369). To je náhoda této předpovědi. Když předpověď posuneme, rozejdou se:
| Předpověď (střední hodnota) | P(aspoň 25 °C) | P(teplo) |
|---|---|---|
| 20 °C | 0,048 | 0,074 |
| 22 °C | 0,159 | 0,191 |
| 24 °C | 0,369 | 0,367 |
| 25 °C | 0,500 | 0,459 |
| 28 °C | 0,841 | 0,610 |
Při chladné předpovědi dává fuzzy jev víc, protože započítá i „trochu teplé“ dny pod 25 °C. Při předpovědi 28 °C naopak výrazně méně: ostrý jev „aspoň 25 °C“ s jistotou zahrne i 33 °C, ale to už podle naší lingvistické proměnné není „teplo“, nýbrž „horko“. Fuzzy jev se drží toho, co slovo opravdu znamená.
6. Slova o pravděpodobnosti
V článku z roku 1964 popsal Sherman Kent, analytik CIA, že zpravodajské zprávy jsou plné slov jako „pravděpodobně“ nebo „téměř jistě“ — a že každý čtenář si pod nimi představí jiné číslo. Navrhl tabulku: „téměř jistě“ kolem 93 %, „pravděpodobně“ kolem 75 %, „zhruba napůl“ kolem 50 %, „asi ne“ kolem 30 % a „téměř jistě ne“ kolem 7 %, vždy s rozpětím. Tady se obě nejistoty potkají dokonale: slova o pravděpodobnosti jsou fuzzy množiny na pravděpodobnostech.
Příklad — které slovo sedí na danou pravděpodobnost
Slova jsou trojúhelníky kolem Kentových hodnot: „pravděpodobně“ je (0,6; 0,75; 0,9), „asi ne“ (0,18; 0,3; 0,42), „zhruba napůl“ (0,38; 0,5; 0,62). Rozpětí trojúhelníků je naše volba pro ilustraci, ne Kentova tabulka. Na sestupné straně trojúhelníku (a, b, c) je μ(p) = c − p/c − b, na vzestupné p − a/b − a.
- p = 0,8: μpravděpodobně = 0,9 − 0,8/0,9 − 0,75 = 0,1/0,15 = 0,67; ostatní slova mají v 0,8 nulu.
- p = 0,37: μasi ne = 0,42 − 0,37/0,42 − 0,3 = 0,05/0,12 = 0,42; „zhruba napůl“ začíná až od 0,38, takže má 0,00.
Nejlépe sedí slovo s největší příslušností: slovo(p) = argmaxs μs(p).
Pravděpodobnost 0,8 je „pravděpodobně“ ze dvou třetin; 0,37 z naší předpovědi nejlépe vystihuje „asi ne“. Podobně dnes pracuje třeba Mezivládní panel pro změnu klimatu (IPCC): „likely“ znamená 66–100 % a „very likely“ 90–100 %, aby slova ve zprávách nesvedla k jinému výkladu.
7. Spor o nejistotu
V osmdesátých letech se rozhořel spor, který vystihují dva hlasy. Statistik Dennis Lindley tvrdil, že jediný rozumný popis nejistoty je pravděpodobnost — a že všechno, co dělá fuzzy logika, zvládne pravděpodobnost lépe. Bart Kosko naopak argumentoval, že pravděpodobnost je jen zvláštní případ neurčitosti. Oba měli kus pravdy. Pro rozhodování za nejistoty, učení z dat a sázky má pravděpodobnost silnou teoretickou oporu: kdo sází podle jiných čísel, než jsou pravděpodobnosti, s nimi lze uzavřít sérii sázek, na které jistě prodělá. Pro práci s neostrými slovy, ruční pravidla a jednoduché řízení jsou fuzzy množiny přirozenější a srozumitelnější. Dnes se obě teorie používají vedle sebe, každá na to, co jí sedí.
Příklad — sázky, na kterých se jistě prodělá
Argument formuloval Bruno de Finetti (1931, nezávisle na něm Frank Ramsey 1926); tady ve zjednodušené podobě. Kdo jevu A přisuzuje „míru víry“ q(A), je ochoten koupit za q(A) korun sázku, která vyplatí 1 korunu, když A nastane.
Sázkař věří, že zítra zaprší, na 0,6, a že nezaprší, také na 0,6 — dohromady 1,2, v rozporu s P(A) + P(¬A) = 1. Prodáme mu obě sázky:
- zaplatí 0,6 + 0,6 = 1,2 Kč,
- ať počasí dopadne jakkoli, nastane právě jeden z jevů, takže dostane zpět přesně 1 Kč,
- prodělá 1,2 − 1 = 0,2 Kč — jistě, bez ohledu na počasí.
Kdyby čísla dávala dohromady méně než 1 (třeba 0,4 + 0,4), sázky od něj naopak koupíme za 0,8 a vyplatíme 1 — prodělá zase 0,2. Bezpečný je jen součet přesně 1. Podobně se dá ukázat, že ochrana před jistou ztrátou vyžaduje všechny Kolmogorovovy axiomy (pro konečně mnoho jevů). Fuzzy příslušnosti součet 1 nemají — a to není chyba, protože nejde o sázky na to, co nastane.
8. Obě nejistoty v umělé inteligenci
- Strojové učení je převážně pravděpodobnostní. Klasifikátory a jazykové modely vracejí rozdělení pravděpodobnosti; učí se maximalizací věrohodnosti, jak ukázaly díly o statistice a teorii informace.
- Kalibrace. Když model tvrdí 90 %, měl by mít pravdu v devíti případech z deseti. Kalibrace je čistě pravděpodobnostní vlastnost a dá se změřit.
- Jistota slovy. Jazykové modely často vyjadřují jistotu slovy — „pravděpodobně“, „nejspíš“, „možná“. Tady pomáhá Kentova úvaha: slovo je fuzzy množina na pravděpodobnostech, a když má být slovní jistota užitečná, musí odpovídat číslům, která za ní stojí.
- Fuzzy pravidla se dál používají tam, kde je třeba ruční, čitelné řízení bez velkého množství dat — od praček po řízení výroby.
9. Shrnutí
- Pravděpodobnost popisuje náhodnost — jestli jev nastane; fuzzy příslušnost popisuje vágnost — jak moc prvek odpovídá pojmu.
- Po pozorování se pravděpodobnost změní na 0 nebo 1, příslušnost zůstane stejná (Bezdekovy láhve).
- Pravděpodobnosti se sčítají do jedné a P(A ∩ ¬A) = 0; příslušnosti ne.
- Fuzzy logika je pravdivostně funkcionální; u pravděpodobnosti leží P(A ∩ B) jen mezi Fréchetovými mezemi a fuzzy minimum je ta horní.
- Obě nejistoty se dají spojit: pravděpodobnost fuzzy jevu „bude teplo“ je střední hodnota příslušnosti; slova o pravděpodobnosti jsou fuzzy množiny na pravděpodobnostech.
Chcete si to osahat? Zeptejte se pár lidí, jaké procento si představí pod „pravděpodobně“ a „nejspíš ne“, a nechte AI agenta z odpovědí nakreslit funkce příslušnosti.
Máte na to jiný názor? Napište na support@coden-app.com.