Algoritmik Oyun Kuramı · Ders Notu

Bölüm 1: Karar Kuramı

Oyun kuramı, birden çok karar vericinin birbirini etkilediği durumları inceler. Ama önce tek bir karar vericinin, sonucu şansa bağlı seçenekler arasında nasıl seçim yaptığını anlamak gerekir. Bu not, tek kişilik karar kuramını anlatır: riskli seçenekleri beklenen faydayla karşılaştırmayı, fayda sayılarının ne anlama geldiğini, risk tutumlarını, olasılıklar bilinmediğinde kullanılan ölçütleri, yeni bilgiyle inancı Bayes kuralıyla güncellemeyi ve karar ağaçlarıyla bilginin parasal değerini hesaplamayı. Bu araçların hepsi, sonraki konulardaki stratejik ve kolektif kararların da yapı taşlarıdır.

Öğrenme çıktıları

Beklenen fayda ve risk
Bir piyangonun beklenen değerini ve faydasını hesaplamak; kesinlik eşdeğeri ve risk primiyle risk tutumunu yorumlamak; olasılıklar bilinmezken maksimin, Laplace ve Savage ölçütlerini uygulamak.
Fayda ölçeği
vNM aksiyomlarını, Allais ve Ellsberg seçimlerini açıklamak; fayda sayılarının hangi dönüşümlerde kararı koruduğunu göstermek.
Bayesçi karar
Ön olasılığı test sonucuyla güncellemek; taban oranı ihmalini sayısal örnekte göstermek; beklenen kaybı en küçük eylemi seçmek.
Karar ağaçları
Geriye doğru çıkarımla en iyi stratejiyi bulmak; mükemmel ve örnek bilginin değerini hesaplamak.

1.1Beklenen fayda

Her gün sonucunu önceden bilmediğimiz kararlar veririz: şemsiye almak, bir derse çalışmak için hangi konuya öncelik vermek, bir ürünü almak ya da beklemek. Bu kararların ortak yanı, sonucun yalnız bizim seçimimize değil, bizim denetleyemediğimiz bir şeye de bağlı olmasıdır. Karar kuramı bu “denetlenemeyen şeyi” doğa ya da şans diye adlandırır. Bu kısımda, şansa bağlı seçenekleri karşılaştırmanın temel aracı olan beklenen faydayı kuruyoruz.

1.1.1Bir oyunla başlangıç: Bayesçi Karar Laboratuvarı

Konuya küçük bir oyunla girelim. Bayesçi Karar Laboratuvarı'nda bir etkinlik planlanır ve iki seçenek vardır: etkinliği açık havada ya da kapalı mekânda yapmak. Havanın yağmurlu mu kuru mu olacağı gizlidir. Oyuncu yalnız yağmurun ne kadar olası olduğunu bilir; buna ön olasılık (prior) denir. Ayrıca gürültülü bir sinyal görür: bir hava tahmini. Sonra seçimini yapar, durum açılır ve tablodaki kazancı alır.

YağmurKuruAçık hava−68Kapalı43Ön olasılık: P(yağmur) = 0,35Sinyal: hava tahmini, doğruluk %90 (Seviye 1)Tahmin: “yağmur”
Şekil 1.1: Bayesçi Karar Laboratuvarı'nın birinci düzeyi. Açık hava yağmurda −6, kuruda 8 kazandırır; kapalı mekân yağmurda 4, kuruda 3 kazandırır. Yağmurun ön olasılığı 0,35'tir. Doğruluğu %90 olan tahmin “yağmur” demiştir.

Şekil 1.1 oyunun ilk düzeyini gösterir. Tabloyu okumak kolaydır. Açık havayı seçen biri, yağmur yağarsa −6 alır; hava kuru giderse 8 alır. Kapalı mekânı seçen biri, yağmurda 4, kuruda 3 alır. Açık hava büyük bir kazanç ama büyük bir kayıp riski taşır; kapalı mekân ise iki durumda da makul bir sonuç verir.

Oyun iki soruyla başlar. Birincisi: %90 doğru bir tahmin “yağmur” dediyse, yağmur olasılığı kaçtır? Çoğu kişinin ilk cevabı %90'dır. Doğru cevap %82,9'dur ve bu farkın nedeni ön olasılıktır: yağmur zaten pek olası değildir (0,35). Bu sayının nasıl bulunduğu 1.3.6'da adım adım hesaplanır. İkinci soru daha felsefidir: kararınızdan sonra kötü bir sonuç çıktıysa karar da kötü müydü? Cevap “hayır” olabilir. İyi karar, eldeki bilgiyle en iyi beklentiyi veren karardır. Şans kötü giderse iyi bir karar da kötü sonuç verebilir. Karar kuramı kararları sonuçlarına göre değil, verildikleri andaki bilgiye göre değerlendirir.

Bu iki soru bölümün iki ana konusunu özetler. İlki, yeni bilgiyle inancın nasıl güncelleneceğidir (Bayes kuralı). İkincisi, inanç belliyken hangi seçeneğin seçileceğidir (beklenen fayda). Önce ikincisiyle başlıyoruz.

1.1.2Karar almanın üç türü

Karar alma (decision making), seçenekler arasından sonuçlarını değerlendirerek seçim yapma sürecidir. Kararlar, sonucu neyin belirlediğine göre üç türe ayrılır. Tablo 1.1 bu ayrımı özetler.

Tablo 1.1: Karar almanın üç türü.
TürSonucu belirleyenAraçÖrnek
Bireysel, risk altındaDoğa / şans (olasılıklar bilinir ya da tahmin edilir)Beklenen fayda, Bayes, karar ağacıYatırım, sigorta, tıbbi test
StratejikDiğer rasyonel aktörlerin seçimleriEn iyi tepki, Nash dengesiFiyat rekabeti, pazarlık, spor
KolektifGrubun toplu seçimi ve etkileşimiOylama, ortak mallarPolitika, şirket stratejisi

Bireysel kararda karar verici yalnız doğaya karşı seçim yapar. Doğa “akıllı bir rakip” değildir: yağmur, etkinliği bozmak için yağmaz. Doğanın davranışı olasılıklarla anlatılır. Stratejik kararda ise sonucu belirleyen başka akıllı karar vericilerdir. Onlar da bizim ne yapacağımızı düşünür. Bu karşılıklı düşünme durumu oyun kuramının asıl konusudur. Kolektif kararda bir grup, oylama ya da ortak kaynak paylaşımı gibi bir kuralla birlikte karar verir.

Bu ayrım neden önemlidir? Çünkü stratejik ve kolektif kararların analizinde de tek kişilik karar kuramının araçları kullanılır. Bir oyuncu, rakibinin ne yapacağı hakkında bir inanca sahipse, kendi seçimini beklenen fayda ile yapar. Rakibin hangi “tipte” olduğunu bilmiyorsa, rakibin hamlelerini görerek inancını Bayes kuralıyla günceller. Sırayla hamle yapılan bir oyun, karar ağacına benzeyen bir oyun ağacıyla çözülür. Bu yüzden bu bölümdeki araçlar dersin geri kalanının temelidir.

Karar kuramında bir de risk ile belirsizlik arasındaki ayrım vardır. Risk altında kararda olasılıklar bilinir ya da güvenilir biçimde tahmin edilir: zar atmak, rulet, sigorta istatistikleri. Belirsizlik altında kararda (decision under uncertainty) olasılıklar bilinmez: yeni bir ürünün pazarda tutup tutmayacağı, yeni bir teknolojinin başarısı. Bölümün büyük kısmı risk altında karar üzerinedir; belirsizlik altında karar 1.2.5 ve 1.2.6'da ele alınır.

1.1.3Piyango ve beklenen değer

Riskli bir seçeneği matematiksel olarak anlatmanın yolu onu bir piyango olarak yazmaktır. Burada “piyango” sözcüğü yalnız bilet alınan şans oyununu değil, sonucu şansa bağlı her seçeneği anlatır.

Tanım 1.1

Bir piyango (lottery), olasılıklı sonuçlar kümesidir. Sonuçlar x1, …, xk, olasılıkları p1, …, pk ise piyango L = (p1: x1; …; pk: xk) biçiminde yazılır. Olasılıklar sıfırdan küçük değildir ve toplamları 1'dir: p1 + … + pk = 1.

Sonuçlar sayı ise piyangonun beklenen değeri

E[X] = Σ pi xi = p1x1 + p2x2 + … + pkxk

olarak tanımlanır. Kesin bir tutar da tek sonuçlu bir piyangodur: olasılığı 1'dir.

Σ (sigma) işareti “topla” demektir. Σ pi xi, her sonucu olasılığıyla çarpıp çarpımları toplamak anlamına gelir. Beklenen değer, piyango çok kez oynandığında bir oyun başına düşen ortalama kazançtır. Örneğin yazı gelirse 10 TL veren, tura gelirse hiçbir şey vermeyen bir oyun 1000 kez oynanırsa yaklaşık 500 kez yazı gelir; toplam kazanç yaklaşık 5000 TL, oyun başına ortalama 5 TL olur. Beklenen değer de ½ · 10 + ½ · 0 = 5'tir.

Bölüm boyunca iki seçenekli bir örnek sık sık kullanılır:

  • Piyango A: %50 olasılıkla 900 TL, %50 olasılıkla 0 TL.
  • Kesin B: olasılık 1 ile 400 TL.
Örnek 1.1

A ile B'nin beklenen değerlerini karşılaştıralım.

  1. A'nın iki sonucu vardır: 900 TL (olasılık ½) ve 0 TL (olasılık ½). Her sonuç olasılığıyla çarpılır: ½ · 900 = 450 ve ½ · 0 = 0.
  2. Çarpımlar toplanır: E[A] = 450 + 0 = 450 TL.
  3. B kesin olduğu için beklenen değeri tutarın kendisidir: E[B] = 1 · 400 = 400 TL.
  4. 450 > 400 olduğundan, yalnız beklenen değere bakan bir karar verici A'yı seçer.

Oysa çoğu insana sorulduğunda B'yi seçer. Kesin 400 TL'yi, yarı yarıya 900 TL ya da hiçbir şey arasında kalmaya tercih eder. Bu seçim akıl dışı mıdır? Bir sonraki alt bölüm, bu seçimin tutarlı bir ölçütle açıklanabildiğini gösterir.

Beklenen değer, kararları sadeleştiren güçlü bir ölçüttür ama bir şeyi gözden kaçırır: paranın değeri herkes için ve her tutarda aynı değildir. Elinde hiç parası olmayan birine 400 TL'nin getirdiği rahatlık büyüktür. 400 TL'den 900 TL'ye çıkmanın ek rahatlığı ise o kadar büyük değildir. Bu gözlem fayda kavramına götürür.

Sık yapılan hata
  • Olasılıkları toplamamak. Piyangonun olasılıklarının toplamı 1 olmalıdır. “%50 900 TL, %40 0 TL” diye yazılan bir piyangoda %10'luk bir sonuç unutulmuştur.
  • Beklenen değeri “en olası sonuç” sanmak. A'nın beklenen değeri 450 TL'dir, ama A hiçbir zaman 450 TL vermez: ya 900 ya 0 verir. Beklenen değer bir ortalamadır, gerçekleşen bir sonuç değildir.
  • Yüzdeyi çarpımda yüzde olarak bırakmak. %50 hesapta 0,5 ya da ½ olarak yazılır; 50 · 900 yazmak sonucu 100 kat büyütür.

1.1.4Beklenen fayda

Fayda, bir sonucun karar verici için ne kadar “iyi” olduğunu gösteren bir sayıdır. Para tutarı bir sonuçtur; fayda ise bu sonucun kişiye göre değeridir. Bir fayda fonksiyonu (utility function) u, her sonuca bir sayı atar. Para için sık kullanılan bir örnek u(x) = √x'tir: 0 TL'nin faydası 0, 400 TL'nin faydası 20, 900 TL'nin faydası 30'dur.

Tanım 1.2

Fayda fonksiyonu u olan bir karar verici için piyango L = (p1: x1; …; pk: xk)'nın beklenen faydası (expected utility)

E[u(L)] = Σ pi u(xi)

sayısıdır. Beklenen fayda kuralına göre rasyonel karar verici, seçenekler arasından beklenen faydası en büyük olanı seçer; yani beklenen faydayı maksimize eder.

Tanım, beklenen değer tanımına çok benzer. Tek fark, sonucun kendisi (xi) yerine faydasının (u(xi)) olasılıkla çarpılmasıdır. Kuralın adı, kuramı 1944'te sistemli biçimde kuran John von Neumann ile Oskar Morgenstern'e atfen “von Neumann–Morgenstern beklenen faydası” olarak da geçer (von Neumann ve Morgenstern, 1944).

A½900 TL½0 TLB400 TLkesinE[X] = 450E[√x] = 15E[X] = 400E[√x] = 20
Şekil 1.2: Piyango A ve kesin B. Kırmızı değerler her ölçütün seçtiği seçeneği gösterir: beklenen değer A'yı (450 > 400), beklenen fayda (√x) B'yi seçer (20 > 15).
Örnek 1.2

Fayda fonksiyonu u(x) = √x olan bir karar verici, A ile B arasında seçim yapıyor.

  1. A'nın sonuçlarının faydaları bulunur: u(900) = √900 = 30 ve u(0) = √0 = 0.
  2. Faydalar olasılıklarla çarpılıp toplanır: E[u(A)] = ½ · 30 + ½ · 0 = 15.
  3. B kesindir: u(B) = √400 = 20.
  4. 20 > 15 olduğundan bu karar verici B'yi seçer.

Şekil 1.2 iki ölçütün kararını yan yana gösterir. Aynı iki seçenek için beklenen değer A'yı, beklenen fayda B'yi seçmiştir. Kesin 400 TL'yi seçen insanlar akıl dışı davranmaz; fayda fonksiyonları içbükeydir, yani paranın her ek lirası onlara biraz daha az fayda katar.

Beklenen parasal değer ile beklenen fayda aynı kararı vermeyebilir. Aradaki farkı fayda fonksiyonunun eğriliği, yani karar vericinin risk tutumu belirler. Fonksiyon düz bir doğruysa (u(x) = x) iki ölçüt aynı kararı verir. Fonksiyon aşağı doğru bükülüyorsa (√x gibi) karar verici riskten kaçınır. Bu konu 1.2'de ayrıntılı işlenir.

Beklenen fayda kuralı neden “rasyonel” sayılır? Bunun iki cevabı vardır. Birincisi pratiktir: kural, bir karar verici aynı tür kararı çok kez verdiğinde ortalamada en iyi sonucu alacağı seçimi önerir; fayda fonksiyonu da onun risk karşısındaki tutumunu taşır. İkincisi kuramsaldır ve daha güçlüdür: tercihleri birkaç makul koşulu sağlayan herkes, sanki bir fayda fonksiyonunun beklenen değerini maksimize ediyormuş gibi davranır. Bu koşullar 1.1.6'da anlatılır.

1.1.5St. Petersburg paradoksu

Fayda fikrinin tarihsel çıkış noktası 18. yüzyılda tartışılan bir yazı-tura oyunudur. Bir para, ilk kez yazı gelene kadar atılır. Yazı ilk atışta gelirse oyuncu 2 TL alır, ikinci atışta gelirse 4 TL, üçüncüde 8 TL; genel olarak k-ıncı atışta gelirse 2k TL alır. Bu oyunu oynamak için en fazla ne ödenmelidir?

Beklenen değeri hesaplayalım. Yazının ilk kez k-ıncı atışta gelme olasılığı (½)k'dir, çünkü önceki k − 1 atışın tura, k-ıncının yazı gelmesi gerekir. O durumda kazanç 2k'dir. Her terim olasılık çarpı kazançtır:

E[X] = ½ · 2 + ¼ · 4 + ⅛ · 8 + … = 1 + 1 + 1 + …

Her terim 1'dir ve sonsuz sayıda terim vardır. Toplam sonsuza gider: oyunun beklenen değeri sonsuzdur. Yalnız beklenen değere bakan biri bu oyuna servetinin tamamını vermeye razı olmalıdır. Oysa gerçekte kimse bu oyuna birkaç on liradan fazla ödemez. Bu çelişkiye St. Petersburg paradoksu (St. Petersburg paradox) denir.

Daniel Bernoulli 1738'de bu paradoksa şu cevabı verdi: insanlar paranın kendisini değil, paranın faydasını değerlendirir ve servet büyüdükçe her ek liranın faydası azalır (Bernoulli, 1738). Benzer bir fikri Gabriel Cramer de 1728'de önermişti. Bernoulli logaritmik bir fayda kullandı. Logaritma çok yavaş büyüyen bir fonksiyondur: log2 x, x'in 2'nin kaçıncı kuvveti olduğunu söyler (log2 8 = 3, log2 1024 = 10).

Örnek 1.3

Fayda u(x) = log2 x olsun. k-ıncı atışta yazı gelirse kazanç 2k, faydası log2 2k = k'dır.

  1. Beklenen fayda: E[u] = ½ · 1 + ¼ · 2 + ⅛ · 3 + 1/16 · 4 + …
  2. İlk terimler 0,5; 0,5; 0,375; 0,25; 0,156; … biçiminde hızla küçülür. Toplam sonsuza gitmez; 2'ye yaklaşır.
  3. Faydası 2 olan kesin tutar log2 x = 2 denkleminden x = 4 TL'dir.

Bu karar verici oyunu kesin 4 TL kadar değerli bulur. Beklenen değer sonsuz olsa da oyuna ödemeye razı olduğu tutar küçüktür. Paradoks, fayda kavramıyla ortadan kalkar.

St. Petersburg örneği iki şey öğretir. Birincisi, çok küçük olasılıklı çok büyük kazançlar beklenen değeri şişirebilir ama insanların kararını pek etkilemez. İkincisi, azalan marjinal fayda (her ek liranın daha az fayda katması) riskten kaçınmanın matematiksel açıklamasıdır.

1.1.6von Neumann–Morgenstern aksiyomları

Beklenen fayda kuralı keyfî bir formül değildir. von Neumann ve Morgenstern, tercihleri dört makul koşulu sağlayan her karar verici için bir fayda fonksiyonu bulunduğunu ve bu kişinin beklenen faydayı maksimize ediyormuş gibi davrandığını gösterdi. Bu koşullara von Neumann–Morgenstern aksiyomları (von Neumann–Morgenstern axioms) denir. Aksiyom, ispatlanmadan kabul edilen temel varsayım demektir.

Aksiyomları yazmak için bir gösterim gerekir. A ≻ B, “A, B'ye tercih edilir” demektir. A ∼ B, “karar verici A ile B arasında kayıtsızdır” demektir; ikisi ona eşit derecede iyidir.

Tanım 1.3

Piyangolar üzerindeki bir tercih ilişkisi şu dört aksiyomu sağlar:

  • Tamlık (completeness): Her iki seçenek karşılaştırılabilir. Her A ve B için ya A ≻ B, ya B ≻ A, ya da A ∼ B'dir.
  • Geçişlilik (transitivity): A ≻ B ve B ≻ C ise A ≻ C'dir.
  • Süreklilik (continuity): A ≻ B ≻ C ise arada kalan B, iki ucun bir karışımına denk getirilebilir: bir p olasılığı için B ∼ (p: A; 1 − p: C).
  • Bağımsızlık (independence): İki piyangoya aynı ortak parçayı aynı olasılıkla eklemek sıralamayı değiştirmez. A ≻ B ise her C ve her 0 < p ≤ 1 için (p: A; 1 − p: C) ≻ (p: B; 1 − p: C)'dir.
Teorem 1.1 (von Neumann–Morgenstern)

Bir tercih ilişkisi dört aksiyomu sağlıyorsa bir u fayda fonksiyonu vardır ve her iki piyango için A ≻ B ancak ve ancak E[u(A)] > E[u(B)]'dir. Yani karar verici beklenen faydayı maksimize eder.

Teoremin ispatı bu notun kapsamı dışındadır, ama aksiyomların her birinin neden makul olduğu ve ihlal edilince ne olduğu kolayca görülür.

Tamlık, karar vericinin her durumda bir görüşü olduğunu söyler. “Karşılaştıramıyorum” diyen bir karar verici, karar veremez. Geçişlilik ihlal edilirse karar verici sömürülebilir. Diyelim ki biri elmayı armuta, armudu kirazı, kirazı da elmaya tercih ediyor. Elinde kiraz varken ona “biraz para ver, kirazını armutla değiştireyim” denir; kabul eder. Sonra armudu elmayla, elmayı yine kirazla, her seferinde biraz para karşılığı değiştirir. Döngünün sonunda yine kirazı vardır ama parası azalmıştır. Bu döngüye para pompası denir; geçişlilik, böyle bir sömürüye karşı korumadır.

Süreklilik şu anlama gelir: A çok iyi, C çok kötü, B ise arada bir sonuç olsun. Örneğin A = 1000 TL, B = 500 TL, C = 0 TL. A'yı yüksek olasılıkla, C'yi düşük olasılıkla veren bir piyango B'den iyidir; A'yı düşük olasılıkla veren bir piyango B'den kötüdür. Arada bir yerde, karar vericinin B ile piyango arasında kayıtsız kaldığı bir p değeri vardır. Bu kayıtsızlık olasılığı aslında fayda fonksiyonunun kendisini verir: u(A) = 1 ve u(C) = 0 seçilirse u(B) = p olur. Fayda sayılarının neden “ölçülebilir” olduğunun gerekçesi budur.

Bağımsızlık en çok tartışılan aksiyomdur. Söylediği şudur: iki seçeneğin ortak bir parçası varsa, karar o ortak parçaya bağlı olmamalıdır. Bir para atılsın; yazı gelirse A ile B arasında seçim yapılacak, tura gelirse iki durumda da C alınacak. Tura gelirse seçimin bir önemi yoktur. Yazı gelirse A tercih ediliyordur. O hâlde para atılmadan önce de “yazıda A” seçeneği tercih edilmelidir. Bir sonraki alt bölüm, insanların gerçek seçimlerinin bu aksiyomu nasıl çiğnediğini gösterir.

1.1.7Allais paradoksu

1953'te Fransız iktisatçı Maurice Allais, insanlara iki ayrı seçim sordu (Allais, 1953). Tutarlar milyon lira cinsindendir. Tablo 1.2 dört seçeneği gösterir.

Tablo 1.2: Allais'nin iki seçimi. Hücrelerde her tutarın olasılığı yazılıdır.
SeçimSeçenek1 milyon5 milyon0
1. seçimA%100——
B%89%10%1
2. seçimC%11—%89
D—%10%90

Birinci seçimde çoğu kişi A'yı seçer. A kesin 1 milyon verir; B daha fazla kazandırabilir ama %1 olasılıkla hiçbir şey vermez. Kesin bir milyonu bırakıp sıfır riskine girmek insanlara kötü gelir. İkinci seçimde ise çoğu kişi D'yi seçer. Burada iki seçenekte de büyük olasılıkla hiçbir şey kazanılmaz; %10 ile %11 arasındaki fark küçük görünür, 5 milyon ise 1 milyondan çok büyüktür. İki seçim de tek başına anlaşılırdır. Sorun, ikisinin birlikte beklenen fayda kuramıyla çelişmesidir.

Önce seçenekler arasındaki ilişkiyi görelim. A ve B'de ortak bir parça vardır: ikisi de %89 olasılıkla 1 milyon verir (A'nın %100'ünün %89'u, B'nin %89'u). Bu ortak %89 “1 milyon” parçası, iki seçenekte de %89 “0” ile değiştirilirse A'dan C, B'den D elde edilir. A, %11 olasılıkla 1 milyon ve %89 olasılıkla 0'a dönüşür; bu C'dir. B, %10 olasılıkla 5 milyon, %1 + %89 = %90 olasılıkla 0'a dönüşür; bu D'dir. Bağımsızlık aksiyomuna göre ortak parçayı değiştirmek sıralamayı değiştirmemelidir.

Örnek 1.4

Herhangi bir u fayda fonksiyonu için iki farkı hesaplayalım. Kısalık için u(1), u(5) ve u(0) sırasıyla 1 milyonun, 5 milyonun ve 0'ın faydasıdır.

  1. E[u(A)] = u(1), çünkü A kesindir.
  2. E[u(B)] = 0,89 · u(1) + 0,10 · u(5) + 0,01 · u(0).
  3. Fark: E[u(A)] − E[u(B)] = (1 − 0,89) · u(1) − 0,10 · u(5) − 0,01 · u(0) = 0,11 · u(1) − 0,10 · u(5) − 0,01 · u(0).
  4. E[u(C)] = 0,11 · u(1) + 0,89 · u(0) ve E[u(D)] = 0,10 · u(5) + 0,90 · u(0).
  5. Fark: E[u(C)] − E[u(D)] = 0,11 · u(1) − 0,10 · u(5) + (0,89 − 0,90) · u(0) = 0,11 · u(1) − 0,10 · u(5) − 0,01 · u(0).

İki fark tam olarak aynı ifadedir. Bu ifade pozitifse hem A ≻ B hem C ≻ D olmalıdır. Negatifse hem B ≻ A hem D ≻ C olmalıdır. “A ve D” seçimi, farkın aynı anda hem pozitif hem negatif olmasını gerektirir. Bu imkânsızdır; yani “A ve D” seçimini açıklayan hiçbir fayda fonksiyonu yoktur.

Hesabın bir fayda fonksiyonu seçilmeden yapıldığına dikkat edilmelidir. u(x) = x, u(x) = √x ya da başka herhangi bir fonksiyon alınsa sonuç değişmez. Örneğin u(x) = x ile iki fark da 0,11 − 0,50 = −0,39'dur; bu kişi B'yi ve D'yi seçer. Dört seçeneğin beklenen değerleri de birbirinden farklıdır: A 1 milyon, B 1,39 milyon, C 0,11 milyon, D 0,5 milyondur. Yani seçimler “her şey eşit olduğu için keyfî” de değildir.

Allais'nin seçimleri hangi aksiyomu çiğner? Geçişliliği değil, bağımsızlığı. İnsanlar kesinliğe, olasılık hesabının söylediğinden daha fazla ağırlık verir. %100 ile %99 arasındaki fark, %11 ile %10 arasındaki farktan çok daha büyük hissedilir. Bu olguya kesinlik etkisi (certainty effect) denir. Kesinlik etkisi, insanların gerçek seçimlerini açıklamaya çalışan beklenti kuramının (prospect theory) çıkış noktalarından biridir. Beklenti kuramı olasılıkları doğrudan değil, bir ağırlık fonksiyonundan geçirerek kullanır; küçük olasılıkları büyütür, kesinliğe yakın olasılıkları küçültür.

Allais paradoksu beklenen fayda kuramını geçersiz kılmaz. Kuram, iki farklı amaçla kullanılır. Betimleyici olarak, insanların nasıl karar verdiğini anlatmaya çalışır; burada Allais gibi sapmalar önemlidir. Kural koyucu (normatif) olarak ise tutarlı bir karar vericinin nasıl karar vermesi gerektiğini söyler. Algoritmalar ve yapay ajanlar için genellikle ikinci kullanım önemlidir: bir yazılım ajanının tutarlı tercihler taşıması istenir.

1.1.8Fayda sayıları neyi ölçer?

Beklenen fayda hesabında u(400) = 20 gibi sayılar kullanılır. Bu sayıların bir birimi var mıdır? “20 birim mutluluk” demek anlamlı mıdır? Cevap, fayda ölçeğinin bir termometreye benzediğidir. Celsius ve Fahrenheit ölçekleri farklı sıfır noktası ve farklı birim kullanır; suyun donma noktası birinde 0, ötekinde 32'dir. Ama iki ölçek de sıcaklıkları aynı sıraya dizer ve biri ötekinden F = 1,8 · C + 32 formülüyle elde edilir. Fayda da böyledir: sıfır noktası ve birimi keyfîdir.

Tanım 1.4

v = a · u + b (a > 0) biçimindeki dönüşüme pozitif afin dönüşüm (affine transformation) denir. Dönüşüm ölçeği a katı büyütür ve b kadar kaydırır.

Teorem 1.2 (Fayda ölçeğinin tekliği)

u bir karar vericinin vNM fayda fonksiyonuysa, her pozitif afin dönüşüm v = a · u + b de aynı tercihleri temsil eder: hiçbir piyango kararını değiştirmez. Afin olmayan dönüşümler, artan olsalar bile, piyango kararlarını değiştirebilir.

Teoremin birinci yarısı kısa bir hesapla gösterilir. Bir piyangonun v ile beklenen faydası

E[v(L)] = Σ pi (a · u(xi) + b) = a · Σ pi u(xi) + b · Σ pi = a · E[u(L)] + b

olur. İlk eşitlik tanımdır. İkincisi, toplamı iki parçaya ayırıp sabitleri dışarı çıkarmaktır. Üçüncüsü olasılıkların toplamının 1 olmasından gelir. Demek ki her piyangonun yeni beklenen faydası, eskisinin a ile çarpılıp b eklenmiş hâlidir. a > 0 olduğu için büyük olan büyük kalır; sıralama değişmez. a < 0 olsaydı sıralama tersine dönerdi. Bu yüzden koşul a > 0'dır.

Tablo 1.3: A (½: 900 TL; ½: 0 TL) ve kesin B (400 TL) üç farklı fayda ölçeğiyle.
FaydaPiyango AKesin BSeçim
u = √x1520B
v = 10√x + 5155205B
w = (√x)2 = x450400A
Örnek 1.5

Tablo 1.3'teki sayılar şöyle bulunur.

  1. v = 10√x + 5 afin bir dönüşümdür (a = 10, b = 5). v(900) = 305, v(0) = 5; E[v(A)] = ½ · 305 + ½ · 5 = 155. Formülle de: 10 · 15 + 5 = 155. Kesin B için v(400) = 10 · 20 + 5 = 205. 205 > 155, seçim yine B'dir.
  2. w = (√x)2 de artan bir dönüşümdür: √x büyüdükçe karesi de büyür. Ama afin değildir. w(x) = x olduğu için E[w(A)] = 450 ve w(B) = 400 olur; seçim A'ya döner.

Kesin sonuçlar arasındaki sıralamayı her artan dönüşüm korur (400 TL, 0 TL'den hep iyidir). Piyangolar arasındaki sıralamayı ise yalnız afin dönüşümler korur. Bu yüzden vNM faydasına kardinal fayda (cardinal utility) denir: yalnız sıra değil, farkların oranları da anlamlıdır.

Bu sonucun oyun kuramında doğrudan bir karşılığı vardır. Bir oyuncunun kazanç tablosundaki bütün sayıları 2 ile çarpıp 5 eklemek, o oyuncunun hiçbir kararını değiştirmez. Bir oyunu incelerken kazançları daha kolay hesaplanan sayılara dönüştürmek bu yüzden serbesttir. Ama kazançların karesini almak gibi afin olmayan bir dönüşüm, riskli seçimleri değiştirebilir.

Sık yapılan hata
  • “u(B) − u(A) = 5 birim mutluluk.” Farkın büyüklüğü ölçek seçimine bağlıdır: v ölçeğinde aynı fark 50'dir. Anlamlı olan, aynı kişinin seçenekleri arasındaki sıralamadır.
  • “Ayşe'nin faydası 20, Bora'nınki 15; Ayşe daha mutlu.” Her kişinin ölçeği ayrı ayrı keyfî kaydırılıp büyütülebilir. Kişiler arasında fayda karşılaştırması vNM kuramının söylediği bir şey değildir.
  • “Her artan dönüşüm kararı korur.” Kesin sonuçlar için doğrudur; piyangolar için yalnız pozitif afin dönüşümler kararı korur.

1.2Risk tutumları

Aynı piyangoya farklı insanlar farklı tepki verir. Kimi kesin tutarı tercih eder, kimi şansını dener. Bu farkı fayda fonksiyonunun biçimi açıklar. Bu kısımda risk tutumunu ölçen iki sayıyı (kesinlik eşdeğeri ve risk primi) tanımlıyor, sonra sigortayı ve olasılıkların bilinmediği durumları inceliyoruz.

1.2.1İçbükey fayda ve azalan marjinal fayda

u(x) = √x fonksiyonunun değerlerine bakalım: u(0) = 0, u(100) = 10, u(400) = 20, u(900) = 30. İlk 100 TL faydayı 10 artırır. 100'den 400'e çıkmak, yani 300 TL daha eklemek, faydayı yine yalnız 10 artırır. 400'den 900'e çıkmak için 500 TL gerekir. Her ek 10 birim fayda için gereken para giderek büyür. Başka bir deyişle, her ek lira bir öncekinden daha az fayda katar. Buna azalan marjinal fayda (diminishing marginal utility) denir. “Marjinal”, “bir birim daha eklenince” anlamındadır.

Azalan marjinal faydalı bir fonksiyonun grafiği aşağı doğru bükülür; böyle bir fonksiyona içbükey (concave) denir. İçbükeyliğin geometrik bir tanımı vardır: eğri üzerindeki iki noktayı birleştiren doğru parçası (kiriş), eğrinin altında kalır. Tersine, yukarı doğru bükülen fonksiyona dışbükey (convex) denir; kirişi eğrinin üstündedir. Düz bir doğrunun kirişi doğrunun kendisidir.

045090001530x (TL)uu(x) = √xE[u] = 15u(450) ≈ 21,2
Şekil 1.3: İçbükey fayda u(x) = √x. Kesikli çizgi, eğrinin iki ucunu, (0, 0) ile (900, 30) noktalarını birleştiren kiriştir. Piyango A'nın beklenen faydası kirişin ortasıdır: E[u] = 15. Aynı 450 TL kesin verilse faydası u(450) ≈ 21,2 olur ve eğri kirişin üstünde kalır.

Kiriş, piyangonun beklenen faydasını görselleştirmenin bir yoludur. Piyango A iki uçtan birini eşit olasılıkla verir. Beklenen faydası iki ucun faydalarının ortalamasıdır: ½ · 0 + ½ · 30 = 15. Bu, kirişin tam ortasındaki noktanın yüksekliğidir ve yatay eksende x = 450 hizasına düşer; çünkü beklenen değer de iki ucun ortalamasıdır. Şekil 1.3'te aynı hizada eğrinin yüksekliği √450 ≈ 21,2'dir. Eğri kirişin üstündedir: 450 TL'yi kesin almak, ortalaması 450 TL olan piyangodan daha fazla fayda verir.

Teorem 1.3 (Jensen eşitsizliği)

u içbükey ise her piyango X için E[u(X)] ≤ u(E[X])'dir. u dışbükey ise eşitsizlik ters yöndedir: E[u(X)] ≥ u(E[X]). u doğrusal ise iki taraf eşittir.

Jensen eşitsizliği, kiriş gözleminin genel hâlidir. Sol taraf, piyangonun beklenen faydasıdır (kiriş üzerindeki nokta). Sağ taraf, beklenen değerin kesin verilmesinin faydasıdır (eğri üzerindeki nokta). İçbükey faydalı biri için piyangonun kendisi, ortalamasının kesin verilmesinden kötüdür. Riskten kaçınmanın matematiksel tanımı budur.

1.2.2Kesinlik eşdeğeri ve risk primi

Risk tutumunu sayıyla ifade etmenin yolu şu soruyu sormaktır: bu kişi piyangoyu hangi kesin tutara satmaya razıdır?

Tanım 1.5

Bir piyango X'in kesinlik eşdeğeri (certainty equivalent, KE), faydası piyangonun beklenen faydasına eşit olan kesin tutardır:

u(KE) = E[u(X)], yani KE = u−1(E[u(X)]).

Risk primi (risk premium), beklenen değer ile kesinlik eşdeğeri arasındaki farktır: Risk primi = E[X] − KE.

u−1, u'yu geri çözmek demektir: faydası verilen tutarı bulmak. u(x) = √x için faydası 15 olan tutar, √x = 15 denkleminin çözümüdür. İki tarafın karesi alınır: x = 152 = 225. Yani √x için u−1(y) = y2'dir.

02254004509000152030x (TL)uu(x) = √xE[u] = 15u(450) ≈ 21,2KE = 225risk primi 225kesin 400: u = 20
Şekil 1.4: Kesinlik eşdeğeri ve risk primi. Kirişin ortasındaki E[u] = 15 noktasından yatay gidilince eğriye x = 225'te varılır: KE = 225 TL. Beklenen değer 450 ile KE arasındaki 225 TL risk primidir. Kesin 400 TL'nin faydası 20'dir ve 15'ten büyüktür.
Örnek 1.6

Piyango A (½: 900 TL; ½: 0 TL) ve u(x) = √x için kesinlik eşdeğeri ile risk primini adım adım bulalım. Şekil 1.4 her adımı gösterir.

  1. Uçların faydası. u(0) = 0, u(900) = 30. Bunlar eğrinin iki uç noktasıdır.
  2. Beklenen fayda. E[u] = ½ · 0 + ½ · 30 = 15. Bu, kirişin ortasıdır.
  3. Karşılaştırma. Beklenen değer E[X] = 450 TL'dir. Kesin 450 TL'nin faydası √450 ≈ 21,2 > 15'tir. Kişi beklenen değeri kesin almayı piyangoya tercih eder.
  4. Kesinlik eşdeğeri. Faydası 15 olan kesin tutar: √KE = 15 ⇒ KE = 225 TL. Bu kişi piyangoyu 225 TL'ye satmaya razıdır.
  5. Risk primi. 450 − 225 = 225 TL. Kişi, riski taşımamak için beklenen değerden 225 TL vazgeçmeye razıdır.
  6. Karar. Kesin 400 TL'nin faydası 20'dir ve 15'ten büyüktür. Bu kişi B'yi seçer. Bir başka yoldan da aynı sonuca varılır: 400 TL, KE = 225 TL'den büyüktür.

Son adımdaki ikinci yol önemli bir kısayoldur. Bir piyangoyu kesin bir tutarla karşılaştırmak için faydaları karşılaştırmak yerine KE'yi kesin tutarla karşılaştırmak yeterlidir. KE kesin tutardan büyükse piyango, küçükse kesin tutar seçilir. Bu kısayol işe yarar, çünkü u artandır: büyük tutarın faydası da büyüktür.

Kesinlik eşdeğeri bir para tutarı olduğu için fayda sayılarından farklı olarak kişiler arasında karşılaştırılabilir. “Bu piyangoyu Ayşe 225 TL'ye, Bora 300 TL'ye satar” demek anlamlıdır ve Bora'nın riskten daha az kaçındığını gösterir. KE ayrıca ölçek seçiminden bağımsızdır: v = 10√x + 5 kullanılsa da faydası E[v] = 155 olan kesin tutar yine 225 TL çıkar (10√x + 5 = 155 ⇒ √x = 15).

1.2.3Üç risk tutumu

Fayda fonksiyonunun biçimi üç tür risk tutumu tanımlar. Tablo 1.4 aynı piyango A ve kesin B için üç fayda fonksiyonunun kararını karşılaştırır.

Tablo 1.4: Üç risk tutumu. Piyango A: %50 900 TL, %50 0 TL (E[X] = 450); B: kesin 400 TL.
TutumFaydaE[u(A)]u(400)SeçimKE (TL)Risk primi
Riskten kaçınan√x (içbükey)1520B225225
Risk nötrx (doğrusal)450400A4500
Risk sevenx2/900 (dışbükey)450177,8A636,4−186,4
Örnek 1.7

Tablo 1.4'ün ikinci ve üçüncü satırları şöyle hesaplanır.

  1. Risk nötr, u(x) = x. Fayda paranın kendisidir. E[u(A)] = ½ · 900 + ½ · 0 = 450, u(400) = 400. 450 > 400, seçim A. Faydası 450 olan tutar 450'dir: KE = 450, risk primi 450 − 450 = 0.
  2. Risk seven, u(x) = x2/900. Uçlar: u(0) = 0, u(900) = 9002/900 = 900. E[u(A)] = ½ · 0 + ½ · 900 = 450.
  3. Kesin 400'ün faydası: 4002/900 = 160000/900 ≈ 177,8. 450 > 177,8, seçim A.
  4. KE: x2/900 = 450 ⇒ x2 = 405000 ⇒ x = √405000 ≈ 636,4 TL.
  5. Risk primi: 450 − 636,4 = −186,4 TL. Prim negatiftir.

Negatif risk primi ne demektir? Risk seven kişi, ortalaması 450 TL olan piyangoyu 636,4 TL'den aşağıya satmaz. Yani riski taşımak için beklenen değerin üstünde bir bedel ödemeye razıdır. Üç tutum şöyle özetlenir:

  • İçbükey → riskten kaçınan (risk-averse). KE < E[X], prim > 0. Riski üstlenmek için bir ödül ister. İnsanların çoğu, özellikle büyük tutarlarda, böyle davranır.
  • Doğrusal → risk nötr (risk-neutral). KE = E[X], prim = 0. Yalnız beklenen değere bakar. Büyük şirketler küçük tutarlı kararlarda yaklaşık böyle davranır.
  • Dışbükey → risk seven (risk-loving). KE > E[X], prim < 0. Risk için para öder. Beklenen değeri bilet fiyatından düşük bir piyango bileti alan kişi buna örnektir.

Bu üç durum Jensen eşitsizliğinden doğrudan çıkar. İçbükey u için E[u(X)] < u(E[X])'dir. KE'nin faydası sol tarafa eşittir, beklenen değerin faydası sağ taraftır. u artan olduğundan faydası küçük olan tutar da küçüktür: KE < E[X]. Dışbükey için her şey ters yöndedir.

Sık yapılan hata
  • KE'yi beklenen faydayla karıştırmak. E[u] = 15 bir fayda sayısıdır; KE = 225 ise bir para tutarıdır. KE'yi bulmak için faydayı paraya geri çevirmek (u−1) gerekir.
  • Risk primini KE − E[X] diye yazmak. Tanım E[X] − KE'dir. Ters yazılırsa riskten kaçınan kişinin primi negatif çıkar ve yorum tersine döner.
  • “Risk seven her zaman piyangoyu seçer.” Risk seven, beklenen değerleri eşitken piyangoyu seçer. Piyangonun beklenen değeri kesin tutardan çok düşükse o da kesin tutarı seçebilir.

1.2.4Sigorta neden var?

Risk tutumunun en önemli uygulamalarından biri sigortadır. Sigortalı, beklenen kaybından daha yüksek bir prim öder. Sigortacı da bu primden kâr eder. İki tarafın da kazançlı çıktığı bir anlaşma nasıl mümkündür? Cevap, iki tarafın risk tutumlarının farklı olmasıdır.

Örnek 1.8

Bir kişinin serveti 900 (bin TL) olsun. %10 olasılıkla bir yangın çıkar ve 800'lük kayıp olur; geriye 100 kalır. Fayda u(x) = √x'tir. Kişi, kaybın tamamını karşılayan bir sigortaya en fazla ne öder?

  1. Sigortasız beklenen fayda. %90 olasılıkla servet 900, %10 olasılıkla 100'dür. E[u] = 0,9 · √900 + 0,1 · √100 = 0,9 · 30 + 0,1 · 10 = 27 + 1 = 28.
  2. Kesinlik eşdeğeri. √KE = 28 ⇒ KE = 282 = 784. Kişi riskli 900 yerine kesin 784'e razıdır.
  3. En yüksek prim. Sigortalı servet 900 − prim'dir ve kesindir. Bu tutar 784'ten az olmamalıdır: 900 − prim ≥ 784 ⇒ prim ≤ 116.
  4. Beklenen kayıp. 0,1 · 800 = 80. Beklenen servet 900 − 80 = 820'dir.
  5. Sigortacının alt sınırı. Sigortacı çok sayıda bağımsız poliçe satar. Yangınların bir kısmı gerçekleşir, ama toplam ödeme beklenen kayıplar toplamına yakın kalır. Bu yüzden sigortacı yaklaşık risk nötrdür ve 80'den fazla her prim ona beklenen kâr getirir.

Sonuç: 80 ile 116 arasındaki her prim iki taraf için de kazançlıdır. Örneğin 100'lük primde sigortalının serveti kesin 800 olur; faydası √800 ≈ 28,3 > 28'dir. Sigortacı poliçe başına ortalama 20 kâr eder.

740760780800820840860880900anlaşma bölgesiKE = 784prim 116: sigortalı kayıtsızE[X] = 820prim 80: sigortacı başa baş900 (yangın yok)sigortalı servet = 900 − prim
Şekil 1.5: Sigortanın anlaşma bölgesi. Yatay eksen sigortalının kesin servetidir (900 − prim). Prim 80 iken servet 820'dir ve sigortacı başa baş kalır. Prim 116 iken servet 784'tür (KE) ve sigortalı kayıtsız kalır. Arada kalan her prim iki tarafa da kazandırır.

Şekil 1.5 bu aralığı bir sayı doğrusu üzerinde gösterir. Anlaşma bölgesinin genişliği, 116 − 80 = 36, tam olarak sigortalının risk primidir: beklenen servet 820 ile kesinlik eşdeğeri 784 arasındaki fark. Risk primi ne kadar büyükse, yani kişi riskten ne kadar çok kaçınıyorsa, sigortanın yaratabileceği kazanç da o kadar büyüktür.

Sigortanın ekonomideki işlevi buradan anlaşılır: risk, ona en az katlanan tarafa aktarılır. Bireyler için büyük bir kayıp felaket olabilir; sigortacı için ise binlerce poliçeden biridir. Aynı mantık, büyük şirketlerin neden küçük kararlarda risk nötr davranabildiğini de açıklar: tek bir kararın sonucu, toplam servetlerinin küçük bir parçasıdır.

1.2.5Ellsberg torbası: belirsizlikten kaçınma

Şimdiye kadar olasılıkların bilindiğini varsaydık. Zar atarken her yüzün 1/6 olasılıkla geldiğini biliriz. Ama yeni bir ürünün başarı olasılığını kimse bilmez. Risk altında olasılıklar bilinir; belirsizlik altında bilinmez. İnsanlar bu iki duruma aynı davranmaz. Daniel Ellsberg 1961'de bunu basit bir deneyle gösterdi (Ellsberg, 1961).

Bir torbada 90 top vardır. 30'u kırmızıdır. Kalan 60 top siyah ya da sarıdır, ama kaçının siyah olduğu bilinmez. Torbadaki siyah top sayısına s diyelim; s, 0 ile 60 arasında herhangi bir sayı olabilir. Bir top çekilir ve kazandıran renk çekilirse 100 TL ödenir. İki bahis sorulur.

Tablo 1.5: Ellsberg torbası. s: torbadaki siyah top sayısı (0–60, bilinmiyor).
BahisSeçenekKazandıran top sayısı
1kırmızı30 (bilinen)
siyahs (bilinmiyor)
2kırmızı ya da sarı30 + (60 − s)
siyah ya da sarı60 (bilinen)

Tipik tercihler şöyledir: birinci bahiste çoğu kişi “kırmızı”yı, ikinci bahiste “siyah ya da sarı”yı seçer. İki tercihte de ortak bir özellik vardır: seçilen seçeneğin kazanma olasılığı bilinmektedir. Birinci bahiste kırmızının olasılığı 30/90'dır. İkinci bahiste siyah ya da sarının olasılığı 60/90'dır. Öteki seçeneklerin olasılığı ise s'ye bağlıdır ve bilinmez.

Örnek 1.9

Bu iki tercihi açıklayan bir s değeri var mıdır? Ödül iki bahiste de aynıdır (100 TL), bu yüzden daha fazla kazandıran topu olan seçenek tercih edilmelidir.

  1. Birinci tercih “kırmızı ≻ siyah” ise kırmızı top siyahtan fazla olmalıdır: 30 > s.
  2. İkinci tercih “siyah ya da sarı ≻ kırmızı ya da sarı” ise 60 > 30 + (60 − s) = 90 − s olmalıdır.
  3. İkinci eşitsizlik düzenlenir: 60 > 90 − s ⇒ s > 30.
  4. Birinci tercih s < 30, ikinci tercih s > 30 ister. İkisi aynı anda sağlanamaz.

İki tercihi birlikte açıklayan hiçbir olasılık ataması yoktur. Kişi, torbadaki siyah top sayısı hakkında tutarlı bir inanca sahipmiş gibi davranmamaktadır.

Bu sonuç fayda fonksiyonunun biçimiyle de kurtarılamaz. Her seçenekte ödül aynıdır (100 TL ya da 0), yani fayda eğriliği yalnız iki sayıyı ölçekler; hangi seçeneğin daha olası olduğu algısını değiştirmez. Olasılığı bilinmeyen seçenekten uzak durma eğilimine belirsizlikten kaçınma (ambiguity aversion) denir. Riskten kaçınmadan farklıdır: riskten kaçınma bilinen olasılıklı sonuçların dağılımına, belirsizlikten kaçınma ise olasılıkların bilinmemesine verilen tepkidir.

Belirsizlikten kaçınmanın uç biçimi, olasılıklar hiç bilinmediğinde her seçenek için en kötü durumu düşünmek ve en kötü durumu en iyi olan seçeneği seçmektir. Bu kurala maksimin denir ve bir sonraki alt bölümün konusudur. Ellsberg torbasında maksimin şöyle düşünür: “siyah” bahsinde en kötü durum s = 0'dır ve kazanma olasılığı sıfırdır; “kırmızı”nın kazanma olasılığı ise hep 30/90'dır. Bu yüzden kırmızı seçilir. İkinci bahiste “kırmızı ya da sarı”nın en kötü durumu s = 60'tır ve olasılık 30/90'a düşer; “siyah ya da sarı” ise hep 60/90 verir. Maksimin iki tipik tercihi de açıklar.

1.2.6Olasılıklar bilinmezse: belirsizlik ölçütleri

Bir yatırımcı üç eylemden birini seçecek: büyük yatırım, küçük yatırım ya da hiç yatırım yapmamak. Sonuç ekonominin durumuna bağlıdır: iyi, orta ya da kötü. Yatırımcı bu durumların olasılıklarını bilmiyor. Tablo 1.6 her eylemin her durumdaki kazancını gösterir. Satırlar eylemler, sütunlar durumlardır.

Tablo 1.6: Belirsizlik altında yatırım kararı. Kazançlar bin TL; durumların olasılıkları bilinmiyor.
Eylem \ durumİyiOrtaKötü
Büyük yatırım20050−120
Küçük yatırım9040−20
Yatırım yok000

Olasılıklar bilinmediği için beklenen fayda hesaplanamaz. Bunun yerine, her biri farklı bir “karamsarlık” derecesi taşıyan ölçütler kullanılır. Hepsinin ortak noktası yalnız tablodaki sayılara bakmasıdır. Bu durumu belirsizlik altında karar problemi olarak adlandırıyoruz.

Tanım 1.6

U[a][d], eylem a'nın durum d'deki kazancı olsun. Dört temel ölçüt şunlardır:

  • Maksimin (maximin; Wald): Her eylemin en kötü sonucunu bul; en kötü sonucu en büyük olan eylemi seç. maxa mind U[a][d].
  • Maksimaks (maximax): Her eylemin en iyi sonucunu bul; en iyi sonucu en büyük olanı seç. maxa maxd U[a][d].
  • Laplace ölçütü (Laplace criterion): Bütün durumları eşit olası say; ortalaması en büyük olan eylemi seç.
  • Minimaks pişmanlık (minimax regret; Savage): Her durumda, ulaşılabilecek en iyi sonuç ile elde edilen sonuç arasındaki farka pişmanlık de. Her eylemin en büyük pişmanlığını bul; en büyük pişmanlığı en küçük olan eylemi seç.

Her ölçütün arkasında bir bakış açısı vardır. Maksimin karamsardır: “Ne seçersem seçeyim doğa bana en kötüsünü yapacak” varsayımıyla hareket eder. Maksimaks iyimserdir: “Ne seçersem seçeyim en iyisi olacak” diye düşünür. Laplace “Hiçbir şey bilmiyorsam her duruma eşit olasılık vermeliyim” der; bu yüzden bilgisizliği eşit olasılıkla temsil eder. Savage'in ölçütü sonucun kendisine değil, sonradan duyulacak pişmanlığa bakar (Savage, 1951).

Örnek 1.10

Tablo 1.6'ya dört ölçütü uygulayalım.

  1. Maksimin. Satır minimumları: Büyük −120, Küçük −20, Yok 0. En büyüğü 0'dır. Karar: Yatırım yok.
  2. Maksimaks. Satır maksimumları: Büyük 200, Küçük 90, Yok 0. En büyüğü 200'dür. Karar: Büyük yatırım.
  3. Laplace. Satır ortalamaları: Büyük (200 + 50 − 120)/3 = 130/3 ≈ 43,3; Küçük (90 + 40 − 20)/3 = 110/3 ≈ 36,7; Yok 0. En büyüğü 43,3'tür. Karar: Büyük yatırım.
  4. Pişmanlık tablosu. Önce her durumda ulaşılabilecek en iyi sonuç bulunur (sütun maksimumları): İyi 200, Orta 50, Kötü 0. Pişmanlık = en iyi − elde edilen. Büyük: (200 − 200, 50 − 50, 0 − (−120)) = (0, 0, 120). Küçük: (110, 10, 20). Yok: (200, 50, 0).
  5. Savage. Satır başına en büyük pişmanlık: Büyük 120, Küçük 110, Yok 200. En küçüğü 110'dur. Karar: Küçük yatırım.

Aynı tablo üç farklı karar üretmiştir: maksimin “Yok”, maksimaks ve Laplace “Büyük”, Savage “Küçük”.

eylem \ durumİyiOrtaKötüminmaxort.maks. pişm.Büyük yatırım20050−120−12020043,3120Küçük yatırım9040−20−209036,7110Yatırım yok000000200sütun en iyisi:200500
Şekil 1.6: Belirsizlik ölçütlerinin özet tablosu. Solda kazançlar ve her sütunun en iyisi (200, 50, 0); ortada satır minimumu, maksimumu ve ortalaması; sağda her eylemin en büyük pişmanlığı.

Şekil 1.6 bütün ara sonuçları tek tabloda toplar. Pişmanlık hesabında sık bir yanılgı, pişmanlığı satırın en iyisine göre hesaplamaktır. Oysa pişmanlık sütunun en iyisine göre hesaplanır: “Bu durumun gerçekleşeceğini bilseydim ne seçerdim ve ne kaybettim?” Kötü durumda en iyisi hiç yatırım yapmamaktır (0). Büyük yatırım yapan kişi kötü durumda −120 alır ve 120 pişmanlık duyar.

Bu dört ölçüte bir beşinci eklenebilir. Hurwicz ölçütü (Hurwicz criterion) iki uç arasında durur. Bir iyimserlik katsayısı α (0 ile 1 arasında) seçilir ve her eylem

α · (satır maks.) + (1 − α) · (satır min.)

ile puanlanır. α = 0 maksimin, α = 1 maksimakstır. α = 0,5 ile puanlar: Büyük 0,5 · 200 + 0,5 · (−120) = 40, Küçük 0,5 · 90 + 0,5 · (−20) = 35, Yok 0. Karar Büyük yatırımdır.

Örnek 1.11

Hurwicz ölçütünün kararı α değiştikçe nasıl değişir?

  1. Puanlar α'ya bağlı yazılır: Büyük 200α − 120(1 − α) = 320α − 120; Küçük 90α − 20(1 − α) = 110α − 20; Yok 0.
  2. Küçük, Yok'tan iyi olur: 110α − 20 > 0 ⇒ α > 2/11 ≈ 0,18.
  3. Büyük, Küçük'ten iyi olur: 320α − 120 > 110α − 20 ⇒ 210α > 100 ⇒ α > 10/21 ≈ 0,48.

Sonuç: α < 0,18 iken Yok, 0,18 < α < 0,48 iken Küçük, α > 0,48 iken Büyük yatırım seçilir. Ne kadar iyimser olunursa o kadar büyük risk alınır.

Hangi ölçüt doğrudur? Bu sorunun tek bir cevabı yoktur. Olasılıklar tahmin edilebiliyorsa en iyisi onları tahmin edip beklenen faydaya dönmektir. Tahmin edilemiyorsa ölçüt seçimi karar vericinin tutumunu yansıtır. Felaket riskinin kabul edilemediği durumlarda (bir köprünün tasarımı, bir hastanın tedavisi) maksimin makul olabilir. Sık tekrarlanan küçük kararlarda Laplace ya da beklenen fayda daha uygundur. Oyun kuramında maksimin özel bir yer tutar: iki kişilik sıfır toplamlı oyunlarda rakip gerçekten en kötüsünü yapmak isteyen biridir ve maksimin doğal bir ölçüt hâline gelir.

Sık yapılan hata
  • Pişmanlığı satır içinde hesaplamak. Pişmanlık, aynı durumdaki (sütundaki) en iyi sonuçla karşılaştırılır.
  • Savage'de en büyük pişmanlığı seçmek. Önce her satırın en büyük pişmanlığı bulunur, sonra bunların en küçüğü seçilir. Adı da buradan gelir: minimaks pişmanlık.
  • Maksimin ile minimaksı karıştırmak. Kazanç tablosunda maksimin kullanılır (en kötü kazancı büyüt). Maliyet ya da kayıp tablosunda karşılığı minimakstır (en büyük kaybı küçült).

1.2.7Kod izleme: olcutler()

Dört ölçüt kısa bir Python fonksiyonuyla hesaplanabilir. Fonksiyon kazanç tablosunu bir liste listesi olarak alır: U[i][j], eylem i'nin durum j'deki kazancıdır. Dört ölçütün seçtiği eylemlerin indislerini döndürür.

def olcutler(U):
    A, m = range(len(U)), len(U[0])
    mm = max(A, key=lambda i: min(U[i]))      # maximin
    mx = max(A, key=lambda i: max(U[i]))      # maximax
    lp = max(A, key=lambda i: sum(U[i]) / m)  # Laplace
    enb = [max(r[j] for r in U) for j in range(m)]
    pis = [max(enb[j] - r[j] for j in range(m))
           for r in U]            # en büyük pişmanlık
    sv = pis.index(min(pis))                  # Savage
    return mm, mx, lp, sv

Kod satır satır şöyle çalışır:

  • A eylem indislerinin aralığıdır (0, 1, 2); m durum sayısıdır (3).
  • max(A, key=…), A içindeki indisler arasından key fonksiyonunun değerini en büyük yapanı döndürür. lambda i: min(U[i]) küçük, adsız bir fonksiyondur: i indisini alır ve o satırın en küçük değerini verir. Bu satır maksimin kuralının birebir karşılığıdır.
  • mx aynı yapıyı satır maksimumlarıyla, lp satır ortalamalarıyla kurar.
  • enb listesi her sütunun en büyük değeridir: r[j] for r in U, bütün satırların j-inci öğesini dolaşır.
  • pis listesi her satır için en büyük pişmanlığı tutar: her sütunda enb[j] - r[j] hesaplanır ve bunların en büyüğü alınır.
  • sv, pis listesindeki en küçük değerin indisidir.
Tablo 1.7: olcutler(U) izlemesi, Tablo 1.6'daki kazançlarla (0: Büyük, 1: Küçük, 2: Yok).
AdımHesaplananDeğer
1A, mrange(3), 3
2satır min. −120, −20, 0mm = 2 (Yok)
3satır maks. 200, 90, 0mx = 0 (Büyük)
4ortalama 43,3, 36,7, 0,0lp = 0 (Büyük)
5sütun maks.enb = [200, 50, 0]
6en büyük pişmanlıkpis = [120, 110, 200]
7en küçük pişmanlığın indisisv = 1 (Küçük)
8dönüş(2, 0, 0, 1)

Fonksiyon (2, 0, 0, 1) döndürür. Bu dörtlü, elle bulunan sonuçların aynısıdır: maksimin Yok, maksimaks ve Laplace Büyük, Savage Küçük. Bir ayrıntıya dikkat edilmelidir: max eşitlik durumunda ilk bulduğu indisi döndürür. İki eylemin en kötü sonucu eşit olsaydı kod listede önce geleni seçerdi. Elle hesapta da eşitliklerin nasıl bozulacağına önceden karar vermek gerekir.

Laplace satırında toplam m'ye bölünmüştür. Bütün satırlar aynı sayıya bölündüğü için bölme sıralamayı değiştirmez; kod yalnız toplamlara bakarak da aynı kararı verirdi. Bölme, sonucu “ortalama kazanç” olarak yorumlanabilir kılmak içindir. Bu, 1.1.8'deki afin dönüşüm sonucunun küçük bir örneğidir: bütün puanları pozitif bir sayıyla çarpmak sıralamayı korur.

1.3Bayesçi karar

Beklenen fayda hesabı olasılıkları kullanır. Peki olasılıklar yeni bir bilgi geldiğinde nasıl değişir? Bir test pozitif çıktığında hastalık olasılığı ne olur? Bir hava tahmini “yağmur” dediğinde yağmur olasılığı ne olur? Bu kısımda inancı kanıtla güncellemenin kuralını, Bayes kuralını, kuruyor ve güncellenmiş olasılıkla karar vermeyi gösteriyoruz.

1.3.1Koşullu olasılık

Bayes kuralını anlamak için önce koşullu olasılık gerekir. P(A), A olayının olasılığıdır. P(A | B) ise “B olduğu bilindiğinde A'nın olasılığı” demektir ve “B verildiğinde A'nın olasılığı” diye okunur. Dikey çizginin sağı bilinen bilgidir, solu sorulan olaydır.

Tanım 1.7

P(B) > 0 iken koşullu olasılık (conditional probability)

P(A | B) = P(A ve B) / P(B)

olarak tanımlanır. Buradan çarpım kuralı çıkar: P(A ve B) = P(B | A) · P(A).

Tanımı bir sayma örneğiyle düşünmek kolaydır. Bir sınıfta 40 öğrenci olsun; 10'u gözlüklü, gözlüklülerin 4'ü kız olsun. Rastgele seçilen öğrencinin gözlüklü olduğu bilindiğinde kız olma olasılığı 4/10 = 0,4'tür. Formülle: P(kız ve gözlüklü) = 4/40, P(gözlüklü) = 10/40; oran (4/40)/(10/40) = 4/10. Koşul, sayılan topluluğu daraltır: artık yalnız gözlüklülere bakılır.

En önemli nokta şudur: P(A | B) ile P(B | A) genellikle farklıdır. Gözlüklü bir öğrencinin kız olma olasılığı 0,4'tür. Bir kız öğrencinin gözlüklü olma olasılığı ise sınıftaki kız sayısına bağlıdır; 20 kız varsa 4/20 = 0,2'dir. İki olasılık aynı “kız ve gözlüklü” grubunu farklı topluluklara böler. Bu iki olasılığı karıştırmak, bu kısmın konusu olan en yaygın hatanın kaynağıdır.

Bayesçi karar dilinde üç terim sık geçer:

  • Ön olasılık (prior): Kanıt görülmeden önceki inanç. Örneğin bir hastalığın toplumdaki yaygınlığı, P(hasta).
  • Olabilirlik (likelihood): Gerçek durum bilindiğinde gözlenen kanıtın olasılığı. Örneğin P(+ | hasta), hasta birinin testinin pozitif çıkma olasılığı.
  • Son olasılık (posterior): Kanıt görüldükten sonraki güncellenmiş inanç. Örneğin P(hasta | +).

1.3.2Tıbbi test ve doğal sıklıklar

Bir hastalık toplumda %1 yaygındır. Hastalık için bir test vardır. Testin duyarlılığı (sensitivity) %90'dır: hastaların %90'ında test pozitif çıkar. Testin yanlış pozitif oranı %9'dur: sağlıklıların %9'unda da test pozitif çıkar. Bir kişinin testi pozitif çıktı. Bu kişinin gerçekten hasta olma olasılığı kaçtır?

Bu soruya çoğu kişi, hatta çoğu hekim, “%90 civarı” diye cevap verir. Doğru cevap yaklaşık %9'dur. Aradaki büyük farkı görmenin en kolay yolu olasılıklar yerine kişi sayılarıyla düşünmektir. Olasılıkları bir topluluktaki kişi sayılarına çevirmeye doğal sıklıklar (natural frequencies) yöntemi denir. Gigerenzer ve Hoffrage, aynı problemin doğal sıklıklarla sorulduğunda çok daha fazla kişi tarafından doğru çözüldüğünü göstermiştir (Gigerenzer ve Hoffrage, 1995).

10.000kişi%1 hasta%99 sağlıklı100hasta9.900sağlıklı%90 +%10 −90hasta, test +10hasta, test −%9 +%91 −891sağlıklı, test +9.009sağlıklı, test −test +981%9,2
Şekil 1.7: 10.000 kişilik toplulukta tıbbi test. 100 hastanın 90'ı, 9.900 sağlıklının 891'i pozitif çıkar. Pozitif çıkan 981 kişiden yalnız 90'ı hastadır: P(hasta | +) = 90/981 ≈ %9,2.
Örnek 1.12

10.000 kişilik bir topluluk düşünelim. Şekil 1.7 her adımın sayılarını gösterir.

  1. Ön olasılık. Yaygınlık %1'dir: 10.000 · 0,01 = 100 hasta, 9.900 sağlıklı.
  2. Hastalarda test. Duyarlılık %90: 100 hastanın 100 · 0,9 = 90'ı pozitif, 10'u negatif çıkar.
  3. Sağlıklılarda test. Yanlış pozitif oranı %9: 9.900 sağlıklının 9.900 · 0,09 = 891'i de pozitif çıkar. Sağlıklılar çok kalabalık olduğu için küçük bir oran büyük bir sayı verir.
  4. Pozitif çıkan herkes. 90 + 891 = 981 kişi.
  5. Son olasılık. Bu 981 kişiden yalnız 90'ı gerçekten hastadır: P(hasta | +) = 90/981 ≈ 0,092, yani yaklaşık %9,2.

Test %90 duyarlı olsa da pozitif sonuç çoğunlukla yanlış alarmdır. Pozitif çıkan her 11 kişiden yaklaşık 10'u sağlıklıdır.

Bu sonuç testin işe yaramadığı anlamına gelmez. Testten önce hastalık olasılığı %1'di; pozitif sonuçtan sonra %9,2'ye çıktı. Olasılık dokuz kattan fazla arttı. Ama başlangıç noktası çok düşük olduğu için son olasılık hâlâ %10'un altındadır. Bu yüzden tıpta pozitif bir tarama testinden sonra genellikle ikinci, daha kesin bir test yapılır.

1.3.3Bayes kuralı ve taban oranı ihmali

Doğal sıklıklarla yapılan hesap, genel bir formülün özel hâlidir.

Teorem 1.4 (Bayes kuralı)

H bir hipotez (ör. “hasta”), K bir kanıt (ör. “test pozitif”) olsun. ¬H, H'nin olmaması (“sağlıklı”) demektir. O zaman

P(H | K) = P(K | H) · P(H) / [ P(K | H) · P(H) + P(K | ¬H) · P(¬H) ]

Payda, kanıtın toplam olasılığı P(K)'dır.

Formül koşullu olasılık tanımından iki adımda çıkar. Birinci adım: tanıma göre P(H | K) = P(H ve K) / P(K)'dır. Çarpım kuralıyla pay P(K | H) · P(H) olarak yazılır. İkinci adım: K iki yoldan gerçekleşebilir, ya H ile birlikte ya ¬H ile birlikte. Bu iki yolun olasılıkları toplanınca P(K) = P(K | H) · P(H) + P(K | ¬H) · P(¬H) elde edilir. İki adım birleşince formül çıkar.

Tıbbi testte P(H) = 0,01, P(K | H) = 0,9, P(K | ¬H) = 0,09'dur. Pay 0,9 · 0,01 = 0,009, payda 0,009 + 0,09 · 0,99 = 0,009 + 0,0891 = 0,0981'dir. Oran 0,009 / 0,0981 ≈ 0,0917'dir. Bu, doğal sıklıklardaki 90/981'in aynısıdır; tek fark her sayının 10.000'e bölünmüş olmasıdır. Doğal sıklıklar aslında Bayes kuralının kişi sayılarıyla yazılmış hâlidir.

Tanım 1.8

Taban oranı ihmali (base-rate neglect), ön olasılığı (taban oranını, yaygınlığı) hesaba katmadan olabilirliği son olasılık yerine koymaktır. Tipik biçimi, P(+ | hasta)'yı P(hasta | +) sanmaktır.

Taban oranı ihmali gerçek bir sorundur. Klasik bir çalışmada hekim ve tıp öğrencilerine şu soru soruldu: yaygınlığı 1/1000 olan bir hastalık için yanlış pozitif oranı %5 olan bir test pozitif çıkmıştır; kişinin hasta olma olasılığı nedir? 60 kişiden yalnız 11'i doğru cevaba (yaklaşık %2) ulaştı. En sık verilen cevap %95'ti (Casscells, Schoenberger ve Graboys, 1978).

Örnek 1.13

Casscells sorusunu doğal sıklıklarla çözelim. Testin duyarlılığı verilmemiştir; hastaların hepsinde testin pozitif çıktığını varsayalım.

  1. 100.000 kişi alalım. Yaygınlık 1/1000: 100 hasta, 99.900 sağlıklı.
  2. 100 hastanın hepsi pozitif çıkar.
  3. Sağlıklıların %5'i pozitif çıkar: 99.900 · 0,05 = 4.995.
  4. Pozitif çıkan herkes: 100 + 4.995 = 5.095. Bunların 100'ü hasta: 100/5.095 ≈ 0,0196.

Doğru cevap yaklaşık %2'dir. “%95” cevabı, yanlış pozitif oranının tümleyenini (1 − 0,05) son olasılık sanmaktan gelir.

Taban oranının önemi, yaygınlık değişince açıkça görülür. Aynı test (duyarlılık %90, yanlış pozitif %9) yaygınlığı %10 olan bir toplulukta kullanılsın. 10.000 kişiden 1.000'i hasta, 900'ü pozitif; 9.000 sağlıklıdan 810'u pozitif. P(hasta | +) = 900/1.710 = 10/19 ≈ %52,6'dır. Aynı test, hastalığın daha yaygın olduğu bir toplulukta çok daha anlamlı bir sonuç verir. Bu yüzden tarama testleri genellikle risk grubundaki kişilere uygulanır.

Sık yapılan hata
  • P(K | H)'yı P(H | K) sanmak. “Test hastaların %90'ını yakalar” ile “pozitif çıkanların %90'ı hastadır” farklı cümlelerdir.
  • Paydayı eksik yazmak. Paydada yalnız doğru pozitifler değil, yanlış pozitifler de vardır. Yanlış pozitifler unutulursa son olasılık 1 çıkar.
  • Yanlış pozitifleri sağlıklılar yerine bütün topluluktan hesaplamak. %9, 9.900 sağlıklıya uygulanır; 10.000'e değil.

1.3.4Kod izleme: bayes()

Bir test sonucu tek başına yeterli değilse ikinci bir test yapılır. İkinci test için ön olasılık artık %1 değildir; birinci testin son olasılığıdır. Her yeni kanıt, bir önceki son olasılığı ön olasılık olarak kullanır. Buna ardışık güncelleme denir. Aşağıdaki fonksiyon bunu bir döngüyle yapar. Testlerin, kişinin gerçek durumu bilindiğinde birbirinden bağımsız sonuç verdiği varsayılır.

def bayes(p, duyarlilik, yp, testler):
  for sonuc in testler:
    if sonuc == "+":
      pay = duyarlilik * p
      payda = pay + yp * (1 - p)
    else:
      pay = (1 - duyarlilik) * p
      payda = pay + (1 - yp) * (1 - p)
    p = pay / payda
    print(sonuc, round(p, 4))
  return p

Fonksiyonun parametreleri şunlardır: p başlangıç ön olasılığı, duyarlilik P(+ | hasta), yp yanlış pozitif oranı P(+ | sağlıklı), testler ise "+" ve "-" sonuçlarından oluşan liste. Döngü her sonuç için şunu yapar:

  • Sonuç "+" ise pozitif sonucun olabilirlikleri kullanılır: hastada duyarlilik, sağlıklıda yp.
  • Sonuç "-" ise negatif sonucun olabilirlikleri kullanılır: hastada 1 - duyarlilik, sağlıklıda 1 - yp.
  • pay, Bayes kuralının payıdır; payda, kanıtın toplam olasılığıdır.
  • p = pay / payda ataması son olasılığı hesaplar ve aynı değişkene yazar. Böylece bir sonraki turda bu değer ön olasılık olur.
Tablo 1.8: bayes(0.01, 0.9, 0.09, ["+", "+", "-"]) izlemesi.
Tursonucön ppaypaydayeni p
1+0,01000,9 · 0,0100 = 0,00900,0090 + 0,09 · 0,9900 = 0,09810,0917
2+0,09170,9 · 0,0917 = 0,08260,0826 + 0,09 · 0,9083 = 0,16430,5025
3−0,50250,1 · 0,5025 = 0,05030,0503 + 0,91 · 0,4975 = 0,50300,0999
ön olasılık0,01001. test0,09172. test0,50253. test0,0999
Şekil 1.8: Ardışık güncellemede hastalık olasılığı: ön olasılık 0,0100; birinci pozitiften sonra 0,0917; ikinci pozitiften sonra 0,5025; üçüncü test negatif çıkınca 0,0999.

Fonksiyon her turda yeni olasılığı yazdırır ve sonunda 0.0999 döndürür. Şekil 1.8 olasılığın seyrini gösterir. Birinci pozitif, olasılığı %1'den %9,2'ye çıkarır. İkinci bağımsız pozitif onu yaklaşık %50'ye taşır. Üçüncü test negatif çıkınca olasılık yeniden %10'a iner. Negatif sonuç güçlü bir kanıttır, çünkü hastaların yalnız %10'unda test negatif çıkar; sağlıklılarda ise %91'inde.

Ardışık güncellemenin iki önemli özelliği vardır. Birincisi, sıra önemli değildir: aynı üç sonuç ("+", "-", "+") sırasıyla işlense de son olasılık 0,0999 çıkar. İkincisi, iki pozitif sonucu birlikte tek seferde işlemek de aynı sonucu verir: iki bağımsız pozitifin olabilirliği hastada 0,9 · 0,9 = 0,81, sağlıklıda 0,09 · 0,09 = 0,0081'dir. Pay 0,81 · 0,01 = 0,0081, payda 0,0081 + 0,0081 · 0,99 ≈ 0,0161'dir; oran yine yaklaşık 0,5025'tir. Ama her testi baştan %1 ön olasılıkla değerlendirmek yanlıştır: o zaman iki pozitifin birikmiş kanıtı kaybolur.

1.3.5Bayesçi karar kuralı: tedavi mi, bekle mi?

Son olasılığı bulmak işin yarısıdır. Asıl soru, bu olasılıkla ne yapılacağıdır. Bir hekim, pozitif testten sonra hastayı tedavi etmeli mi, yoksa beklemeli mi? Bu karar hem olasılığa hem de iki tür hatanın bedeline bağlıdır. Sağlıklı birini gereksiz yere tedavi etmek bir bedeldir (yan etkiler, maliyet). Hasta birini tedavi etmemek ise çok daha büyük bir bedeldir.

Tanım 1.9

Bayesçi karar kuralı (Bayesian decision rule): Ön olasılık kanıtla güncellenir; sonra her eylemin beklenen kaybı (expected loss) son olasılıkla hesaplanır. Beklenen kaybı en küçük olan eylem seçilir.

Kayıp, faydanın tersi gibi düşünülebilir: küçük olması iyidir. Kayıplarla çalışmak tıp ve mühendislikte daha doğaldır, çünkü hataların bedeli doğrudan ölçülür. Beklenen kaybı en küçük yapmak, kayıpların eksi işaretlisini fayda alıp beklenen faydayı en büyük yapmakla aynı şeydir.

Örnek 1.14

Kayıplar şöyle olsun: sağlıklıya gereksiz tedavi 30, hastayı tedavi etmemek 200. Doğru kararların kaybı 0'dır. Hastalık olasılığı p ise:

  1. Tedavi edilirse kayıp yalnız kişi sağlıklıysa doğar: E[kayıp | tedavi] = (1 − p) · 30.
  2. Beklenirse kayıp yalnız kişi hastaysa doğar: E[kayıp | bekle] = p · 200.
  3. Eşik. Tedavi daha az kayıplıysa seçilir: (1 − p) · 30 < p · 200 ⇒ 30 − 30p < 200p ⇒ 30 < 230p ⇒ p > 30/230 = 3/23 ≈ %13,0.
  4. Bir pozitiften sonra p ≈ 0,0917: tedavi 0,9083 · 30 ≈ 27,2, bekle 0,0917 · 200 ≈ 18,3. Beklemek daha az kayıplıdır; yeniden test yapılır.
  5. İki pozitiften sonra p ≈ 0,5025: tedavi 0,4975 · 30 ≈ 14,9, bekle 0,5025 · 200 ≈ 100,5. Tedavi seçilir.
Tablo 1.9: Tedavi kararı. Kayıplar: gereksiz tedavi 30, tedavisiz hasta 200; eşik p > 3/23.
DurumpE[kayıp | tedavi]E[kayıp | bekle]Karar
1 pozitif0,09227,218,3bekle, yeniden test
2 pozitif0,50314,9100,5tedavi

Eşik formülü genel olarak yazılabilir. Gereksiz tedavinin kaybı c, tedavisiz hastanın kaybı k ise tedavi (1 − p)c < pk iken, yani p > c/(c + k) iken seçilir. Formülün yorumu açıktır: hastalığı kaçırmak ne kadar pahalıysa (k büyüdükçe) eşik o kadar düşer. Ölümcül bir hastalıkta düşük bir olasılık bile tedaviye yeter. Tedavinin kendisi tehlikeliyse (c büyükse) eşik yükselir. Karar yalnız olasılığa değil, kayıpların oranına da bağlıdır.

Sık yapılan hata
  • “Olasılık %50'nin altındaysa tedavi etme.” Bu kural ancak iki hatanın bedeli eşitse doğrudur. Burada eşik %13'tür.
  • Kayıpları yanlış olasılıkla çarpmak. Tedavinin kaybı, kişinin sağlıklı olma olasılığıyla (1 − p) çarpılır; çünkü tedavi yalnız sağlıklı birine uygulanınca zarar verir.

1.3.6Laboratuvara dönüş: yağmur tahmini

Şimdi 1.1.1'deki oyunun sorusuna dönebiliriz. Yağmurun ön olasılığı 0,35, tahminin doğruluğu %90'dır. “Doğruluk %90” şu anlama gelir: yağmur yağacaksa tahmin %90 olasılıkla “yağmur” der, hava kuru gidecekse %90 olasılıkla “kuru” der. Yani P(“yağmur” | yağmur) = 0,9 ve P(“yağmur” | kuru) = 0,1'dir.

Örnek 1.15
  1. Son olasılık. P(yağmur | “yağmur”) = 0,9 · 0,35 / (0,9 · 0,35 + 0,1 · 0,65) = 0,315 / 0,38 ≈ 0,829. Tahmin “yağmur” dediğinde yağmur olasılığı %90 değil, %82,9'dur.
  2. Eylemlerin beklenen faydası (BF), yağmur olasılığı p iken: açık hava −6p + 8(1 − p) = 8 − 14p; kapalı 4p + 3(1 − p) = 3 + p.
  3. Eşik. Açık hava daha iyidir: 8 − 14p > 3 + p ⇒ 5 > 15p ⇒ p < 1/3.
  4. Yalnız ön olasılıkla (p = 0,35): açık 3,10, kapalı 3,35. 0,35 > 1/3, kapalı seçilir; ama fark küçüktür.
  5. “Yağmur” sinyaliyle (p ≈ 0,829): açık −3,61, kapalı 3,83. Kapalı seçilir.
  6. “Kuru” sinyaliyle: P(yağmur | “kuru”) = 0,1 · 0,35 / (0,1 · 0,35 + 0,9 · 0,65) = 0,035 / 0,62 ≈ 0,056. Açık 7,21, kapalı 3,06. Açık hava seçilir.
Tablo 1.10: Bayesçi Karar Laboratuvarı, birinci düzey (doğruluk %90). BF: beklenen fayda.
BilgiP(yağmur)BF(açık)BF(kapalı)Karar
yalnız ön olasılık0,353,103,35kapalı
“yağmur”0,829−3,613,83kapalı
“kuru”0,0567,213,06açık

Tablo 1.10 bilginin neden değerli olduğunu gösterir. Sinyal olmadan kapalı mekân seçilir. Sinyal “kuru” derse karar açık havaya döner ve beklenen fayda 3,35'ten 7,21'e çıkar. Bilgi ancak kararı değiştirebildiği durumlarda işe yarar; “yağmur” sinyali kararı değiştirmez, ama “kuru” sinyali değiştirir.

Oyunun üçüncü düzeyinde sinyalin doğruluğu %78'dir ve sinyal ancak 1 birim ödenerek görülebilir. Satın almaya değer mi? Bunu yanıtlamak için sinyalin değeri hesaplanır: sinyalden sonra karar verildiğinde beklenen kazanç eksi yalnız ön olasılıkla karar verildiğinde beklenen kazanç.

Örnek 1.16
  1. “Yağmur” sinyalinin olasılığı. 0,78 · 0,35 + 0,22 · 0,65 = 0,273 + 0,143 = 0,416. “Kuru” sinyalinin olasılığı 0,584'tür.
  2. “Yağmur” gelirse. P(yağmur) = 0,273/0,416 ≈ 0,656. Kapalı seçilir: 3 + 0,656 ≈ 3,656.
  3. “Kuru” gelirse. P(yağmur) = 0,22 · 0,35 / 0,584 = 0,077/0,584 ≈ 0,132. Açık seçilir: 8 − 14 · 0,132 ≈ 6,154.
  4. Sinyalle beklenen kazanç. 0,416 · 3,656 + 0,584 · 6,154 ≈ 5,115.
  5. Sinyalin değeri. Sinyalsiz en iyi kazanç 3,35'tir. Değer 5,115 − 3,35 = 1,765'tir.

Sinyalin bilgi değeri 1,765, fiyatı ise 1'dir. Değer fiyattan büyük olduğu için sinyali satın almaya değer.

Oyunda bir “EU-optimal” sayacı vardır. Bu sayaç şanslı sonuçları değil, eldeki bilgiyle beklenen faydayı maksimize eden kararları sayar. Örneğin “kuru” sinyalinden sonra açık havayı seçen biri, %5,6 olasılıkla yağmura yakalanır ve −6 alır. Bu kötü bir sonuçtur, ama karar iyiydi. Aynı durumda kapalıyı seçip şans eseri 4 alan biri ise kötü bir karar vermiş ama iyi bir sonuç almıştır. Uzun vadede iyi kararlar iyi sonuçların ortalamasını getirir; tek bir sonuç kararın kalitesini göstermez.

1.3.7Rakibin tipini güncellemek

Bayes kuralı, tek kişilik kararlardan oyunlara geçişte bir köprüdür. Eksik bilgili bir oyunda bilinmeyen “durum” çoğu zaman rakibin kendisidir: rakibin elindeki kartlar, rakibin ne tür bir oyuncu olduğu. Rakibin bu gizli özelliğine tip denir. Tipe dair inanç ön olasılıktır; rakibin hamlesi ise kanıttır.

Örnek 1.17

Poker benzeri bir oyunda rakip %20 olasılıkla blöfçü, %80 olasılıkla dürüsttür. Blöfçü, elinden bağımsız olarak %90 olasılıkla yükseltir. Dürüst oyuncu yalnız güçlü eli varken yükseltir; güçlü el %30 olasılıkla geldiği için dürüst oyuncu %30 olasılıkla yükseltir. Rakip yükseltti. Görmek (call) blöfçüye karşı +30, dürüste karşı −30 getirsin; çekilmek 0 getirsin.

  1. Son olasılık. P(blöfçü | yükseltme) = 0,2 · 0,9 / (0,2 · 0,9 + 0,8 · 0,3) = 0,18 / 0,42 ≈ 0,429.
  2. Görmenin beklenen değeri. E[gör] = 0,429 · 30 − 0,571 · 30 ≈ −4,3 < 0. Çekilmek daha iyidir.
  3. İkinci yükseltme (başka bir elde). Ön olasılık artık 0,429'dur: 0,429 · 0,9 / (0,429 · 0,9 + 0,571 · 0,3) ≈ 0,692.
  4. E[gör] = 0,692 · 30 − 0,308 · 30 ≈ +11,5 > 0. Artık görmek kârlıdır.
Tablo 1.11: Rakibin blöfçü olma olasılığı ve görme kararı.
GözlemP(blöfçü)E[gör]Karar
yalnız ön olasılık0,200−18,0çekil
1 yükseltme0,429−4,3çekil
2 yükseltme0,692+11,5gör

Kazanç ve kayıp eşit büyüklükte (30) olduğu için görmek ancak P(blöfçü) > 0,5 iken kârlıdır. Tek yükseltme inancı 0,2'den 0,429'a çıkarır ama eşiğe ulaştırmaz. İkinci yükseltme eşiği aşar. Karar, kanıt biriktikçe değişir.

Bu örnekte sık yapılan hata, P(yükseltme | blöfçü) = 0,9'u P(blöfçü | yükseltme) sanmaktır. Bu, tıbbi testteki taban oranı ihmalinin aynısıdır. Dürüst oyuncular daha kalabalık olduğu için yükseltmelerin çoğu onlardan gelir: toplam yükseltme olasılığı 0,42'nin 0,24'ü dürüstlerden gelir, yani yükseltmelerin yaklaşık %57'si dürüst oyunculara aittir.

Bu bakış, kart oyunlarındaki davranışları açıklar. Poker ve Hokm'da bahis ve koz seçimleri, rakiplerin güncellemesine kanıt olur. Blöf, rakibin güncellemesini yönlendirme çabasıdır: blöfçü, dürüst bir oyuncunun yapacağı hamleyi yaparak rakibin son olasılığını yanlış yöne çeker. Akıllı bir rakip ise bunu bilir ve olabilirlikleri buna göre ayarlar. Bu karşılıklı düşünme, tek kişilik karar kuramından oyun kuramına geçişin tam noktasıdır.

1.4Karar ağaçları ve bilginin değeri

Gerçek kararlar çoğu zaman tek adımda verilmez. Önce bir bilgi toplanır, sonra o bilgiye göre bir karar verilir, sonra doğa sonucu belirler. Böyle sıralı kararları düzenlemenin aracı karar ağacıdır. Bu kısımda bir ürün lansmanı problemini karar ağacıyla çözüyor ve bilginin parasal değerini hesaplıyoruz.

1.4.1Karar ağacının öğeleri

Tanım 1.10

Bir karar ağacı (decision tree) üç tür öğeden oluşur:

  • Karar düğümü (□): Karar verici seçer. Değeri, dallarından en büyük değerdir.
  • Şans düğümü (○; chance node): Doğa seçer. Değeri, dalların olasılıklarla ağırlıklı ortalamasıdır.
  • Yaprak: Bir yolun net sonucu.

Karar ağacı, doğanın da hamle yaptığı bir oyun ağacıdır. Tek fark, doğanın bir oyuncu gibi kendi kazancını düşünmemesi, yalnız olasılıklarla hareket etmesidir. Ağaç geriye doğru çıkarım (backward induction) ile çözülür: yapraklardan başlanır ve köke doğru ilerlenir. Her düğümün değeri, çocuklarının değerleri bilindiğinde hesaplanabilir. Şans düğümünde ortalama, karar düğümünde en büyük değer alınır.

Neden geriye doğru? Çünkü bir karar düğümünde doğru seçimi yapmak için her dalın değerini bilmek gerekir. Bir dalın değeri ise o dalda ileride verilecek kararlara ve gerçekleşecek şans olaylarına bağlıdır. Sondan başlamak, her adımda gereken bilgiyi hazır tutar. Bu yöntem satranç gibi oyunların ağaçlarında da kullanılır.

1.4.2Ürün lansmanı problemi

Bir firma yeni ürünü piyasaya sürüp sürmemeye karar verecek. Pazar iyi giderse (olasılık 2/5) +500, kötü giderse (olasılık 3/5) −200 bin TL kazanılır. Ürün sürülmezse kazanç 0'dır. Firma karar vermeden önce 20 bin TL'ye bir pazar araştırması yaptırabilir. Araştırma raporu kusurludur:

  • Pazar gerçekten iyiyse rapor %80 olasılıkla “olumlu” der: P(olumlu | iyi) = 0,8.
  • Pazar kötüyse rapor %10 olasılıkla yine “olumlu” der: P(olumlu | kötü) = 0,1.

Ağacı çözmek için şans düğümlerindeki olasılıklar gerekir. Araştırma yapılırsa ilk şans olayı raporun kendisidir. Rapordan sonra ise pazarın iyi olma olasılığı rapora göre güncellenmelidir. Bunlar Bayes kuralıyla bulunur.

Örnek 1.18
  1. Olumlu raporun olasılığı. P(olumlu) = 0,4 · 0,8 + 0,6 · 0,1 = 0,32 + 0,06 = 0,38. Olumsuz raporun olasılığı 0,62'dir.
  2. Olumlu raporda pazar iyi. P(iyi | olumlu) = 0,32/0,38 = 16/19 ≈ 0,842.
  3. Olumsuz raporda pazar iyi. İyi pazarda olumsuz rapor olasılığı 0,2'dir: 0,4 · 0,2 = 0,08. P(iyi | olumsuz) = 0,08/0,62 = 4/31 ≈ 0,129.

Olumlu rapor iyi pazar olasılığını 0,4'ten 0,842'ye çıkarır; olumsuz rapor 0,129'a indirir.

Yaprakların net kazançları da hesaplanmalıdır. Araştırma yapılan yollarda 20 bin TL düşülür: iyi pazarda sürmek 500 − 20 = 480, kötü pazarda sürmek −200 − 20 = −220, sürmemek 0 − 20 = −20 verir. Araştırma yapılmayan yollarda yapraklar 500, −200 ve 0'dır.

1.4.3Geriye doğru çıkarım adım adım

AraştırDoğrudanolumlu 19/50olumsuz 31/50SürSürSürİyi 16/19480Kötü 3/19−220Sürme−20İyi 4/31480Kötü 27/31−220Sürme−20İyi 2/5500Kötü 3/5−200Sürme0128128369,5369,5−20−129,78080net kazanç (bin TL)
Şekil 1.9: Ürün lansmanı karar ağacı ve geriye doğru çıkarımın sonucu. Kare karar düğümü, daire şans düğümüdür. Yapraklarda net kazanç (araştırma yapılırsa 20 düşülmüş) yazılıdır. Kalın kırmızı yollar seçilen kararlardır; turuncu kutular düğüm değerleridir.
Örnek 1.19

Şekil 1.9 ağacın tamamını gösterir. Yapraklardan köke doğru ilerleyelim.

  1. Araştırmasız sürme (şans). 2/5 · 500 + 3/5 · (−200) = 200 − 120 = 80.
  2. Araştırmasız karar. max(Sür 80, Sürme 0) = 80 ⇒ Sür. Sürme dalı elenir.
  3. Olumlu raporda sürme (şans). 16/19 · 480 + 3/19 · (−220) = (7680 − 660)/19 = 7020/19 ≈ 369,5.
  4. Olumlu raporda karar. max(369,5, −20) = 369,5 ⇒ Sür.
  5. Olumsuz raporda sürme (şans). 4/31 · 480 + 27/31 · (−220) = (1920 − 5940)/31 = −4020/31 ≈ −129,7.
  6. Olumsuz raporda karar. max(−129,7, −20) = −20 ⇒ Sürme. Yalnız araştırma maliyeti kaybedilir.
  7. Rapor (şans). 0,38 · 369,5 + 0,62 · (−20) = 140,4 − 12,4 = 128.
  8. Kök (karar). max(Araştır 128, Doğrudan 80) = 128 ⇒ Araştır.

En iyi strateji: araştırma yaptır; rapor olumluysa ürünü sür, olumsuzsa sürme. Bu stratejinin beklenen değeri 128 bin TL'dir.

Burada “strateji” sözcüğü önemlidir. Sonuç yalnız “araştır” değildir; her olası rapora karşı ne yapılacağını söyleyen tam bir plandır. Oyun kuramında da strateji böyle tanımlanır: oyuncunun karşılaşabileceği her durumda ne yapacağını önceden belirleyen eksiksiz bir plan.

Yedinci adımdaki hesap küçük bir kısayol içerir: 0,38 · 7020/19 = 0,02 · 7020 = 140,4. Kesirleri sona kadar korumak yuvarlama hatalarını önler. 369,5 yuvarlanmış değeri kullanılsa da sonuç 128'e çok yakın çıkar (140,41 − 12,4 = 128,01).

Sık yapılan hata
  • Kuralları ters çevirmek. Karar düğümünde ortalama, şans düğümünde en büyük değer almak yanlıştır. Doğayı denetleyemeyiz, bu yüzden şans düğümünde ortalama alınır. Kendi kararımızı ise denetleriz, bu yüzden en iyisini seçeriz.
  • Doğayı da lehimize seçtirmek. Her düğümde en büyük dalı almak aşırı iyimserdir: sanki pazar hep iyi gidecekmiş gibi.
  • Yalnız en olası dalı izlemek. Olasılığı düşük ama sonucu büyük dallar (−220 gibi) ortalamaya mutlaka girer.
  • Araştırma maliyetini iki kez düşmek. Maliyet ya yapraklardan düşülür ya da en sonda kökten; ikisi birden yapılırsa 20 iki kez sayılır.

1.4.4Kod izleme: deger()

Geriye doğru çıkarım özyinelemeli (kendini çağıran) bir fonksiyonla kısaca yazılır. Ağacın her düğümü Python'da bir demet (tuple) ile, her yaprak ise bir sayıyla gösterilir. Şans düğümü ("S", [(olasılık, çocuk), …]), karar düğümü ("K", [(ad, çocuk), …]) biçimindedir.

def deger(n):
    if not isinstance(n, tuple):    # yaprak
        return n
    tur, dallar = n
    if tur == "S":                  # şans düğümü
        return sum(p * deger(c) for p, c in dallar)
    return max(deger(c) for ad, c in dallar)  # karar

Kod satır satır şöyle çalışır:

  • n bir demet değilse bir yapraktır; değeri sayının kendisidir ve doğrudan döndürülür. Özyinelemenin durma koşulu budur.
  • Demetse iki parçaya ayrılır: tur ("S" ya da "K") ve dallar listesi.
  • Şans düğümünde her dalın değeri deger(c) ile özyinelemeli olarak bulunur, olasılığıyla çarpılır ve toplanır.
  • Karar düğümünde dalların değerlerinin en büyüğü döndürülür. Dalın adı (ad) hesapta kullanılmaz; yalnız okunabilirlik içindir.

Lansman ağacı bu biçimde şöyle yazılır:

agac = ("K", [
    ("Araştır", ("S", [
        (0.38, ("K", [("Sür", ("S", [(16/19, 480), (3/19, -220)])),
                      ("Sürme", -20)])),
        (0.62, ("K", [("Sür", ("S", [(4/31, 480), (27/31, -220)])),
                      ("Sürme", -20)]))])),
    ("Doğrudan", ("K", [("Sür", ("S", [(0.4, 500), (0.6, -200)])),
                        ("Sürme", 0)]))])

deger(agac) çağrısı ağacı derinlik öncelikli dolaşır: bir dala girer, o dalın en derinine iner, değeri hesaplayıp geri döner, sonra bir sonraki dala geçer. Tablo 1.12 çağrıların sırasını ve dönen değerleri gösterir. “Yığın” sütunu o anda açık olan çağrıları gösterir; her yeni çağrı yığının üstüne eklenir, her dönüş üstteki çağrıyı kaldırır.

Tablo 1.12: deger(agac) izlemesi. Yaprak çağrıları ve bir düğüme giriş ile o düğümün ilk çocuğuna iniş, kısalık için tek satırda gösterilmiştir.
AdımÇağrı / dönüşHesapYığın derinliği
1deger(kök) — kararçocuklar sırayla1
2deger(Araştır) — şansçocuklar sırayla2
3deger(olumlu) — kararçocuklar sırayla3
4deger(olumlu·Sür) — şans0,842 · 480 + 0,158 · (−220) = 369,54
5olumlu dönermax(369,5, −20) = 369,5 → Sür3
6deger(olumsuz·Sür) — şans0,129 · 480 + 0,871 · (−220) = −129,74
7olumsuz dönermax(−129,7, −20) = −20 → Sürme3
8Araştır döner0,38 · 369,5 + 0,62 · (−20) = 128,02
9deger(Doğrudan·Sür) — şans0,4 · 500 + 0,6 · (−200) = 80,03
10Doğrudan dönermax(80, 0) = 80 → Sür2
11kök dönermax(128,0, 80,0) = 128,0 → Araştır1

Fonksiyon 128.0 döndürür; elle bulunan değerin aynısıdır. Kod yalnız değeri döndürür, hangi dalın seçildiğini döndürmez. Stratejiyi de elde etmek için karar düğümünde max ile birlikte dalın adını da saklamak gerekir. Fonksiyonun çalışma süresi ağaçtaki düğüm sayısıyla orantılıdır, çünkü her düğüm tam bir kez ziyaret edilir. Bu ağaçta 17 düğüm vardır: 4 karar düğümü (kök, olumlu, olumsuz, Doğrudan), 4 şans düğümü ve 9 yaprak.

1.4.5Mükemmel bilginin değeri (EVPI)

Araştırma yapmak, araştırmasız karara göre beklenen değeri 80'den 128'e çıkardı. Bilginin ne kadar değerli olduğunu sistemli olarak ölçmek için iki kavram kullanılır. Birincisi, hiçbir kusuru olmayan bir bilgi kaynağının değeridir.

Tanım 1.11

Mükemmel bilginin beklenen değeri (expected value of perfect information, EVPI), durumu önceden kesin olarak bilseydik elde edeceğimiz beklenen değer ile bilgi olmadan elde edilen en iyi beklenen değer arasındaki farktır:

EVPI = E[mükemmel bilgiyle değer] − E[bilgisiz en iyi değer]

Mükemmel bilgiyi bir kâhin gibi düşünmek kolaydır. Kâhin pazarın iyi mi kötü mü olacağını önceden söyler. Ama kâhinin ne diyeceği de önceden bilinmez: %40 olasılıkla “iyi”, %60 olasılıkla “kötü” der. Bu yüzden mükemmel bilgiyle değer de bir beklenen değerdir.

Örnek 1.20
  1. Bilgi yok. En iyi eylem sürmektir: 0,4 · 500 + 0,6 · (−200) = 80.
  2. Kâhin “iyi” derse ürün sürülür ve 500 kazanılır. “Kötü” derse sürülmez ve 0 kazanılır.
  3. Mükemmel bilgiyle beklenen değer. 0,4 · 500 + 0,6 · 0 = 200.
  4. EVPI. 200 − 80 = 120.

Hiçbir bilgi kaynağına 120 bin TL'den fazla ödenmez. Kusurlu bir rapor, kâhinden daha değerli olamaz.

EVPI'nın nereden geldiğine bakmak öğreticidir. Bilgi olmadan ürün her durumda sürülür. Kâhin yalnız kötü pazarda kararı değiştirir: sürmek yerine sürmemeyi seçtirir ve −200'lük kaybı önler. Bu kazanç %60 olasılıkla gerçekleşir: 0,6 · 200 = 120. EVPI tam olarak kararı değiştiren durumların beklenen kazancıdır.

1.4.6Örnek bilginin değeri (EVSI)

Gerçek bilgi kaynakları kusurludur. Pazar araştırması bazen yanılır. Kusurlu bilginin değeri EVPI'dan küçüktür ve ayrıca hesaplanmalıdır.

Tanım 1.12

Örnek bilginin beklenen değeri (expected value of sample information, EVSI), kusurlu bir bilgi kaynağı maliyetsiz olsaydı elde edilecek beklenen değer ile bilgisiz en iyi beklenen değer arasındaki farktır. Bilgi kaynağı ancak maliyeti EVSI'dan küçükse kullanılmalıdır. Her zaman 0 ≤ EVSI ≤ EVPI'dır.

Örnek 1.21
  1. Araştırmalı ağacın değeri 128'dir, ama bu değerde araştırma maliyeti (20) düşülmüştür.
  2. Maliyetsiz araştırmanın değeri. Maliyet geri eklenir: 128 + 20 = 148. Bu, araştırma bedava olsaydı elde edilecek beklenen değerdir.
  3. EVSI. 148 − 80 = 68.
  4. Karar. EVSI = 68 > maliyet 20 ⇒ araştırma yapılmalıdır. Net kazanç 68 − 20 = 48'dir; bu da 128 − 80'e eşittir.
  5. Verimlilik. EVSI / EVPI = 68/120 ≈ %57. Kusurlu rapor, mükemmel bilginin değerinin yarısından biraz fazlasını yakalar.
Tablo 1.13: Bilginin değeri, ürün lansmanı örneği (bin TL).
DurumHesapDeğer
Bilgi yok (hemen karar)Sür: 0,4 · 500 + 0,6 · (−200)80
Mükemmel bilgi (kâhin)iyi → sür 500, kötü → sürme 0: 0,4 · 500 + 0,6 · 0200
EVPI200 − 80120
Örnek bilgi (araştırma, maliyetsiz)ağaçtaki 128 + araştırma maliyeti 20148
EVSI148 − 8068

EVSI bir eşik görevi görür. Araştırmanın maliyeti 68'den küçükse araştırma yapılır, büyükse yapılmaz. Örneğin araştırma 70 bin TL olsaydı EVSI = 68 < 70 olurdu. Araştırmalı yolun değeri 148 − 70 = 78'e düşer ve doğrudan sürmenin 80'inden küçük kalır. En iyi strateji araştırmadan doğrudan sürmek olurdu (beklenen 80).

Bilgi neden değerlidir? Çünkü kararı değiştirebilir. Bu örnekte olumsuz rapor “sürme” kararına yol açar; araştırmanın değeri pozitiftir. Olumsuz rapor bile sürmeyi daha iyi gösterseydi, rapor ne derse desin aynı karar verilirdi ve araştırmanın değeri sıfır olurdu. Bu ilke, bilgi toplamanın genel kuralıdır: hiçbir sonucu kararı değiştirmeyecek bir test, ne kadar doğru olursa olsun, para etmez.

Sık yapılan hata
  • EVSI'yı maliyeti geri eklemeden hesaplamak. 128 − 80 = 48 net kazançtır, EVSI değildir. EVSI, maliyetsiz araştırmanın değeriyle hesaplanır: 148 − 80 = 68.
  • Araştırma kararını EVPI ile vermek. EVPI yalnız bir üst sınırdır. Maliyet EVPI'dan küçük ama EVSI'dan büyükse araştırma yapılmaz.
  • Bilgisiz değeri sıfır almak. Karşılaştırma “hiçbir şey yapmamak”la değil, bilgisiz en iyi kararla (burada 80) yapılır.

1.5Tartışma: risk ve belirsizlik altında daha iyi karar

Bölümün araçları birlikte bir karar verme yöntemi oluşturur. Bu yöntem dört ilkeyle özetlenebilir.

  • Bilginin değeri hesaplanır. Güncel veri kararı iyileştirir, ama bilgi toplamak ücretsiz değildir. Bilgi toplamak ancak EVSI maliyetinden büyükse kârlıdır. EVPI ise ödenebilecek en yüksek bedelin üst sınırıdır.
  • Senaryolar ve karar ağacı açıkça yazılır. Olası durumlar ve olasılıkları açıkça yazılınca ağaç geriye doğru çözülebilir. Ağacı çizmek, gözden kaçan seçenekleri (ör. “önce araştır”) görünür kılar.
  • Ön olasılık hesaba katılır. Taban oranları Bayes kuralıyla son olasılığa girer. Doğal sıklıklarla düşünmek (“10.000 kişiden kaçı?”) taban oranı ihmalini azaltır.
  • Rakipler ve çeşitlendirme düşünülür. Sonucu doğa değil başka karar vericiler belirliyorsa, oyun kuramı ve simülasyon rakip davranışını modeller. Birbirinden bağımsız risklere yayılmak (portföy çeşitlendirmesi) toplam riski azaltır; sigortacının yaklaşık risk nötr davranabilmesinin nedeni de budur.

Bu ilkelerin hepsi bir ayrıma dayanır: kararın kalitesi ile sonucun kalitesi farklı şeylerdir. Beklenen faydayı maksimize eden bir karar, şans kötü giderse kötü bir sonuç verebilir. Kararları sonuçlarına göre yargılamak, şansın payını kararın payı sanmak demektir. Bir karar, verildiği anda mevcut olan bilgiyle değerlendirilmelidir.

1.5.1Karar problemleri için kontrol listesi

Bir karar problemiyle karşılaşıldığında şu sorular sırayla sorulabilir:

  1. Seçenekler (eylemler) nelerdir? Sonucu belirleyen durumlar nelerdir?
  2. Durumların olasılıkları biliniyor mu? Biliniyorsa risk altında karar (beklenen fayda), bilinmiyorsa belirsizlik altında karar (maksimin, Laplace, Savage, Hurwicz) söz konusudur.
  3. Sonuçlar para ise karar verici risk nötr mü? Değilse fayda fonksiyonu ya da kesinlik eşdeğeri kullanılır.
  4. Bir kanıt (test, rapor, sinyal) var mı? Varsa ön olasılık Bayes kuralıyla güncellenir; olabilirlik ile son olasılık karıştırılmaz.
  5. Kararlar sıralı mı? Öyleyse karar ağacı çizilir ve geriye doğru çözülür.
  6. Ek bilgi satın alınabiliyor mu? EVSI hesaplanır ve maliyetle karşılaştırılır.

1.5.2Dört kısa problem

Aşağıdaki dört problem bölümün dört ana hesabını tekrar eder. Her biri, bölümdeki bir örneğin bir sayısı değiştirilerek elde edilmiştir.

Örnek 1.22

Piyango: %20 olasılıkla 2.500 TL, aksi hâlde 100 TL. Fayda u(x) = √x. Beklenen değer, kesinlik eşdeğeri ve risk primi nedir?

  1. E[X] = 0,2 · 2.500 + 0,8 · 100 = 500 + 80 = 580 TL.
  2. E[u] = 0,2 · √2.500 + 0,8 · √100 = 0,2 · 50 + 0,8 · 10 = 10 + 8 = 18.
  3. KE = 182 = 324 TL.
  4. Risk primi = 580 − 324 = 256 TL.
Örnek 1.23

Sigorta örneğinde kayıp olasılığı %10 yerine %20 olsaydı en fazla ödenecek prim ne olurdu?

  1. E[u] = 0,8 · 30 + 0,2 · 10 = 24 + 2 = 26.
  2. KE = 262 = 676.
  3. En yüksek prim 900 − 676 = 224. Beklenen kayıp 0,2 · 800 = 160'tır.

Anlaşma bölgesi 160 ile 224 arasıdır ve genişliği 64'e çıkmıştır. Kayıp olasılığı artınca risk de artar, risk primi büyür.

Örnek 1.24

Tıbbi testte yaygınlık %10 olsaydı (duyarlılık %90, yanlış pozitif %9) P(hasta | +) kaç olurdu?

  1. Pay: 0,9 · 0,1 = 0,09. Payda: 0,09 + 0,09 · 0,9 = 0,09 + 0,081 = 0,171.
  2. P = 0,09/0,171 = 10/19 ≈ %52,6.

Taban oranı yükselince pozitif sonuç çok daha anlamlı hâle gelir: %9,2 yerine %52,6.

Örnek 1.25

Karar ağacında araştırma 70 bin TL olsaydı en iyi strateji ne olurdu?

  1. EVSI maliyetten bağımsızdır: 68.
  2. 68 < 70: araştırmanın beklenen katkısı maliyetini karşılamaz.
  3. En iyi strateji doğrudan sürmektir; beklenen değer 80'dir.

1.5.3Etkileşimli oyunlar

Bölümün kavramları ders sitesindeki birkaç oyunda doğrudan karşılık bulur:

  • Bayesçi Karar Laboratuvarı: ön olasılık, olabilirlik ve kazançlara göre son olasılık ve karar; üçüncü düzeyde bilginin değeri.
  • Blackjack: kart çekme ya da durma kararında batma olasılığı ve temel strateji.
  • Mayın Tarlası: açılan sayılara göre hücrelerin mayın olasılığını güncelleme.
  • Pişti: oynanan kartları hatırlayarak rakibin elindeki kartlar hakkında çıkarım.
  • Hokm: eksik bilgili, takım hâlinde oynanan kart oyunu; koz seçimi ve sinyalleşme.
  • Poker: eksik bilgi, olasılık ve blöf; rakibin elini olasılıkla tahmin etme.
  • Tavla: zarlı oyunda hamleleri sezgisel bir değerlendirme fonksiyonuyla puanlama; üç farklı ağırlık profili.

Bu oyunların hepsinde aynı döngü vardır: bir inanç tutulur, yeni gözlemle güncellenir ve güncel inançla beklenen kazancı en büyük hamle seçilir. Tavla gibi şans düğümlü oyunlarda hamle seçimi, zarların olası sonuçları üzerinde ortalama alan bir karar ağacı aramasıdır.

1.6Özet

  • Beklenen fayda: E[u] = Σ pi u(xi). Piyango A (½: 900; ½: 0) için E[X] = 450, ama √x ile E[u] = 15 < u(400) = 20; beklenen değer A'yı, beklenen fayda B'yi seçer. St. Petersburg paradoksu, beklenen değerin tek başına yetmediğini gösterir.
  • vNM aksiyomları (tamlık, geçişlilik, süreklilik, bağımsızlık) sağlanıyorsa karar verici beklenen faydayı maksimize eder. Allais seçimleri bağımsızlığı, Ellsberg seçimleri tutarlı bir olasılık inancını çiğner.
  • Fayda ölçeği: a · u + b (a > 0) dönüşümü hiçbir piyango kararını değiştirmez; afin olmayan artan dönüşümler değiştirebilir. Fayda farkları ve kişiler arası karşılaştırmalar anlamlı değildir.
  • Risk tutumu: içbükey → kaçınan (KE 225, prim 225); doğrusal → nötr (prim 0); dışbükey → seven (prim negatif). Jensen eşitsizliği bu sınıflandırmanın temelidir. Sigortada 80 ile 116 arasındaki primler iki tarafa da kazandırır.
  • Belirsizlik ölçütleri: aynı tabloda maksimin Yatırım yok, maksimaks ve Laplace Büyük, Savage Küçük yatırımı seçer. Hurwicz ölçütü iyimserlik katsayısıyla iki uç arasında geçiş yapar.
  • Bayesçi karar: yaygınlık %1, duyarlılık %90, yanlış pozitif %9 ⇒ P(hasta | +) ≈ %9,2. Ardışık testlerde son olasılık bir sonraki testin ön olasılığıdır. Tedavi, beklenen kaybı küçük olduğunda, yani p > 3/23 iken seçilir.
  • Karar ağacı: şans düğümünde ortalama, karar düğümünde en büyük değer alınır. Araştır (128) > araştırmasız (80); EVPI = 120, EVSI = 68. Bilgi ancak kararı değiştirebiliyorsa değerlidir.
Tablo 1.14: Bölümün kavramları bir bakışta.
KavramNe söyler?Nasıl hesaplanır?
Beklenen faydaRiskli seçeneklerin değeriΣ pi u(xi)
Kesinlik eşdeğeriPiyangoya denk kesin tutaru−1(E[u])
Risk primiRiskten kurtulmanın bedeliE[X] − KE
Maksimin / SavageOlasılıksız kararEn kötüyü büyüt / en büyük pişmanlığı küçült
Bayes kuralıKanıtla inanç güncellemePay / (pay + yanlış alarm)
Bayesçi karar kuralıSon olasılıkla en iyi eylemEn küçük beklenen kayıp
Geriye doğru çıkarımSıralı kararlarda en iyi stratejiŞansta ortalama, kararda maksimum
EVPI / EVSIBilginin parasal değeriBilgiyle değer − bilgisiz değer

1.7Kavram listesi

Terimlerin İngilizce karşılıkları ve öteki bölümlerdeki kullanımları terim sözlüğünde bulunur.

1.8Kendini Dene

  1. Piyango M: %40 olasılıkla 1.600 TL, %60 olasılıkla 100 TL. Fayda u(x) = √x. Beklenen değer, beklenen fayda, kesinlik eşdeğeri ve risk primi nedir? Bu kişi M ile kesin 500 TL arasında neyi seçer?

    Cevap

    E[M] = 0,4 · 1.600 + 0,6 · 100 = 640 + 60 = 700 TL. E[u] = 0,4 · 40 + 0,6 · 10 = 16 + 6 = 22. KE = 222 = 484 TL; risk primi 700 − 484 = 216 TL. Kesin 500 TL, KE'den büyüktür (√500 ≈ 22,4 > 22); kişi kesin 500 TL'yi seçer. Risk nötr biri ise 700 > 500 olduğu için M'yi seçerdi.

  2. Bir karar vericinin fayda fonksiyonu u'dur. Aşağıdakilerden hangileri onun bütün piyango tercihlerini aynen korur: v1 = 4u + 7, v2 = u2 (u ≥ 0 iken), v3 = −2u + 1, v4 = u/3 − 10?

    Cevap

    v1 ve v4 korur: ikisi de a · u + b biçimindedir ve a pozitiftir (4 ve 1/3). v3 afindir ama a = −2 < 0; bütün sıralamayı tersine çevirir. v2 artan ama afin değildir; kesin sonuçların sırasını korur, piyangolar arasındaki sırayı değiştirebilir (√x'in karesi x'tir ve A ile B'nin kararını tersine çevirir).

  3. Servet 2.500 (bin TL); %4 olasılıkla 2.400'lük kayıp olur ve geriye 100 kalır. Fayda u(x) = √x. Kişinin tam sigorta için ödemeye razı olduğu en yüksek prim ve risk nötr sigortacının isteyeceği en düşük prim nedir?

    Cevap

    Sigortasız E[u] = 0,96 · 50 + 0,04 · 10 = 48 + 0,4 = 48,4. KE = 48,42 = 2.342,56. En yüksek prim 2.500 − 2.342,56 = 157,44. Beklenen kayıp 0,04 · 2.400 = 96; sigortacı en az bunu ister. 96 ile 157,44 arasındaki primler iki tarafa da kazandırır. Aradaki 61,44, kişinin risk primidir (beklenen servet 2.404 − KE 2.342,56). Olasılık küçük olsa da kayıp büyük olduğu için kişinin razı olduğu en yüksek prim beklenen kaybın yaklaşık 1,64 katıdır.

  4. Olasılıklar bilinmiyor. Kazançlar: A (İyi 60, Orta 30, Kötü −40), B (40, 20, 0), C (100, −10, −60). Maksimin, maksimaks, Laplace, Savage ve α = 0,6 ile Hurwicz hangi eylemi seçer?

    Cevap

    Satır minimumları −40, 0, −60 ⇒ maksimin B. Maksimumlar 60, 40, 100 ⇒ maksimaks C. Ortalamalar 16,7, 20, 10 ⇒ Laplace B. Sütun en iyileri 100, 30, 0; pişmanlıklar A (40, 0, 40), B (60, 10, 0), C (0, 40, 60); en büyükler 40, 60, 60 ⇒ Savage A. Hurwicz: A 0,6 · 60 + 0,4 · (−40) = 20, B 0,6 · 40 + 0 = 24, C 0,6 · 100 + 0,4 · (−60) = 36 ⇒ C. Beş ölçüt üç farklı eylem seçer.

  5. Bir hastalığın yaygınlığı %2, testin duyarlılığı %95, yanlış pozitif oranı %5'tir. 10.000 kişilik toplulukta doğal sıklıklarla P(hasta | +) kaçtır? Test negatif çıkan birinin hasta olma olasılığı kaçtır?

    Cevap

    200 hasta: 190 pozitif, 10 negatif. 9.800 sağlıklı: 490 pozitif, 9.310 negatif. P(hasta | +) = 190/(190 + 490) = 190/680 ≈ %27,9. P(hasta | −) = 10/(10 + 9.310) = 10/9.320 ≈ %0,11. Negatif sonuç hastalığı neredeyse dışlar; pozitif sonuç ise hâlâ çoğunlukla yanlış alarmdır.

  6. Önceki sorudaki pozitif testten sonra hekim karar veriyor. Sağlıklıya gereksiz tedavinin kaybı 40, hastayı tedavi etmemenin kaybı 160'tır. Tedavi eşiği nedir ve karar ne olur?

    Cevap

    Tedavi (1 − p) · 40 < p · 160 iken seçilir: 40 < 200p ⇒ p > 0,2. p ≈ 0,279 > 0,2 olduğu için tedavi seçilir. Beklenen kayıplar: tedavi (490/680) · 40 ≈ 28,8, bekle (190/680) · 160 ≈ 44,7.

  7. Bir firmanın yeni ürünü iyi pazarda (olasılık 0,5) +300, kötü pazarda (0,5) −250 bin TL getirir; sürmezse 0. (a) Bilgisiz en iyi karar ve EVPI nedir? (b) Maliyetsiz bir araştırma için P(olumlu | iyi) = 0,8, P(olumlu | kötü) = 0,3'tür. EVSI kaçtır?

    Cevap

    (a) Sür: 0,5 · 300 + 0,5 · (−250) = 25 > 0 ⇒ sür, 25. Kâhinle 0,5 · 300 + 0,5 · 0 = 150; EVPI = 150 − 25 = 125. (b) P(olumlu) = 0,4 + 0,15 = 0,55. P(iyi | olumlu) = 0,4/0,55 = 8/11; sürmek 8/11 · 300 + 3/11 · (−250) = 1650/11 = 150 ⇒ sür. P(iyi | olumsuz) = 0,1/0,45 = 2/9; sürmek 2/9 · 300 + 7/9 · (−250) ≈ −127,8 ⇒ sürme (0). Araştırmalı değer 0,55 · 150 + 0,45 · 0 = 82,5; EVSI = 82,5 − 25 = 57,5 ≤ EVPI = 125.

  8. Rakip %25 olasılıkla blöfçüdür. Blöfçü bir elde %60, dürüst oyuncu %20 olasılıkla yükseltir. Bir yükseltmeden sonra ve (başka bir elde) ikinci yükseltmeden sonra rakibin blöfçü olma olasılığı nedir? Görmek blöfçüye karşı +20, dürüste karşı −40 getirirse hangi gözlemden sonra görmek kârlıdır?

    Cevap

    Birinci yükseltme: 0,25 · 0,6 / (0,15 + 0,75 · 0,2) = 0,15/0,30 = 0,5. İkinci yükseltme: 0,5 · 0,6 / (0,3 + 0,5 · 0,2) = 0,3/0,4 = 0,75. Görmek 20p − 40(1 − p) > 0 ⇒ p > 2/3 iken kârlıdır. Birinci yükseltmeden sonra 0,5 < 2/3, çekilinir; ikinci yükseltmeden sonra 0,75 > 2/3, görülür (E[gör] = 15 − 10 = 5).

1.9İleri okuma

  • S. Russell ve P. Norvig, Artificial Intelligence: A Modern Approach (2020), Bölüm 12–16: olasılık, Bayes kuralı, fayda kuramı, karar ağaçları ve bilginin değerini yapay ajanlar açısından adım adım anlatır.
  • H. Raiffa, Decision Analysis (1968): karar ağaçlarını ve örnek bilginin değerini iş kararları üzerinden sunan klasik bir giriş kitabıdır.
  • G. Gigerenzer ve U. Hoffrage, “How to improve Bayesian reasoning without instruction: Frequency formats” (1995): doğal sıklıkların Bayes hesabını neden kolaylaştırdığını deneylerle gösterir.
  • D. Easley ve J. Kleinberg, Networks, Crowds, and Markets (2010), Bölüm 16: Bayes kuralının, insanların birbirini izleyerek karar verdiği bilgi çağlayanlarında nasıl kullanıldığını anlatır.

1.10Kaynaklar

  1. M. Allais, “Le comportement de l'homme rationnel devant le risque: critique des postulats et axiomes de l'école américaine”, Econometrica 21(4), 503–546, 1953.
  2. D. Bernoulli, “Specimen theoriae novae de mensura sortis”, Commentarii Academiae Scientiarum Imperialis Petropolitanae 5, 1738.
  3. W. Casscells, A. Schoenberger, T. B. Graboys, “Interpretation by physicians of clinical laboratory results”, New England Journal of Medicine 299, 999–1001, 1978.
  4. D. Easley, J. Kleinberg, Networks, Crowds, and Markets, Cambridge University Press, 2010 (Bölüm 16: bilgi çağlayanları ve Bayes kuralı).
  5. D. Ellsberg, “Risk, ambiguity, and the Savage axioms”, Quarterly Journal of Economics 75(4), 643–669, 1961.
  6. G. Gigerenzer, U. Hoffrage, “How to improve Bayesian reasoning without instruction: Frequency formats”, Psychological Review 102(4), 684–704, 1995.
  7. H. Raiffa, Decision Analysis: Introductory Lectures on Choices under Uncertainty, Addison-Wesley, 1968.
  8. S. Russell, P. Norvig, Artificial Intelligence: A Modern Approach, 4. baskı, Pearson, 2020 (Bölüm 12–16: belirsizlik, Bayes, karar kuramı).
  9. L. J. Savage, “The theory of statistical decision”, Journal of the American Statistical Association 46, 55–67, 1951.
  10. J. von Neumann, O. Morgenstern, Theory of Games and Economic Behavior, Princeton University Press, 1944.

Araç: Gambit (şans düğümlü ağaçları çizip geriye doğru çözer) · Networks, Crowds, and Markets çevrimiçi sürümü · © Sercan Külcü. Tüm hakları saklıdır.