Сигнал и шум. Почему одни прогнозы сбываются, а другие – нет

На все это я могу сказать только то, что вы не справились с заданием. Очевидно, что вы вычислили, как открыть эти три конкретных замка. Однако вы ничего не сделали для создания теории, позволяющей открывать замки, когда комбинация неизвестна нам заранее. Допустим, я бы хотел узнать, можно ли открывать эти замки с помощью скрепки из хорошей стали или же следует воспользоваться каким-то присущим им механическим дефектом. Даже если бы это вам не удалось, вы могли бы найти какой-то обходной маневр – например, какие-то цифры, которые появляются в комбинациях чаще других. Вы же дали мне слишком конкретное решение для общей проблемы. Это и есть оверфиттинг, и он способен привести к ухудшению любых прогнозов.

Название оверфиттинг (оverfitting) связано с тем, что статистические модели «подстраиваются, подгоняются» (fit) под прошлые наблюдения. Степень подгонки может быть слишком общей. И такое явление называется «андерфиттингом» (underfitting). При андерфиттинге вы захватываете меньшую часть сигнала по сравнению с максимально возможной. Либо же модель может обладать свойством оверфиттинга, иными словами, ваши данные содержат слишком много шума, что не позволяет четко выявить структуру, лежащую в их основе. На практике второй тип ошибки встречается намного чаще.

Чтобы понять, как это работает, давайте использовать допущение, которого в реальной жизни не бывает почти никогда. Мы будем точно знать, как должны выглядеть реальные данные. На графике на рис. 5.4 изображена гладкая параболическая кривая с максимумом посередине. Такой кривой можно описывать любые интересные для нас данные из реального мира. Например, как мы уже видели в главе 3, именно такая кривая довольно четко описывает изменение результативности бейсболистов с увеличением возраста, поскольку они значительно более результативны в середине своей карьеры, чем в конце или начале.

Рис. 5.4. Истинное распределение данных

Однако мы не можем наблюдать эту зависимость напрямую. Вместо этого мы имеем набор отдельных точек, характеризующих данные, на базе которых мы должны найти закономерность. Кроме этого, на эти точки данных влияет масса своеобразных обстоятельств – иными словами, у нас имеются и сигнал, и некоторый шум.

На график я нанес 100 точек данных, представленных в виде кругов и треугольников. Этого должно быть достаточно для выявления сигнала даже с учетом шума. Хотя в данных и присутствует некая доля случайности, вполне понятно, что они в целом следуют нашей кривой.

Но что произойдет, если объем данных, имеющийся в нашем распоряжении, окажется более ограниченным (как обычно и происходит в реальной жизни)? Очевидно, что это приведет к увеличению ошибки. На графике, приведенном на рис. 5.5a, показаны примерно 25 точек из сотни. Каким образом вы могли бы теперь соединить эти точки?

Рис. 5.5а. Ограниченная выборка данных

Рис. 5.5б. Хорошо подобранная модель

Разумеется, зная, как должна выглядеть подлинная тенденция, вы будете склонны соединять точки в виде некоторой кривой. На практике моделирование таких данных с помощью простого математического инструмента, известного как квадратное уравнение, действительно помогает выявить связь, очень похожую на истинную (рис. 5.5б).

В ситуациях, когда мы не знаем, какими должны быть наши данные, но хотим, чтобы они соответствовали «платоническому идеалу», мы часто склонны проявлять жадность. На рис. 5.5в отражен результат такого поведения – модель с оверфиттингом. При создании этого графика была разработана комплексная функция{354}, которая отыскивает каждую из отдаленных точек данных. При попытке «увязать» их между собой значение функции колеблется (довольно невероятным образом) вверх и вниз. И в результате мы еще больше удаляемся от понимания истинной связи, и прогнозы, которые мы делаем, становятся еще менее качественными.

Казалось бы, что избежать подобной ошибки легко, но только в том случае, если бы мы были всемогущи и всегда представляли себе структуру данных. Однако почти всегда в реальных условиях нам приходится действовать по индукции[79], находя структуру на основе имеющихся данных. Скорее всего, в вашей модели будет проявляться оверфиттинг, когда объем данных ограничен, сами данные засорены шумом, а ваше понимание фундаментальных связей достаточно слабо. И эти обстоятельства принимаются во внимание при прогнозировании землетрясений.