Beta–Binomial: Anteil aktualisieren, Entscheidung nicht verstecken
Abgedeckte PRD-Themen
- generative model, likelihood, prior, evidence or marginal likelihood, and posterior
- posterior predictive distribution and prior/posterior predictive checks
- Beta-Binomial, Gamma-Poisson, and Normal-Normal conjugate updates
Szenario & Geltungsgrenze
Allgemeines synthetisches Lernbeispiel: In zehn unabhängigen Versuchen treten sieben Erfolge auf. Es gibt weder Personenbezug noch APKV-Daten. Die zukünftige Erfolgswahrscheinlichkeit p wird innerhalb dieses stabil angenommenen Prozesses geschätzt.
Estimand & Entscheidung
Estimand ist die unbekannte Erfolgswahrscheinlichkeit p im definierten künftigen Prozess. Die beobachtete Quote 7/10 ist eine Datensummary, nicht der Parameter; die Entscheidung betrifft eine begrenzte Pilotaktion, nicht die Wahrheit einer Hypothese.
Generatives Modell & Evidenz
Generativ: p ~ Beta(α,β), danach X|p ~ Binomial(n,p). Die Likelihood ist proportional zu p^x(1−p)^(n−x). Die Evidenz integriert Likelihood·Prior über p und normalisiert den Posterior; für das konjugate Update muss sie nicht separat numerisch berechnet werden.
Prior
Arbeitsprior Beta(2,8) hat Mittel 0,20 und effektive Priorstärke 10. Vor Daten wird per prior-prädiktiver Simulation geprüft, ob Erfolgszahlen von 0 bis 10 und besonders extreme Werte fachlich plausibel gewichtet werden; 'uninformativ' ist kein automatisches Qualitätssiegel.
Likelihood
x=7 Erfolge aus n=10 unabhängigen, austauschbaren Bernoulli-Versuchen mit konstantem p. Abhängige Wiederholungen, wechselndes p, optionales Stoppen oder selektive Erfassung verletzen dieses einfache Modell.
Posterior
Beta(2+7, 8+3)=Beta(9,11). Posterior-Mittel 0,45; Posterior-Varianz 0,011786. P(p>0,40|Daten)=0,6675 und P(p>0,50|Daten)=0,3238. Diese Wahrscheinlichkeiten beziehen sich auf p unter Modell und Prior, nicht auf eine frequentistische Nullhypothese.
Posterior-prädiktiv
Für einen neuen Versuch ist P(Y=1|Daten)=E[p|Daten]=0,45. Für fünf neue Versuche folgt Beta–Binomial(5,9,11): erwartete Erfolge 2,25 und P(mindestens 3 Erfolge)=0,4146; Parameterunsicherheit bleibt in der Vorhersage enthalten.
Predictive Check
Posterior-prädiktiv werden replizierte Erfolgszahlen mit x=7 verglichen, aber auch eine entscheidungsrelevante Tail-Statistik. Gute Replikation beweist das Modell nicht; systematische Gruppen-, Zeit- oder Streuungsmuster würden ein reichhaltigeres Modell verlangen.
Sensitivität
Beta(1,1) liefert Posterior-Mittel 8/12=0,6667; die stärkere skeptische Beta(8,32) liefert 15/50=0,30. Diese große Spannweite bei n=10 muss berichtet werden. Die Priorstärke wird fachlich begründet und prior-prädiktiv stressgetestet, nicht nach erwünschtem Ergebnis gewählt.
Entscheidungsinterpretation
Bei Nutzen U(Aktion,p)=10p−4 ist der posterior erwartete Nutzen 0,50 und damit positiv. Eine vorab gesetzte Sicherheitsregel P(p>0,40)>0,80 wird mit 0,6675 dennoch verfehlt: kein breiter Rollout, sondern mehr Evidenz oder kleiner reversibler Pilot. Erwarteter Nutzen und Risikogrenze sind getrennte Kriterien.
Frequentistischer Kontrast
Ein frequentistischer Pfad würde denselben Prozess etwa über Punktschätzung und Konfidenzintervall für p analysieren; dessen 95%-Abdeckung ist eine Langfristeigenschaft des Verfahrens. Das 95%-Credible-Intervall wäre dagegen eine Posteriorwahrscheinlichkeitsaussage unter Prior und Modell. Keiner der Ansätze repariert schlechtes Sampling.
Berechnung & Diagnostik
Das konjugate Update ist geschlossen berechenbar. Für nichtkonjugate Erweiterungen werden Posteriorziehungen benötigt; dann sind Rechenfehler und Posteriorunsicherheit getrennt zu diagnostizieren.
Geprüfte Rechnung
- Posteriorparameter: α'=2+7=9 und β'=8+(10−7)=11.
- E[p|y]=9/(9+11)=0,45; Var(p|y)=9·11/[20²·21]=0,0117857.
- Für ganzzahlige Beta-Parameter ergibt die Beta-Binomial-Beziehung P(p>0,40)=0,667481 und P(p>0,50)=0,323803.
- Posterior-prädiktiv: E[K|y]=5·0,45=2,25 und P(K≥3)=0,414596.
- Sensitivität: Beta(1,1) → 0,6667; Beta(8,32) → 0,30 Posterior-Mittel.
Mündliche Originalfrage & Detailrubrik
Frage: Führe das Beta–Binomial-Update laut durch, erkläre die posterior-prädiktive Größe und entscheide bei der 80%-Sicherheitsregel. Welche Prior- und Prozesssensitivität nennst du ungefragt?
0–4-Rubrik: 0: setzt 7/10 mit Wahrheit gleich. 1: nennt nur Beta(9,11). 2: rechnet Posterior-Mittel und Vorhersage. 3: trennt Parameter, Daten, Posterior und Entscheidung samt Annahmen. 4: zusätzlich prior-/posterior-prädiktive Checks, quantitative Sensitivität, erwarteten Nutzen versus Risikogrenze und frequentistische Kontrastierung.
Quellenbasis: Posterior and Prior Predictive Checks, How can Bayesian methodology be used for reliability evaluation?, Probability distributions — SciPy User Guide