某日衛生局至高雄大學免費檢驗某疾病,並宣稱此檢驗之可靠度為90%。檢驗總有誤差,90%看起來不低,但學生好奇可靠度之意義。衛生局解釋:檢驗有正負二反應,某人若真有病,則有0.9之機率檢驗呈正反應;若沒有病,則有0.9的機率檢驗呈負反應。聽起來還不錯,檢驗算是相當可靠。但有一博覽群籍的學生注意到,這是一罕見病,過去資料顯示,平均每5,000人中,只有1人患有此病。此檢驗迅速且無害,但若檢驗呈正反應,則須至醫院住院3天,以做進一步的檢查。問你是否願意接受此檢驗?
住院3天很麻煩,有必要惹禍上身嗎?底下我們利用貝氏定理,來求機率P(有病|正),這是在決定要不要接受檢驗前,想知道的,其中“正”表正的反應。
P(有病|正)
=P(正|有病)P(有病)/[P(正|有病)P(有病)+P(正|無病)P(無病)]
=0.9‧(1/5,000)/[0.9‧(1/5,000)+0.1‧(4,999/5,000)]
=9/5,008≒0.0018
由上述推導知,當檢驗呈正反應,真有病的機率其實非常小,僅約0.0018,不到1/500。看到此結果後,大部分的人可能便不願接受檢驗了。
這其中有二議題值得討論。首先,在計算出上述條件機率P(有病|正)之前,也許我們會以為此機率值仍應接近0.9,即衛生局事先所宣稱的可靠度。但不要忘了,衛生局是說P(正|有病)=0.9,而我們所關心的卻是P(有病|正),這是完全不同的兩個條件機率。在本例中,此二值差異很大。直觀上來看,因檢驗有10%的錯誤,即約有10%的人,好好的沒病卻呈正反應。因此在每5,000人中,他們絕大部分都沒病,卻約有500個人,檢驗後會呈正反應,但其中根本才約1人有病。1/500=0.002,的確很接近所算出的0.0018。第二個議題是,雖然經計算後,檢驗給我們一不太可靠的印象,但在檢驗前,每個人覺得自己會有病之機率,約為1/5,000=0.0002(所謂事前機率),而在檢驗後,若呈正反應,會是有病的機率,提高至約0.0018(所謂事後機率),差不多是9倍。即使不能說檢驗很精準,也是有些效能,只是遠比以為的90%可靠度低很多。附帶一提,同理可求出
P(有病|負)=1/44,992≒0.00002223。
亦即檢驗若呈負反應,卻有病的機率極低,因此沒病的機率也就近乎1了。故當此檢驗呈負反應時,對判斷無病是相當可靠的。不過,如果你仔細比較一下,原先有病之機率本來就不大,約為0.0002,這是沒檢驗就知道的。檢驗後,降成約1/9倍。讀者不妨試將檢驗之可靠度,依序提高為99%、99.9%,及99.99%,看此時P(有病|正)及P(有病|負)之變化。又即使改為平均50人中,有1人患有此病,也就是有病機率提高為100倍,則P(有病|正)≒0.1552,較之前的約0.0018,大很多,只是仍不算太高,與90%的可靠度,還是相距甚遠。
由於有上述這類例子,對於那種發生率極低的疾病,許多人往往質疑其檢驗的有效性。也因此不時會有人說,醫生都該多懂些條件機率及貝氏定理。否則對被他們宣佈患有不治之症的病人,後來卻存活好幾年,便只能含糊地以奇蹟出現解釋。雖不會有病人反對這種奇蹟,但多了解條件機率的涵義,對病情估計之正確性,幫助應是很大。否則醫學上便只好屢有奇蹟發生。
不僅在醫學上,凡做估計時,條件機率都常會出現。在民國103年11月25日舉行的“全國大專校院研發主管會議”的開幕典禮中,教育部長吳思華(1955-)表示,“國內每年畢業博士生約3,500人,但大學僅需800個博士,加上國外回台的博士生競逐工作機會,預計10年後,台灣的流浪博士會比流浪教師還多。”近年來,由於就業困難,就讀及錄取的意願同時降低,導致各大學博士班,每年所錄取的新生,早已快速下降。又因教職難覓,博士畢業生,進入業界的比例,也已逐年上升。這是給定“就業困難,且教職難覓”條件下的變化。若未能隨時掌握條件機率的概念,估計將常極度偏離真實值。我們可以大膽地說,10年後流浪博士的人數,應會與教育部的預估,相差甚遠。
對條件機率及貝氏定理想進一步了解者,可翻閱一般機率論的書籍,或參考黃文璋(2000),(2010),及(2011)等三篇文章,可看到更多有趣的例子。
參考文獻
1. 黃文璋(2000). 瞻前顧後. 統計薪傳, 1(1): 83-99.
2. 黃文璋(2010). 機率應用不易. 數學傳播季刊, 34(1): 14-28.
3. 黃文璋(2011). 認識機率. 數學傳播季刊, 35(2): 32-44.