予測可能性

予測可能性とは、システムの現状を定性的または定量的に正確に予測または予報できる度合いのことである。

因果的決定論は予測可能性と強い関連性を持つ。完全な予測可能性は厳密な決定論を意味するが、予測可能性の欠如は必ずしも決定論の欠如を意味するわけではない。予測可能性の限界は、情報不足や過度の複雑さといった要因によって引き起こされる可能性がある。

実験物理学では、位置や速度といった変数を決定する際に必ず観測誤差が生じる。そのため、完全な予測は事実上不可能である。さらに、現代量子力学においては、ヴェルナー・ハイゼンベルクの不確定性原理によって、こうした量の精度には限界がある。したがって、完全な予測は理論的にも不可能である。

熱力学第二法則は、システムが進化する平衡状態を決定することができ、散逸系における定常状態は予測できる場合もあるが、平衡状態から離れたシステム（例えばカオス系）が平衡状態に近づかない場合、その時間発展を予測する一般的な規則は存在しない。これらのシステムの予測可能性は通常、時間とともに低下するため、予測可能性を定量化するために、位相空間におけるシステムの軌跡の発散率（コルモゴロフ・シナイエントロピー、リアプノフ指数）を測定することができる。

確率解析において、ランダム過程は、現在時刻から次の状態を知ることが可能である場合、予測可能な過程である。

カオス理論として知られる数学の一分野は、初期条件に非常に敏感なシステムの挙動に焦点を当てています。初期条件のわずかな変化がシステムの進行を完全に変えてしまう可能性があることを示唆しています。この現象はバタフライ効果として知られており、ブラジルで蝶が羽ばたくとテキサスで竜巻が発生する可能性があると主張しています。カオス理論の性質は、現時点でシステムのすべての詳細を知ることは不可能であるため、どのシステムの予測可能性も限られていることを示唆しています。原則として、カオス理論が分析しようとする決定論的システムは予測可能ですが、予測の不確実性は経過時間とともに指数関数的に増加します。^{[ 2 ]}

^{[ 3 ]}に記載されているように、ローレンツ研究における3つの主要なバタフライ効果には、初期条件への敏感な依存性^{[ 4 ] [ 5 ]}、小さな摂動が遠くまで組織的な循環を生み出す能力^{[ 6 ]}、そして有限の予測可能性に寄与する小規模プロセスの仮説的な役割^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}が含まれます。3種類のバタフライ効果は厳密には同じではありません。

人間とコンピュータの相互作用の研究において、予測可能性とは、システムの現在の状態に基づいてユーザーの行動の結果を予測できる特性のことである。

人間とコンピュータの相互作用の現代的な例として、自動運転車の衝突回避ソフトウェアのためのコンピュータビジョンアルゴリズムの開発が挙げられます。NVIDIA Corporation ^{[ 10 ]} 、プリンストン大学^{[ 11 ]}、その他の機関の研究者たちは、ディープラーニングを活用して、現在および過去の状態に関する視覚情報に基づいて、コンピュータに次の道路シナリオを予測するように学習させています。

人間とコンピュータの相互作用のもう1つの例は、アルゴリズムに基づいて人間の行動を予測することを目的としたコンピュータシミュレーションです。たとえば、MITは最近、人間の行動を予測する非常に精度の高いアルゴリズムを開発しました。テレビ番組でテストしたところ、このアルゴリズムは登場人物のその後の行動を非常に高い精度で予測することができました。このようなアルゴリズムとコンピュータシミュレーションは、人工知能の未来に大きな可能性を示しています。^{[ 12 ]}

言語予測とは、心理言語学において、単語やその他の言語単位に関する情報が、実際にその単位に遭遇する前に活性化される現象を指します。アイトラッキング、事象関連電位、その他の実験手法による証拠は、言語使用者が、先行する単語によって形成される文脈に後続の単語を統合することに加えて、特定の条件下では、次に続く単語を予測しようとする場合があることを示しています。予測可能性は、テキスト処理、音声処理、そして発話生成の両方に影響を与えることが示されています。さらに、予測可能性は、構文的、意味的、そして語用論的な理解にも影響を与えることが示されています。

生物学、特に遺伝学と神経科学の研究において、予測可能性とは、遺伝的形質と過去の経験に基づいて生物学的発達や行動を予測することを指す。

人の行動が遺伝子に基づいて完全に予測可能かどうかについては、科学界で大きな議論が交わされている。イスラエルで行われた研究では、裁判官はより最近食事をした人ほど軽い判決を下す傾向があることが示された。^{[ 13 ]}このような事例に加えて、相補的な免疫遺伝子を持つ人は、より魅力的な匂いを放ち、身体的な魅力が高まることが証明されている。^{[ 14 ]}遺伝子を調べることで、個人が何らかの病気にかかりやすいかどうかを判断でき、行動障害は多くの場合、遺伝子コードの欠陥を分析することで説明できる。このような例に注目する科学者は、人間の行動は完全に予測可能であると主張する。議論の反対側の人々は、遺伝子は特定の行動をとる素因を与えるだけであり、最終的には人間には行動するかどうかを選択する自由意志があると主張する。

動物の行動は人間よりもはるかに予測可能です。自然淘汰によって、動物は求愛の鳴き声、捕食者への警告、コミュニケーションのためのダンスを発達させてきました。こうした生来の行動の一例がベルディングジリスで、近くのリスに捕食者の存在を警告する特定の鳴き声を発達させました。ジリスが地上で捕食者を見つけると、安全な場所に着いた後に震えるような鳴き声を発し、近くのリスに後ろ足で立ち上がって捕食者を探すように合図します。空中で捕食者を見つけると、ジリスはすぐに長い口笛のような鳴き声を発し、自らを危険にさらしますが、近くのリスに身を隠すように合図します。科学者は実験と調査を通して、このような行動を記録し、特定の状況で動物がどのように行動するかを非常に正確に予測できるようになりました。^{[ 15 ]}

予測可能性の研究は、人間が自由意志を完全に制御できると信じる人々と、人間の行動はあらかじめ決定されていると信じる人々の間でしばしば議論を巻き起こす。しかし、ニュートンもラプラスも、予測可能性の研究を決定論と関連付けて考えていたとは考えにくい。^{[ 16 ]}

気候変動やその他の気象現象がより一般的になるにつれて、気候システムの予測可能性がより重要になります。IPCCは、将来の詳細な気候相互作用を予測する能力は難しいが、長期的な気候予測は可能であると指摘しています。^{[ 17 ] [ 18 ]}

マクロ経済学における予測可能性とは、多くの場合、経済モデルが四半期データをどれだけ正確に反映しているか、またモデルの内部伝播メカニズムをどれだけうまく特定できるかという度合いを指します。米国のマクロ経済系列で関心のある例としては、消費、投資、実質GNP、資本ストックなどが挙げられますが、これらに限定されません。経済システムの予測可能性に関わる要因には、予測範囲（予測が2年後か20年後か）や推定値の変動性などがあります。マクロ経済動向の予測可能性を評価するための数学的手法はまだ開発段階にあります。^{[ 25 ]}

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