redes bayesianas disciplina: sistemas inteligentes
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Redes Bayesianas
Disciplina: Sistemas Inteligentes
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Tópicos
Introdução Noções de Probabilidade Redes Bayesianas Aplicações Conclusões Bibliografia
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Exemplo: sistema de diagnóstico odontológico
Regra de diagnóstico p sintoma (p,dor de dente) doença (p,cárie) A doença (causa do sintoma) pode ser outra.
Regra causal p doença (p,cárie) sintoma (p,dor de dente) Há circunstâncias em que a doença não provoca o
sintoma.
A conexão entre antecedente e conseqüente não é uma implicação lógica em nenhuma direção
Conhecimento com Incerteza
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Conhecimento com Incerteza
Agentes em Lógica de Primeira Ordem enfrentam dificuldades em situações onde:
o agente não tem acesso a todo o ambiente
o agente tem uma compreensão incompleta ou incorreta do ambiente
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A lógica de primeira ordem falha no domínio de diagnóstico médico devido a:
“preguiça”: existem causas ou conseqüências demais a considerar
ignorância teórica e prática: não existe uma teoria completa para o domínio, nem
podemos fazer todos os testes necessários para o diagnóstico perfeito.
Nestes casos, o conhecimento do agente pode apenas prover um grau de crença nas sentenças relevantes.
P(Cárie/Dor de Dente) = 0.6
Conhecimento com Incerteza
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Teoria da Probabilidade
Associa às sentenças um grau de crença numérico entre 0 e 1
Contudo, cada sentença ou é verdadeira ou é falsa
Grau de crença(probabilidade): a priori(incondicional): calculado antes do agente
receber percepções
Ex. P(cárie= true) = P(cárie) = 0.5
condicional: calculado de acordo com as evidências disponíveis
evidências: percepções que o agente recebeu até agora Ex: P(cárie|dor de dente)= 0.8
P(cárie|~dor de dente)= 0.3
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Probabilidade condicional
Probabilidade condicional (a posteriori) de A dado que B ocorreu é definida por:
P(A|B) = P(AB) , quando P(B) > 0. P(B)
Probabilidade condicional: possibilita inferência sobre uma proposição
desconhecida A dada a evidência B
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Equação para o Teorema de Bayes :
Pode-se estender esta expressão para o caso em que a dependência condicional está associada a mais de uma evidência previa:
P(A/B) = P(B/A)P(A)
P(B)
P(A/B,E) = P(B/A,E)P(A/E)
P(B/E)
Regra de Bayes
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Aplicação da Regra de Bayes: Diagnóstico Médico
•Seja
M=doença meningite
S= rigidez no pescoço
•Um Doutor sabe:
P(S/M)=0.5
P(M)=1/50000
P(S)=1/20
P(M/S)=P(S/M)P(M)
P(S)
=0,5*(1/50000)=0,002
1/20
•A probabilidade de uma pessoa ter meningite dado que ela está com rigidez no pescoço é 0,02% ou ainda 1 em 5000.
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Probabilidade Condicional e Independência
Independência: P(A|B) = P(A) Exemplo: A = dor de dente e B=úlcera
Úlcera não causa dor de dente
Eventos mutuamente excludentes P(A B) = 0 Experimento: Lançamento de um dado
A = a face do dado é ímpar e B = a face do dado é par
Independência condicional Seja X e Y independentes dado Z => P(X|Y,Z) = P(X|Z)
Independência condicional é crucial para o funcionamento eficaz de sistemas probabilísticos.
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Independência Condicional
P(X|Y,Z) = P(X|Z)
Isso quer dizer que se o objetivo é saber a probabilidade de X então tanto faz o valor de Y se você já sabe o valor de Z
Exemplo: Trovão é condicionalmente independente de Chuva, dado Relâmpago
P(Trovão/ Chuva, Relâmpago) = P(Trovão/ Relâmpago)
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Distribuição de Probabilidade Conjunta
Sejam Y1, Y2,...Yn um conjunto de variáveis.
Evento atômico: uma especificação completa dos estados do domínio
Y1= y1,Y2 = y2,....,Yn= yn
A distribuição de probabilidade conjunta, P(Y1,Y2,...,Yn),atribui probabilidades a todos os possíveis eventos atômicos
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Exemplo: Probabilidade Conjunta
cárie
cárie
dor de dente dor de dente
0.04
0.01
0.06
0.89
P(cárie ^ dor de dente)=?
P(cárie)=?
P(dor de dente)=?
P(cárie/dor de dente)=?
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Teorema da Multiplicação de Probabilidades
Esse resultado permite calcular a probabilidade de ocorrênciasimultânea de vários eventos a partir das probabilidadescondicionais.
P(y1^...yn) = P(yn / y1^...yn-1) ... P(y2 / y1) P(y1)
P(y1^...yn) = P(yn / y1^...yn-1) ... P(y1^...yn-1)
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Redes Bayesianas: Representação
do Conhecimento com Incerteza
Representa 3 tipos de conhecimento do domínio: Relações de independência entre variáveis aleatórias Probabilidades a priori de algumas variáveis Probabilidades condicionais entre variáveis dependentes
Permite calcular eficientemente: Probabilidades a posteriori de qualquer variável aleatória (inferência)
Conhecimento representado: Pode ser aprendido a partir de exemplos Reutilizando parte dos mecanismos de raciocínio
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Semântica da Rede Bayesiana
Representação da distribuição de Probabilidade Conjunta das variáveis de interesse: P(y1^...yn)
Redes Bayesianas levam em consideração a independência condicional entre subconjuntos de variáveis
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Estrutura das Redes Bayesianas
Uma Rede Bayesiana é um grafo acíclico e dirigido onde:
Cada nó da rede representa uma variável aleatória Um conjunto de ligações ou arcos dirigidos conectam
pares de nós cada nó recebe arcos dos nós que tem influência direta sobre ele
(nós pais).
Cada nó possui uma tabela de probabilidade condicional associada que quantifica os efeitos que os pais têm sobre ele
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Redes Bayesianas
Tempestade Ônibus de Turismo
Fogo no Acampamento
Trovão Fogo na floresta
Raio
T,O T,O T, O T, O
FA 0.4 0.1 0.8 0.2
FA 0.6 0.9 0.2 0.8
Fogo no Acampamento
Distribuição de Probabilidade:P(FA/T,O)
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Redes Bayesianas
Representa a distribuição de probabilidade conjunta entre todas as variáveis: P(y1^...^yn)
Exemplo: P(Tempestade, , Fogo na Floresta)? Exemplo: P(Classe=C1 ^ Atrib1=10 ^ Atrib2=Yes)?
Cálculo da probabilidade conjunta:
Onde Predecessores(Yi) significa predecessores imediatos de Yi no grafo
n
1iiin1 ))Y(sedecessorePr/y(P)y,,y(P
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Redes Bayesianas: Cálculo da Probabilidade
Conjunta Lembrem-se do teorema da multiplicação de
probabilidades
P(y1^...yn) = P(yn / y1^...yn-1) ... P(y2 / y1) P(y1)
P(yn / Predecessores(Yn)) P(y2 / Predecessores(Y2)
n
1iiin1 ))Y(sedecessorePr/y(P)y,,y(P
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Exemplo Alarme (AIMA)
Roubo Terremoto
Alarme
JohnCalls MaryCalls
P(T)
0,002
P(R)
0,001
R T P(A)
T T 0,95 T F 0,94 F T 0,29 F F 0,001
A P(J )
T 0,90 F 0,05
A P(M)
T 0,70 F 0,01
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Calcular a probabilidade do evento que o alarme toca mas não houve assalto nem terremoto e que João e Maria telefonaram.
P(J M A ~R ~T)= P(J|A) P(M|A) P(A|~R ~T )P(~R)P(~T)= 0.9 x 0.7 x 0.001 x 0.999 x 0.998= 0.00062 ou 0.062 %
Exemplo Alarme (AIMA)
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Engenharia do conhecimentopara Redes Bayesianas
1. Escolher um conjunto de variáveis relevantes que descrevam o domínio
2. Ordem de inclusão dos nós na rede (a). causas como “raízes” da rede
(b). variáveis que elas influenciam
(c). folhas, que não influenciam diretamente nenhuma outra variável.
3. Enquanto houver variáveis a representar:
(a). escolher uma variável Xi e adicionar um nó para ela na rede
(b). estabelecer Pais(Xi) dentre os nós que já estão na rede, satisfazendo a propriedade de dependência condicional
(c). definir a tabela de probabilidade condicional para Xi
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Exemplo Alarme (AIMA)
Roubo Terremoto
Alarme
JohnCalls MaryCalls
P(T)
0,002P(R)
0,001
R T P(A)
T T 0,95 T F 0,94 F T 0,29 F F 0,001
A P(J )
T 0,90 F 0,05
A P(M)
T 0,70 F 0,01
Ordem: R T A J M
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Exemplo de Rede Bayesiana Não Puramente Causal
Vamos usar o exemplo do alarme com a seguinte ordem de inserção dos nós:
MaryCalls, JohnCalls, Alarme, Roubo e Terremoto.
Roubo
Terremoto
Alarme
JohnCalls
MaryCalls
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Problemas: A figura possui duas conexões a mais julgamento não natural e difícil das probabilidades
Tendo uma rede puramente causal, teríamos um número menor de conexões
Exemplo de Rede Bayesiana Não Puramente Causal
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Exercício
Construa uma rede para o problema abaixo. Eu quero prever se minha esposa está em casa antes de eu abrir a porta. Eu sei que minha esposa liga a luz quando chega em casa, mas as vezes ela também liga ao sair se ela for retornar com alguma visita. Quando não tem ninguém em casa, ela solta o cachorro no quintal, mas às vezes ela solta o cachorro quando ele está molhado. Quando o cachorro está solto, consigo ouvir o seu latido da rua mas as vezes o confundo com o cachorro da vizinha.
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Tipos de Inferência em Redes Bayesianas
Causal (da causa para o efeito)P(JohnCalls/Roubo) = 0,86
Roubo Alarme JohnCalls
Evidência Query
Diagnóstico (do efeito para a causa) P(Roubo/JohnCalls) = 0,016
JohnCalls Alarme Roubo
Evidência Query
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Intercausal (entre causas com um efeito comum)P(Roubo/Alarme) = 0,376P(Roubo/Alarme Terremoto) = 0,373
Mista (combinando duas ou mais das de cima) P(Alarme/JohnCalls Terremoto) = 0,03 Este é um uso simultâneo de inferência causal e
diagnóstico.
Roubo Alarme Terremoto
Query Evidência
JohnCalls Alarme Terremoto
Evidência EvidênciaQuery
Tipos de Inferência em Redes Bayesianas
Evidência
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Aplicações de Redes Bayesianas
PATHFINDER: diagnóstico de doenças que atacam os nodos linfáticos. (Russel&Norvig 1995)
PAINULIM: diagnóstico de doenças neuro-musculares: http://snowhite.cis.uoguelph.ca/faculty_info/yxiang/research.html
Tutores inteligentes: www.pitt.edu/~vanlehn/andes.html
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Mais aplicações: http://excalibur.brc.uconn.edu/~baynet/researchApps.htm
Análise de proteínasModelagem de Agentes InteligentesDetecção de fraudes na indústriaRobótica
Aplicações de Redes Bayesianas
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Conclusões
Possibilidade de trabalhar com domínios onde não há informação suficiente
Raciocínio probabilístico trata o grau de incerteza associado à maioria dos domínios.
Combina conhecimento a priori com dados observados
O impacto do conhecimento a priori (quando correto) é a redução da amostra de dados necessários
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Redes Bayesianas são usadas em muitas aplicações do mundo real.
Área de pesquisa ativa Engenharia de conhecimento Complexidade dos algoritmos para inferência Aprendizado
Conclusões
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Bibliografia
Russel, S, & Norvig, P. (1995). Artificial Intelligence: a Modern Approach (AIMA) Prentice-Hall. Pages 436-458, 588-593
Mitchell, T. & (1997): Machine Learning, McGraw-Hill. Cap.6
Fayyad et al. (1996): Advances in knowledge discovery and data mining, AAAI Press/MIT Press. Cap.11
Pearl, J. (1988) Probabilistic Reasoning in Inteligent Systems
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Software
http://www.ai.mit.edu/~murphyk/Bayes/bnsoft.html