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Bayesian Reasoning and Machine Learning

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CONTENTS CONTENTS<br />

3.2.2 Unreliable evidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37<br />

3.3 Belief Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />

3.3.1 Conditional independence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />

3.3.2 The impact of collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />

3.3.3 Graphical path manipulations for independence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43<br />

3.3.4 d-Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43<br />

3.3.5 Graphical <strong>and</strong> distributional in/dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43<br />

3.3.6 Markov equivalence in belief networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45<br />

3.3.7 Belief networks have limited expressibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46<br />

3.4 Causality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />

3.4.1 Simpson’s paradox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />

3.4.2 The do-calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />

3.4.3 Influence diagrams <strong>and</strong> the do-calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />

3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />

3.6 Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />

3.6.1 Naive inference demo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />

3.6.2 Conditional independence demo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />

3.6.3 Utility routines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />

3.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />

4 Graphical Models 57<br />

4.1 Graphical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57<br />

4.2 Markov Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58<br />

4.2.1 Markov properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />

4.2.2 Markov r<strong>and</strong>om fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60<br />

4.2.3 Hammersley-Clifford Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />

4.2.4 Conditional independence using Markov networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />

4.2.5 Lattice Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />

4.3 Chain Graphical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65<br />

4.4 Factor Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />

4.4.1 Conditional independence in factor graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />

4.5 Expressiveness of Graphical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />

4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70<br />

4.7 Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71<br />

4.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71<br />

5 Efficient Inference in Trees 75<br />

5.1 Marginal Inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75<br />

5.1.1 Variable elimination in a Markov chain <strong>and</strong> message passing . . . . . . . . . . . . . . . 75<br />

5.1.2 The sum-product algorithm on factor graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78<br />

5.1.3 Dealing with Evidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81<br />

5.1.4 Computing the marginal likelihood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81<br />

5.1.5 The problem with loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />

5.2 Other Forms of Inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />

5.2.1 Max-Product . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />

5.2.2 Finding the N most probable states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85<br />

5.2.3 Most probable path <strong>and</strong> shortest path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87<br />

5.2.4 Mixed inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89<br />

5.3 Inference in Multiply Connected Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89<br />

5.3.1 Bucket elimination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />

5.3.2 Loop-cut conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91<br />

5.4 Message Passing for Continuous Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92<br />

5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92<br />

5.6 Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93<br />

5.6.1 Factor graph examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93<br />

5.6.2 Most probable <strong>and</strong> shortest path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93<br />

XII DRAFT January 9, 2013

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