
Una rete bayesiana (BN, "Bayesian network") è un modello grafico probabilistico che rappresenta un insieme di variabili stocastiche con le loro dipendenze condizionali attraverso l'uso di un grafo aciclico diretto (DAG). Per esempio una rete Bayesiana potrebbe rappresentare la relazione probabilistica esistente tra i sintomi e le malattie. Dati i sintomi, la rete può essere usata per calcolare la probabilità della presenza di diverse malattie.
Il termine "modello gerarchico" è talvolta considerato un particolare tipo di rete Bayesiana, ma non ha nessuna definizione formale. Qualche volta viene usato per modelli con tre o più livelli di variabili stocastiche; in altri casi viene usato per modelli con variabili latenti. Comunque in generale qualsiasi rete Bayesiana moderatamente complessa viene usualmente detta "gerarchica".
Formalmente le reti Bayesiane sono grafi diretti aciclici i cui nodi rappresentano variabili casuali in senso Bayesiano: possono essere quantità osservabili, variabili latenti, parametri sconosciuti o ipotesi. Gli archi rappresentano condizioni di dipendenza; i nodi che non sono connessi rappresentano variabili che sono condizionalmente indipendenti tra di loro. Ad ogni nodo è associata una funzione di probabilità che prende in input un particolare insieme di valori per le variabili del nodo genitore e restituisce la probabilità della variabile rappresentata dal nodo. Per esempio, se i genitori del nodo sono variabili booleane allora la funzione di probabilità può essere rappresentata da una tabella in cui ogni entry rappresenta una possibile combinazione di valori vero o falso che i suoi genitori possono assumere.
Esistono algoritmi efficienti che effettuano inferenza e apprendimento a partire dalle reti Bayesiane. Le reti Bayesiane che modellano sequenze di variabili che variano nel tempo sono chiamate reti Bayesiane dinamiche.
Matematicamente, una rete bayesiana è un grafo aciclico orientato in cui:
Una rete bayesiana rappresenta la distribuzione della probabilità congiunta di un insieme di variabili.


Il teorema di Bayes (conosciuto anche come formula di Bayes o teorema della probabilità delle cause), proposto da Thomas Bayes, deriva da due teoremi fondamentali delle probabilità:
il teorema della probabilità composta e il teorema della probabilità assoluta. Viene impiegato per calcolare la probabilità di una causa che ha scatenato l'evento verificato. Per esempio si può calcolare la probabilità che una certa persona soffra della malattia per cui ha eseguito il test diagnostico (nel caso in cui questo sia risultato negativo) o viceversa non sia affetta da tale malattia (nel caso in cui il test sia risultato positivo), conoscendo la frequenza con cui si presenta la malattia e la percentuale di efficacia del test diagnostico.
Formalmente il teorema di Bayes è valido in tutte le interpretazioni della probabilità. In ogni caso, l'importanza di questo teorema per la statistica è tale che la divisione tra le due scuole (statistica bayesiana e statistica frequentista) nasce dall'interpretazione che si dà al teorema stesso.
Considerando un insieme di alternative formula_1 che partizionano lo spazio degli eventi formula_2 (ossia formula_3 e formula_4) si trova la seguente espressione per la probabilità condizionata:
Dove:
Intuitivamente, il teorema descrive il modo in cui le opinioni nell'osservare A siano arricchite dall'aver osservato l'evento E.
Si consideri una scuola che ha il 60% di studenti maschi e il 40% di studentesse femmine.
Le studentesse indossano in egual numero gonne o pantaloni; gli studenti indossano tutti quanti i pantaloni. Un osservatore, da lontano, nota un generico studente coi pantaloni. Qual è la probabilità che quello studente sia una femmina?
Il problema può essere risolto con il teorema di Bayes, ponendo l'evento A che lo studente osservato sia femmina, e l'evento B che lo studente osservato indossi i pantaloni. Per calcolare P(A|B), dovremo sapere:
Ciò detto, possiamo applicare il teorema:
C'è pertanto 1/4 di probabilità che lo studente sia femmina cioè 25%.
Il teorema deriva dalla definizione di probabilità condizionata. La probabilità di un evento "A", noto un evento "B", risulta:
In modo analogo, la probabilità di un evento "B" noto un evento "A":
Pertanto:
Sostituendo nella prima uguaglianza, si trova il teorema di Bayes:
Si supponga di partecipare a un gioco a premi, in cui si può scegliere fra tre porte: dietro una di esse c'è un'automobile, dietro le altre, due capre. Si sceglie una porta, diciamo la numero 1, e il conduttore del gioco a premi, che sa cosa si nasconde dietro ciascuna porta, ne apre un'altra, diciamo la 3, rivelando una capra. Quindi domanda: «Vorresti scegliere la numero 2?» Ti conviene cambiare la tua scelta originale?
Si potrebbe pensare che, con due porte chiuse, si abbia una probabilità 50:50 per ognuna, e che quindi non ci sia motivo di cambiare porta. Non è questo il caso. Chiamiamo l'evento che la macchina si trovi dietro una certa porta rispettivamente A, A e A.
All'inizio, è ovvio che:
formula_11
Come detto prima, la porta scelta è la numero 1. Chiamiamo B l'evento "il presentatore apre la porta 3". Ora:
La probabilità a priori per l'evento B è del 50%, infatti:
Da cui:
Da ciò è evidente che si deve sempre cambiare con la porta 2.
I filtri bayesiani sono uno strumento utilizzato per combattere lo spam che deve il suo funzionamento proprio al teorema di Bayes. Un filtro bayesiano fa uso di un classificatore bayesiano per riconoscere se una certa sequenza di simboli (come una parola) si presenta spesso nei messaggi di spam, quindi applica l'inferenza bayesiana per calcolare la probabilità che un determinato messaggio sia spam.
Il teorema si chiama così in onore del reverendo Thomas Bayes (1702–1761), il quale studiò come calcolare una distribuzione per il parametro di una distribuzione binomiale. Un suo amico, Richard Price, pubblicò il lavoro nel 1763, dopo la morte di Bayes, nell'articolo "Essay Towards Solving a Problem in the Doctrine of Chances". 
Alcuni anni dopo (nel 1774) viene formulato da Pierre Simon Laplace che probabilmente non era a conoscenza del lavoro di Bayes.
Una ricerca da parte di un professore di statistica (Stigler, 1982) sembrerebbe suggerire che il teorema di Bayes sia stato scoperto da Nicholas Saunderson anni prima di Bayes.
