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Sapienza NLP, Sapienza University of Rome 45

è un termine utilizzato in statistica per definire, in un insieme di osservazioni, un valore anomalo e aberrante. Un valore quindi chiaramente distante dalle altre osservazioni disponibili. In statistica viene definito outlier un valore al di fuori dall'intervallo: Dove formula_2 e formula_3 sono rispettivamente primo e terzo quartile. formula_4 è una costante che regola l'ampiezza dell'intervallo. Normalmente assume il valore unitario. Gli outlier sono valori numericamente distanti dal resto dei dati raccolti (ad esempio, in un campionamento). Le statistiche che derivano da campioni contenenti outlier possono essere fuorvianti. Per esempio, se misurassimo la temperatura di dieci oggetti presenti in una stanza, la maggior parte dei quali risultasse avere una temperatura compresa fra 20 e 25 gradi Celsius, allora il forno acceso, avente una temperatura di 350 gradi, sarebbe un dato aberrante. La mediana dei valori sarebbe circa 23, mentre la temperatura media salirebbe a circa 55 gradi: un indice chiaramente non rappresentativo della maggioranza dei valori di temperatura riscontrati nella stanza. In questo caso, la mediana rifletterebbe meglio della media aritmetica le misure della temperatura degli oggetti. Gli outliers possono essere indicativi del fatto che, in un dato campione, alcuni dati appartengono ad una popolazione differente rispetto a quella del resto del campione. Nella maggioranza dei grandi campioni, alcuni dati saranno più lontani dalla media del campione di quanto sarebbe logico aspettarsi. Ciò può essere dovuto ad un errore sistematico che si è verificato nella raccolta dei dati, oppure a una fallacia nella teoria che ha orientato l'assunzione di una data distribuzione campionaria di probabilità, ma potrebbe anche essere semplicemente dovuto al caso, che ha fatto sì che nella raccolta dei dati alcune osservazioni abbiano prodotto dati molto lontani dai valori medi del campione. Inoltre, gli outliers potrebbero essere indicativi di dati errati, procedure erronee o aree sperimentali in cui alcune teorie potrebbero non essere valide. Tuttavia, un piccolo numero di dati aberranti non dovuti a condizioni anomale è dato per scontato nei grandi campioni. Stimatori poco influenzati dai dati aberranti sono detti robusti.

Outlier

L'analisi delle componenti principali (in inglese "principal component analysis" o abbreviata "PCA"), anche nota come trasformata di Karhunen-Loève, trasformata di Hotelling o decomposizione ortogonale propria, è una tecnica per la semplificazione dei dati utilizzata nell'ambito della statistica multivariata. Questo metodo fu proposto per la prima volta nel 1901 da Karl Pearson e sviluppato poi da Harold Hotelling nel 1933, e fa parte dell'analisi fattoriale. Lo scopo della tecnica è quello di ridurre il numero più o meno elevato di variabili che descrivono un insieme di dati a un numero minore di variabili latenti, limitando il più possibile la perdita di informazioni. Ciò avviene tramite una trasformazione lineare delle variabili che proietta quelle originarie in un nuovo sistema cartesiano in cui la nuova variabile con la maggiore varianza viene proiettata sul primo asse, la variabile nuova, seconda per dimensione della varianza, sul secondo asse e così via. La riduzione della complessità avviene limitandosi ad analizzare le principali, per varianza, tra le nuove variabili. Diversamente da altre trasformazioni lineari di variabili praticate nell'ambito della statistica, in questa tecnica sono gli stessi dati che determinano i vettori di trasformazione. Assumendo che a ciascuna delle variabili originarie venga sottratta la loro media e pertanto la nuova variabile (X) abbia media nulla, Dove arg max indica l'insieme degli argomenti "w" in cui è raggiunto il massimo. Con i primi (k-1) componenti, il k-esimo componente può essere trovato sottraendo i primi (k-1) componenti principali a "X" e sostituendo questo Un metodo più semplice per calcolare la componente w utilizza la matrice delle covarianze di x. La stessa operazione può essere eseguita partendo dalla matrice dei coefficienti di correlazione anziché dalla matrice di varianza-covarianza delle variabili "x". Innanzitutto si devono trovare gli autovalori della matrice di covarianza o della matrice dei coefficienti di correlazione. Si ottengono tanti autovalori quante sono le variabili x. Se viene utilizzata la matrice di correlazione, l'autovalore relativo alla prima componente principale, ossia quella con varianza massima, sarà pari ad 1. In ogni caso l'autovalore con il maggiore valore corrisponde alla dimensione w che ha la maggiore varianza: esso sarà dunque la varianza della componente principale 1. In ordine decrescente, il secondo autovalore sarà la varianza della componente principale 2, e così via per gli n autovalori. Per ciascun autovalore viene calcolato il corrispondente autovettore, ossia la matrice (riga vettore) dei coefficienti che moltiplicano le vecchie variabili x nella combinazione lineare per l'ottenimento delle nuove variabili w. Questi coefficienti sono anche definiti loading. La matrice degli autovettori, ossia la matrice che ha per riga ciascun autovettore prima calcolato, è la cosiddetta matrice di rotazione V. Eseguendo l'operazione matriciale formula_4, dove W è il vettore colonna avente come elementi le nuove variabili w1, w2, ..., wn e X è il vettore colonna avente come elementi le "vecchie variabili" x1, x2, ..., xn, si possono trovare le coordinate di ciascun punto nel nuovo spazio vettoriale. Utilizzando le coordinate per ciascun punto relative alle componenti principali si costruisce il grafico denominato score plot. Se le componenti principali sono 3 si avrà un grafico tridimensionale, se sono 2 sarà bidimensionale, se invece si è scelta una sola componente principale lo score plot sarà allora monodimensionale. Mediante lo score plot è possibile verificare quali dati sono simili tra di loro e quindi si può ad esempio dedurre quali campioni presentano la medesima composizione. In PCA esiste anche un altro tipo di grafico, definito loading plot, in cui sono le variabili x ad essere riportate nel nuovo sistema avente per assi le componenti principali. Con questo tipo di grafico è possibile osservare se due variabili sono simili, e pertanto forniscono lo stesso tipo di informazione, oppure se sono distanti (e quindi non sono simili). Quindi gli elementi dell'autovettore colonna corrispondente a un autovalore esprimono il legame tra le variabili di partenza e la componente considerata attraverso dei pesi. Il numero di variabili latenti da considerare come componenti principali si fonda sulla grandezza relativa di un autovalore rispetto agli altri. Invece nel caso in cui sia l'operatore a scegliere le componenti principali senza considerare la relativa varianza espressa dai rispettivi autovalori, si ha un supervised pattern recognition. Si può costruire la matrice dei fattori, in pratica una matrice modale, che elenca per riga le variabili originarie e per colonna le variabili latenti: ogni valore, compreso tra 0 e 1, dice quanto le seconde incidano sulle prime. Invece la matrice del punteggio fattoriale ha la stessa struttura della precedente, ma dice quanto le singole variabili originarie abbiano pesato sulla determinazione della grandezza di quelle latenti. Si supponga di disporre di un'indagine che riporta per 10 soggetti: voto medio (da 0 a 33), intelligenza (da 0 a 10), media ore studiate in un giorno e zona d'origine, che varia da 1 a 3. Si standardizzino i valori con la formula: formula_5 E(x) è il valore atteso di X, ovvero il valor medio, SD è la deviazione standard. La matrice dei coefficienti di correlazione è: La diagonale principale è composta da valori uguali ad 1 perché è il coefficiente di correlazione di una variabile con se stessa. È pure una matrice simmetrica perché il coefficiente di correlazione tra la variabile "x" e la variabile "y" è uguale a quello tra "y" e "x". Si vede come ci sia un forte legame tra voto, media ore studio e intelligenza. Dall'analisi degli autovalori si possono trarre conclusioni: Gli autovalori sono in ordine decrescente e il loro rapporto con la somma degli autovalori dà la percentuale di varianza che spiegano. Sono stati selezionati arbitrariamente solo quelli che hanno valore maggiore di 1 in quanto più significativi, che spiegano il 70,708% e il 26,755% rispettivamente. Si osservi alla matrice delle componenti principali: Il fattore 1 pesa fortemente sul voto medio. Sembrerebbe pure che pesi in maniera negativa sulla variabile della zona di origine; chiaramente questa affermazione non ha senso perché inverte il nesso di causalità: spetta allo statistico dare una spiegazione e una lettura sensate. Si calcoli quindi la matrice di punteggio fattoriale: Come si vede la variabile provenienza continua ad avere un influsso di segno negativo sull'autovalore principale. Le altre variabili invece hanno peso positivo.

Analisi delle componenti principali

Un sistema esperto è un programma che cerca di riprodurre le prestazioni di una o più persone esperte in un determinato campo di attività, ed è un'applicazione o una branca dell'intelligenza artificiale. I programmi utilizzati dai sistemi esperti sono in grado di porre in atto procedure di inferenza adeguate alla risoluzione di problemi particolarmente complessi, a cui potrebbe, se posto in una dimensione umana, porre rimedio solo un esperto del settore disciplinare in cui rientra la questione da risolvere. Ciò implica che tale sistema possa avvalersi in modo risoluto e autorevole delle istanze inferenziali che soggiacciono al corretto funzionamento del programma, cosicché sia capace di superare le incertezze e le difficoltà su cui volge la propria attività. I sistemi esperti si differenziano dunque da altri programmi simili, in quanto, facendo riferimento a tecnologie elaborate in funzione dell'intelligenza artificiale, sono sempre in grado di esibire i passaggi logici che soggiacciono alle loro decisioni: proposito che, ad esempio, non è attuabile da parte della mente umana. Il sistema esperto si compone principalmente di tre sezioni: Queste informazioni sono piuttosto generiche, ed estremamente flessibili per ciò che concerne la designazione di un programma con una tale definizione. Non esistono infatti sistemi capaci per davvero di soddisfare nella sua interezza il tipo di conoscenza che dovrebbe caratterizzare un sistema di tale fatta. Difatti, nella maggior parte dei programmi, le componenti che presiedono alle procedure di inferenza, non riescono ad attenere il rigore connaturato ad un algoritmo, in quanto nelle situazioni altamente complicate sarebbe troppo dispendioso analizzare ogni possibilità; si ricorre così allo stratagemma dell'euristica, che, tramite ragionamenti approssimativi ("fuzzy logic"), sacrifica la sicurezza dell'algoritmo per giungere a risultati altamente probabili, ma comunque fallibili. I sistemi esperti si dividono in due categorie principali. I sistemi esperti basati su regole sono dei programmi composti da regole nella forma codice_1 (se condizione, allora azione). Dati una serie di fatti, i sistemi esperti, grazie alle regole di cui sono composti, riescono a dedurre nuovi fatti. Per esempio, supponiamo di avere un problema di salute, forniamo al sistema esperto i seguenti fatti: il sistema esperto assume i fatti e sceglie una regola così formata: Esempi di sistemi a regole sono Jess e CLIPS. Un sistema esperto basato su alberi, dato un insieme di dati ed alcune deduzioni, creerebbe un albero che classificherebbe i vari dati. Nuovi dati verrebbero analizzati dall'albero e il nodo di arrivo rappresenterebbe la deduzione. È da notare che un sistema esperto non è "intelligente" nel senso comune della parola, ossia in modo creativo. Le deduzioni di un sistema esperto non possono uscire dall'insieme di nozioni immesse inizialmente e dalle loro conseguenze. Ciò che li rende utili è che, come i calcolatori elettronici, possono maneggiare una gran quantità di dati molto velocemente e tenere quindi conto di una miriade di regole e dettagli che un esperto umano può ignorare, tralasciare o dimenticare.

Sistema esperto

Una base di conoscenza (individuata anche con il termine inglese knowledge base e con l'acronimo KB) è un tipo speciale di database per la gestione della conoscenza per scopi aziendali, culturali o didattici. Essa costituisce dunque un ambiente volto a facilitare la raccolta, l'organizzazione e la distribuzione della conoscenza. Una base di conoscenza di interesse aziendale, normalmente, si propone l'esplicita conoscenza di una organizzazione, inclusa quella che può servire alla risoluzione dei problemi, e concerne articoli, rapporti, manuali per gli utenti ed altro. Una base di conoscenza dovrebbe rispettare una ben progettata struttura di classificazione, osservare (pochi) determinati formati per i contenuti e disporre di un motore di ricerca. L'aspetto più importante di una base di conoscenza è il tipo di informazione che contiene. Una base di conoscenza che diventa un sito da dove scaricare informazioni irrilevanti vede il suo ruolo compromesso, proprio come un'informazione irrilevante. Assicurarsi che le informazioni più rilevanti ed aggiornate siano presenti in una base di conoscenza è essenziale per il suo successo, per non menzionare il fatto di avere un eccellente sistema di recupero delle informazioni (motore di ricerca). Determinare il tipo delle informazioni e dove queste risiedono nella base di conoscenza è un'attività che viene determinata in base ai processi che supportano il sistema. Un robusto processo di creazione della struttura è la spina dorsale di una base di conoscenza di successo.

Base di conoscenza

In statistica, la regressione di Poisson è una forma di modello lineare generalizzato di analisi di regressione usato per modellare il conteggio dei dati in tabelle contingenti. La regressione di Poisson assume che la variabile di risposta Y ha una distribuzione di Poisson, e assume che il logaritmo del suo valore aspettato possa essere modellato da una combinazione lineare di parametri sconosciuti. La regressione di Poisson è talvolta conosciuta anche come modello log-lineare, specialmente quando viene usato per modellare tabelle contingenti. La regressione binomiale negativa (NB2) è una famosa generalizzazione della regressione di Poisson perché allenta il presupposto altamente restrittivo che la varianza è uguale alla media come nel modello di Poisson La NB2 si basa sulla distribuzione mista Poisson-Gamma. Questo modello è molto usato perché modella l'eterogeneità della Poisson con la distribuzione Gamma.

Regressione di Poisson

Il metodo della massima verosimiglianza, in statistica, è un procedimento matematico per determinare uno stimatore. Caso particolare della più ampia classe di metodi di stima basata sugli stimatori d'estremo, il metodo consiste nel massimizzare la funzione di verosimiglianza, definita in base alla probabilità di osservare una data realizzazione campionaria, condizionatamente ai valori assunti dai parametri statistici oggetto di stima. Il metodo è stato sviluppato, originariamente, dal genetista e statistico sir Ronald Fisher, tra il 1912 e il 1922. Data una distribuzione di probabilità formula_1, con funzione di massa (o densità, se continua) di probabilità formula_2, caratterizzata da un parametro formula_3, dato un campione di dati osservati formula_4 di dimensione formula_5 si può calcolare la probabilità associata ai dati osservati: D'altra parte, può darsi che il parametro formula_3 sia ignoto, sebbene sia noto che il campione è estratto dalla distribuzione formula_1. Un'idea per stimare formula_3 è allora utilizzare i dati a nostra disposizione: formula_4 per ottenere informazioni su formula_3. Il metodo della massima verosimiglianza ricerca il valore più "verosimile" di formula_3, ossia ricerca, all'interno dello spazio formula_13 di tutti i possibili valori di formula_3, il valore del parametro che "massimizza" la probabilità di aver ottenuto il campione dato. Da un punto di vista matematico, formula_15 o equivalentemente formula_16 è detta funzione di verosimiglianza, e lo stimatore di massima verosimiglianza è ottenuto come: Al fine di illustrare il metodo della massima verosimiglianza, si consideri un campione formula_18 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione normale: formula_19. La funzione di verosimiglianza associata è: La massimizzazione della funzione di verosimiglianza è equivalente a massimizzarne il logaritmo: I parametri formula_22 e formula_23 sono determinati risolvendo il problema di massimo: Le condizioni del primo ordine per un massimo definiscono il seguente sistema di equazioni in formula_22 e formula_23: dove i segni di apice sopra i parametri denotano i loro stimatori. Dalla prima equazione discende immediatamente lo stimatore di massima verosimiglianza per la media: cioè la media campionaria. La varianza dello stimatore formula_30 è data dalla seguente espressione: Sostituendo formula_30 nella seconda equazione, si ha lo stimatore di massima verosimiglianza per la varianza: cioè la varianza campionaria. L'esempio è particolarmente calzante, perché consente di illustrare alcune proprietà degli stimatori di massima verosimiglianza. È immediato verificare la correttezza (o "unbiasedness") di formula_30: D'altra parte, formula_36 non gode di tale proprietà. Ricordando che: segue che: Dunque formula_36 non è uno stimatore corretto; un tale stimatore sarebbe dato dalla statistica: Val la pena d'altra parte di osservare che lo stimatore di massima verosimiglianza è comunque uno stimatore asintoticamente corretto; infatti: In particolare, qualunque stimatore di massima verosimiglianza è asintoticamente corretto e asintoticamente normalmente distribuito. L'espressione per la varianza dello stimatore formula_36 è al di là degli scopi di questo esempio. È interessante osservare che gli stimatori derivati in questa sezione sono identici a quelli ottenibili, nelle stesse condizioni, impiegando il metodo dei momenti; a scanso di equivoci, si precisa che i due metodi di ricerca degli stimatori non conducono necessariamente a individuare gli stessi stimatori in condizioni più generali. Al di là dei problemi evidenziati negli esempi sopra, altre difficoltà, di portata più generale, possono essere associate agli stimatori di massima verosimiglianza. Il valore dello stimatore di massima verosimiglianza può non appartenere allo spazio dei parametri formula_13. Si consideri il caso di un campione formula_44 di v.c. identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione di Poisson di parametro formula_45. La funzione di verosimiglianza associata è: Così che la funzione di log-verosimiglianza risulta: Lo stimatore di massima verosimiglianza sarebbe dunque formula_48. Si supponga tuttavia che formula_49; poiché formula_50, la stima ottenuta con il metodo della massima verosimiglianza non è ammissibile. A prima vista il problema potrebbe apparire un dettaglio matematico di scarso rilievo nella pratica; la sua portata nelle applicazioni è tuttavia più rilevante di quanto sembri. Restando nell'ambito dell'esempio testé esposto, si osservi che la variabile casuale poissoniana è spesso utilizzata come modello per il numero di arrivi a uno sportello, un ufficio, la fermata di un autobus, etc. (si tratta di un'applicazione della teoria delle code, che fa per la precisione riferimento al processo di Poisson); in tale contesto, formula_51 rappresenta il tasso atteso di arrivi per unità di tempo. È chiaro che ipotizzare formula_52 in qualche misura snatura il processo sotto esame: può darsi che, nell'intervallo di tempo corrispondente al campione utilizzato per la stima, nessun cliente sia arrivato allo sportello (nessun passeggero alla fermata dell'autobus, etc.); ciò non significa che ci si debba aspettare che nessun cliente (o passeggero, etc.) arrivi mai! Lo stimatore di massima verosimiglianza, inoltre, "non è necessariamente unico". Si consideri, ad esempio, il caso di un campione formula_53 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, aventi distribuzione uniforme sull'intervallo formula_54, con formula_55. La funzione di verosimiglianza associata è: dove formula_57 denota la funzione indicatrice. Si supponga che il campione sia ordinato in modo tale che: (tale ipotesi è lecita in quanto le formula_59 sono indipendentemente distribuite). È facile mostrare che: Ne consegue che lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_3 è unico se e solo se formula_62; diversamente, un numero infinito di valori dello stimatore formula_63 massimizza la funzione di verosimiglianza. Se formula_63 è lo stimatore di massima verosimiglianza per il parametro formula_3, allora lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_66 è formula_67, purché formula_68 sia una funzione biiettiva. Gli stimatori di massima verosimiglianza, come illustrato negli esempi, possono essere distorti (cioè non corretti o all'inglese "biased"), anche in maniera consistente. D'altra parte essi sono asintoticamente corretti. Gli stimatori di massima verosimiglianza non conseguono in generale il limite inferiore per la varianza stabilito dal risultato di Cramér-Rao, lo conseguono però asintoticamente, cioè la varianza si discosta dal limite inferiore di Cramér-Rao per una quantità infinitesima al crescere di "n". Gli stimatori di massima verosimiglianza sono inoltre asintoticamente normalmente distribuiti.

Metodo della massima verosimiglianza

Nella teoria delle decisioni (per esempio nella gestione dei rischi), un albero di decisione è un grafo di decisioni e delle loro possibili conseguenze, (incluso i relativi costi, risorse e rischi) utilizzato per creare un 'piano di azioni' ("plan") mirato ad uno scopo ("goal"). Un albero di decisione è costruito al fine di supportare l'azione decisionale ("decision making"). Nel machine learning un albero di decisione è un modello predittivo, dove ogni nodo interno rappresenta una variabile, un arco verso un nodo figlio rappresenta un possibile valore per quella proprietà e una foglia il valore predetto per la variabile obiettivo a partire dai valori delle altre proprietà, che nell'albero è rappresentato dal cammino ("path") dal nodo radice ("root") al nodo foglia. Normalmente un albero di decisione viene costruito utilizzando tecniche di apprendimento a partire dall'insieme dei dati iniziali ("data set"), il quale può essere diviso in due sottoinsiemi: il "training set" sulla base del quale si crea la struttura dell'albero e il "test set" che viene utilizzato per testare l'accuratezza del modello predittivo così creato. Nel data mining un albero di decisione viene utilizzato per classificare le istanze di grandi quantità di dati (per questo viene anche chiamato albero di classificazione). In questo ambito un albero di decisione descrive una struttura ad albero dove i nodi foglia rappresentano le classificazioni e le ramificazioni l'insieme delle proprietà che portano a quelle classificazioni. Di conseguenza ogni nodo interno risulta essere una macro-classe costituita dall'unione delle classi associate ai suoi nodi figli. Il predicato che si associa ad ogni nodo interno (sulla base del quale avviene la ripartizione dei dati) è chiamato "condizione di split". In molte situazioni è utile definire un criterio di arresto ("halting"), o anche "criterio di potatura" ("pruning") al fine di determinarne la profondità massima. Questo perché il crescere della profondità di un albero (ovvero della sua dimensione) non influisce direttamente sulla bontà del modello. Infatti, una crescita eccessiva della dimensione dell'albero potrebbe portare solo ad aumento sproporzionato della complessità computazionale rispetto ai benefici riguardanti l'accuratezza delle previsioni/classificazioni. Una sua evoluzione è la tecnica foresta casuale ("random forest"). I parametri più largamente usati per le condizioni di split sono: formula_1 L'indice di Gini raggiunge il suo minimo (zero) quando il nodo appartiene ad una singola categoria. formula_2 In entrambe le formule "f" rappresenta la frequenza del valore "j" nel nodo "i". L'indice di Gini e la variazione di entropia sono i parametri che vengono usualmente utilizzati per guidare la costruzione dell'albero, mentre la valutazione del tasso di errore nella classificazione viene utilizzato per effettuare una ottimizzazione dell'albero nota come processo di "pruning" ("potatura" dei nodi superflui). Poiché, in generale, in un buon albero di decisione i nodi foglia dovrebbero essere il più possibile "puri" (ovvero contenere solo istanze di dati che appartengono ad una sola classe), un'ottimizzazione dell'albero consiste nel cercare di minimizzare il livello di entropia man mano che si scende dalla radice verso le foglie. In tal senso, la valutazione dell'entropia determina quali sono, fra le varie scelte a disposizione, le condizioni di split ottimali per l'albero di classificazione.

Albero di decisione

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

Il DBSCAN ("Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise") è un metodo di clustering proposto nel 1996 da Martin Ester, Hans-Peter Kriegel, Jörg Sander and Xiaowei Xu. È basato sulla densità perché connette regioni di punti con densità sufficientemente alta. DBSCAN è l'algoritmo più comunemente usato ed è anche il più citato nella letteratura scientifica. DBSCAN usa una definizione di cluster basata sulla nozione di "density-reachability". Un punto formula_1 è direttamente raggiungibile da un punto formula_2 se la loro distanza è minore di un assegnato formula_3 (cioè, è parte del suo formula_3-vicinato) e se formula_2 è circondato da un sufficiente numero di punti, allora formula_2 e formula_1 possono essere considerati parti di un cluster. Il punto formula_1 è "density-reachable" da formula_2 se c'è una sequenza formula_10 di punti con formula_11 e formula_12 dove ogni formula_13 è density-reachable direttamente da formula_14. Si osservi che la relazione density-reachable non è simmetrica dato che formula_1 potrebbe situarsi su una periferia del cluster, avendo un numero insufficiente di vicini per considerarlo un elemento genuino del cluster. Di conseguenza la nozione "density-connected" diventa: due punti formula_2 e formula_1 sono density-connected se c'è un punto formula_18 tale che sia formula_18 e formula_2 sia formula_18 e formula_1 sono density-reachable. Un cluster, che è un sotto-insieme dei punti del database, soddisfa due proprietà: DBSCAN necessita di due parametri: formula_3 (eps) e del numero minimo di punti richiesti per formare un cluster (minPts). Si comincia con un punto casuale che non è stato ancora visitato. Viene calcolato il suo formula_3-vicinato e se contiene un numero sufficiente di punti viene creato un nuovo cluster. Se ciò non avviene il punto viene etichettato come rumore e successivamente potrebbe essere ritrovato in un formula_3-vicinato sufficientemente grande riconducibile ad un punto differente entrando a far parte di un cluster. Se un punto è associato ad un cluster anche i punti del suo formula_3-vicinato sono parte del cluster. Conseguentemente tutti i punti trovati all'interno del suo formula_3-vicinato sono aggiunti al cluster, così come i loro formula_3-vicinati. Questo processo continua fino a quando il cluster viene completato. Il processo continua fino a quando non sono stati visitati tutti i punti. DBSCAN(D, eps, MinPts) DBSCAN visita ogni punto del database, anche più volte nel caso di punti candidati a cluster differenti. Tuttavia per considerazioni pratiche la complessità temporale è per lo più governata dal numero di invocazioni a getVicini, in riferimento allo pseudo codice di cui sopra. DBSCAN esegue esattamente una invocazione per ogni punto e se viene utilizzata una struttura indicizzata che esegue un'interrogazione del vicinato in formula_29, si ottiene un tempo globale di esecuzione pari a formula_30. Senza l'uso di strutture indicizzate, il tempo di esecuzione è pari a formula_31. Spesso la matrice delle distanze di dimensione formula_32 viene creata per evitare appunto il ricalcolo delle distanze riducendo il tempo di elaborazione a spese della memoria utilizzata pari a formula_31. DBSCAN presenta i seguenti vantaggi: Il rilevamento del vicinato più vicino avviene nella funzione getVicini(P,epsilon). Per ogni punto P vengono determinati tutti gli altri punti che sono all'interno dell'intervallo epsilon, basandosi sulla funzione della distanza usata nell'algoritmo. L'analisi richiede che sia calcolata una matrice delle distanze per l'intero data set. La generazione della matrice delle distanze ha una complessità di formula_34dato che è necessaria solo una matrice triangolare superiore. All'interno della matrice delle distanze il vicinato più vicino può essere calcolato selezionando la tupla che ha come valori il minimo delle funzioni su riga e colonna. La ricerca ha spinto il rilevamento del vicinato, nei database tradizionali, per migliorare la velocità. Questi ultimi risolvono il problema utilizzando indici specificamente progettati per questo tipo di applicazioni. Ogni processo di data mining ha il problema dei parametri. Ogni parametro influenza l'algoritmo in modo specifico. Per il DBSCAN i parametri epsilon e MinPnts sono necessari. I parametri devono essere specificati dall'utente dato che ogni data set richiede parametri differenti. Un valore iniziale per formula_3 può essere determinato come un k-distance graph. Come per le regole del pollice, formula_36 può essere derivato dal numero di dimensioni nel data set formula_37 come formula_38. Tuttavia valori maggiori sono usualmente migliori per data set con rumore. Anche se questa stima dei parametri restituisce un insieme sufficiente di parametri, la classificazione risultante può rivelarsi diversa da ciò che si aspetta, pertanto la ricerca ha realizzato un'incrementale ottimizzazione dei parametri su particolari valori. Per ogni oggetto vengono trovati i vicini che ricadono in un raggio dato come parametro in ingresso; se il numero di questi vicini è superiore ad un fattore di soglia, anch'esso fornito in input all'algoritmo, allora questi punti fanno parte del medesimo cluster di quello dell'oggetto che si sta osservando e in questo caso il punto è denominato core point. Al termine dell'algoritmo ci potrebbero essere alcuni punti non appartenenti a cluster catalogati come "rumore". Se c'è una catena di oggetti da attraversare (con i consueti vincoli) per raggiungere un punto "q" da uno "p", allora "q" sarà detto semplicemente rintracciabile. Ultimo caso è quello in cui due oggetti "p" e "q" sono detti connessi: per essere definiti in tal modo, deve esistere un terzo punto "o", per cui "p" e "q" sono entrambi rintracciabili.

Dbscan

In statistica e apprendimento automatico, il clustering gerarchico è un approccio di clustering che mira a costruire una gerarchia di cluster. Le strategie per il clustering gerarchico sono tipicamente di due tipi: Il risultato di un clustering gerarchico è rappresentato in un dendrogramma. Per decidere quali cluster devono essere combinati (approccio agglomerativo) o quale cluster deve essere suddiviso (approccio divisivo) è necessario definire una misura di dissimilarità tra cluster. Nella maggior parte dei metodi di clustering gerarchico si fa uso di metriche specifiche che quantificano la distanza tra coppie di elementi e di un criterio di collegamento che specifica la dissimilarità di due insiemi di elementi (cluster) come funzione della distanza a coppie tra elementi nei due insiemi. La scelta di una metrica appropriata influenza la forma dei cluster, poiché alcuni elementi possono essere più "vicini" utilizzando una distanza e più "lontani" utilizzandone un'altra. Per esempio, in uno spazio a 2 dimensioni, la distanza tra il punto (1, 1) e l'origine (0, 0) è 2, formula_1 or 1 se si utilizzando rispettivamente le norme 1, 2 o infinito. Metriche comuni sono le seguenti: Il criterio di collegamento ("linkage criterion") specifica la distanza tra insiemi di elementi come funzione di distanze tra gli elementi negli insiemi. Dati due insiemi di elementi "A" e "B" alcuni criteri comunemente utilizzati sono: dove "d" è la metrica prescelta per determinare la similarità tra coppie di elementi.

Clustering gerarchico

Nel campo dell'apprendimento automatico, una rete neurale artificiale (in inglese "artificial neural network", abbreviato in ANN o anche come NN) è un modello computazionale composto di "neuroni" artificiali, ispirato vagamente dalla semplificazione di una rete neurale biologica. Questi modelli matematici sono troppo semplici per ottenere una comprensione delle reti neurali biologiche, ma sono utilizzati per tentare di risolvere problemi ingegneristici di intelligenza artificiale come quelli che si pongono in diversi ambiti tecnologici (in elettronica, informatica, simulazione, e altre discipline). Una rete neurale artificiale può essere realizzata sia da programmi software che da hardware dedicato (DSP, "Digital Signal Processing"). Questa branca può essere utilizzata in congiunzione alla logica fuzzy. L'ampia varietà di modelli non può prescindere dal costituente di base, il neurone artificiale proposto da W.S. McCulloch e Walter Pitts in un famoso lavoro del 1943: ""A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity"", il quale schematizza un combinatore lineare a soglia, con dati binari multipli in entrata e un singolo dato binario in uscita: un numero opportuno di tali elementi, connessi in modo da formare una rete, è in grado di calcolare semplici funzioni booleane. Le prime ipotesi di apprendimento furono introdotte da D. O. Hebb nel libro del 1949: ""The organization of behavior"", nel quale vengono proposti collegamenti con i modelli complessi del cervello. Nel 1958, J. Von Neumann nella sua opera ""The computer and the brain"" esamina le soluzioni proposte dai precedenti autori sottolineando la scarsa precisione che queste strutture possedevano per potere svolgere operazioni complesse. Nello stesso anno, Frank Rosenblatt nel libro "Psychological review" introduce il primo schema di rete neurale, detto "Perceptron" (percettrone), antesignano delle attuali reti neurali, per il riconoscimento e la classificazione di forme, allo scopo di fornire un'interpretazione dell'organizzazione generale dei sistemi biologici. Il modello probabilistico di Rosenblatt è quindi mirato all'analisi, in forma matematica, di funzioni quali l'immagazzinamento delle informazioni, e della loro influenza sul riconoscimento dei pattern; esso costituisce un progresso decisivo rispetto al modello binario di McCulloch e Pitts, perché i suoi pesi sinaptici sono variabili e quindi il percettrone è in grado di apprendere. L'opera di Rosenblatt stimola una quantità di studi e ricerche che dura per un decennio, e suscita un vivo interesse e notevoli aspettative nella comunità scientifica, destinate tuttavia ad essere notevolmente ridimensionate allorché nel 1969 Marvin Minsky e Seymour A. Papert, nell'opera ""An introduction to computational geometry"", mostrano i limiti operativi delle semplici reti a due strati basate sul percettrone, e dimostrano l'impossibilità di risolvere per questa via molte classi di problemi, ossia tutti quelli non caratterizzati da separabilità lineare delle soluzioni: questo tipo di rete neurale non è abbastanza potente: non è infatti neanche in grado di calcolare la funzione "or esclusivo" (XOR). A causa di queste limitazioni, al periodo di euforia dovuto ai primi risultati della cibernetica (come veniva chiamata negli anni sessanta) segue un periodo di diffidenza durante il quale tutte le ricerche in questo campo non ricevono più alcun finanziamento dal governo degli Stati Uniti d'America; le ricerche sulle reti tendono, di fatto, a ristagnare per oltre un decennio, e l'entusiasmo iniziale risulta fortemente ridimensionato. Il contesto matematico per addestrare le reti MLP ("Multi-Layers Perceptron", ossia percettrone multistrato) fu stabilito dal matematico americano Paul Werbos nella sua tesi di dottorato (Ph.D.) del 1974. Non fu dato molto peso al suo lavoro tanto fu forte la confutazione dimostrata da Minsky e Papert anni prima, e solo l'intervento di J. J. Hopfield, nel 1982, che in un suo lavoro studia dei modelli di riconoscimento di pattern molto generali, si oppose in modo diretto alla confutazione di Minsky riaprendo così degli spiragli per la ricerca in questo campo. Uno dei metodi più noti ed efficaci per l'addestramento di tale classe di reti neurali è il cosiddetto algoritmo di retropropagazione dell'errore (error backpropagation), proposto nel 1986 da David E. Rumelhart, G. Hinton e R. J. Williams, il quale modifica sistematicamente i pesi delle connessioni tra i nodi, così che la risposta della rete si avvicini sempre di più a quella desiderata. Tale lavoro fu prodotto riprendendo il modello creato da Werbos. L'algoritmo di retropropagazione ("backpropagation" o BP) è una tecnica d'apprendimento tramite esempi, costituente una generalizzazione dell'algoritmo d'apprendimento per il percettrone sviluppato da Rosenblatt nei primi anni '60. Mediante questa tecnica era possibile, come detto, trattare unicamente applicazioni caratterizzabili come funzioni booleane linearmente separabili. L'algoritmo di apprendimento si basa sul metodo della discesa del gradiente che permette di trovare un minimo locale di una funzione in uno spazio a N dimensioni. I pesi associati ai collegamenti tra gli strati di neuroni si inizializzano a valori piccoli (ovvero molto inferiori ai valori reali che poi assumeranno) e casuali e poi si applica la regola di apprendimento presentando alla rete dei pattern di esempio. Queste reti neurali sono poi capaci di generalizzare in modo appropriato, cioè di dare risposte plausibili per input che non hanno mai visto. L'addestramento di une rete neurale di tipo BP avviene in due diversi stadi: "forward-pass" e "backward-pass". Nella prima fase i vettori in input sono applicati ai nodi in ingresso con una propagazione in avanti dei segnali attraverso ciascun livello della rete ("forward-pass"). Durante questa fase i valori dei pesi sinaptici sono tutti fissati. Nella seconda fase la risposta della rete viene confrontata con l'uscita desiderata ottenendo il segnale d'errore. L'errore calcolato è propagato nella direzione inversa rispetto a quella delle connessioni sinaptiche. I pesi sinaptici infine sono modificati in modo da minimizzare la differenza tra l'uscita attuale e l'uscita desiderata ("backward-pass"). Tale algoritmo consente di superare le limitazioni del percettrone e di risolvere il problema della separabilità non lineare (e quindi di calcolare la funzione XOR), segnando il definitivo rilancio delle reti neurali, come testimoniato anche dall'ampia varietà d'applicazioni commerciali: attualmente la BP rappresenta un algoritmo di largo uso in molti campi applicativi. Una rete neurale artificiale (ANN ""Artificial Neural Network"" in inglese), normalmente chiamata solo "rete neurale" (NN ""Neural Network"" in inglese), è un modello matematico/informatico di calcolo basato sulle reti neurali biologiche. Tale modello è costituito da un gruppo di interconnessioni di informazioni costituite da neuroni artificiali e processi che utilizzano un approccio di connessionismo di calcolo. Nella maggior parte dei casi una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la propria struttura in base a informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete stessa durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Una rete neurale artificiale riceve segnali esterni su uno strato di nodi (unità di elaborazione) d'ingresso, ciascuno dei quali è collegato con numerosi nodi interni, organizzati in più livelli. Ogni nodo elabora i segnali ricevuti e trasmette il risultato a nodi successivi. Il concetto di rete neurale si pone perché una funzione formula_1 è definita come una composizione di altre funzioni formula_2, che possono a loro volta essere ulteriormente definite come composizione di altre funzioni. Questo può essere comodamente rappresentato come una struttura di reti, con le frecce raffiguranti le dipendenze tra variabili. Una rappresentazione ampiamente utilizzata è la somma ponderata non lineare, dove formula_3, dove formula_4 è una funzione predefinita, come ad esempio la tangente iperbolica. Sarà conveniente per le seguenti far riferimento ad un insieme di funzioni come un vettore formula_5. La Figura 1 esemplifica una decomposizione della funzione formula_6, con dipendenze tra le variabili indicate dalle frecce. Queste possono essere interpretate in due modi: I due punti di vista sono in gran parte equivalenti. In entrambi i casi, per questa particolare architettura di rete, i componenti dei singoli strati sono indipendenti l'uno dall'altro (ad esempio, le componenti di formula_8 sono indipendenti l'una dall'altra, dato il loro ingresso formula_15). Questo, naturalmente, permette un certo grado di parallelismo nella costruzione del sistema. Reti, come ad esempio quelle precedenti vengono comunemente chiamate ""feedforward"", perché il loro è un grafico aciclico diretto. Reti con cicli al loro interno sono comunemente chiamati reti ricorrenti. Tali reti sono comunemente raffigurate nel modo indicato nella parte superiore della Figura 2, dove la funzione formula_6 è mostrata come dipendente su se stessa. Tuttavia, vi è una dipendenza temporale implicita che non è possibile dimostrare. Questo significa in pratica che il valore di formula_6 ad un certo punto nel tempo formula_18 dipende dai valori di formula_6 al tempo zero o su uno o più altri punti temporali. Il modello del grafico nella parte inferiore della Figura 2 illustra il caso in cui il valore di formula_6 al tempo formula_18 dipende solo dal suo valore finale. Tuttavia la funzionalità più interessante di queste funzioni, ciò che ha attirato l'interesse e lo studio per la maggior parte delle reti neurali, è la possibilità di apprendimento, che in pratica significa la seguente: Ciò comporta la definizione di una funzione di costo formula_24 tale che, per la soluzione ottimale formula_25 formula_26 nessuna soluzione ha un costo inferiore al costo della soluzione ottimale. La funzione di costo formula_27 è un concetto importante nell'apprendimento, poiché si tratta di una misura di quanto è lontana da noi la soluzione ottimale del problema che vogliamo risolvere. Quindi vi sono una serie di algoritmi di apprendimento che cercano nello spazio delle soluzioni al fine di trovare una funzione che abbia il minor costo possibile. Per applicazioni in cui la soluzione dipende da alcuni dati, il costo deve essere necessariamente funzione delle osservazioni. Mentre è possibile definire per alcune reti una funzione di costo ad hoc, spesso si può utilizzare una particolare funzione di costo poiché gode delle proprietà desiderate (ad esempio, la convessità), o perché proviene da una particolare formulazione del problema (vale a dire, in una formulazione probabilistica, la probabilità a posteriori del modello può essere utilizzata come l'inverso del costo). In ultima analisi, la funzione di costo dipenderà dal compito. Vi sono tre grandi paradigmi di apprendimento, ciascuno corrispondente ad un particolare compito astratto di apprendimento. Si tratta dell'apprendimento supervisionato, apprendimento non supervisionato e l'apprendimento per rinforzo. Di solito un tipo di architettura di rete può essere impiegato in qualsiasi di tali compiti. L'algoritmo di apprendimento hebbiano (1984) si basa sul semplice principio che se due neuroni si attivano contemporaneamente, la loro interconnessione deve essere rafforzata. formula_28 dove formula_29, dove formula_30 è l'formula_31 ingresso e formula_32 è il tasso di apprendimento formula_33. La regola di Hebb è la seguente: l'efficacia di una particolare sinapsi cambia se e solo se c'è un'intensa attività simultanea dei due neuroni, con un'alta trasmissione di input nella sinapsi in questione. Esempio di procedura: In questo modo le connessioni possono solo irrobustirsi. Le connessioni si considerano irrobustite quando le unità presinaptica e postsinaptica sono d'accordo, altrimenti si indeboliscono. Si considerano funzioni bipolari (-1,1) invece che booleane (0,1). Le reti neurali si basano principalmente sulla simulazione di neuroni artificiali opportunamente collegati. Il modello rappresentato in figura è quello proposto da McCulloch e Pitts. I suddetti neuroni ricevono in ingresso degli stimoli e li elaborano. L'elaborazione può essere anche molto sofisticata ma in un caso semplice si può pensare che i singoli ingressi vengano moltiplicati per un opportuno valore detto peso, il risultato delle moltiplicazioni viene sommato e se la somma supera una certa soglia il neurone si attiva attivando la sua uscita. Il peso indica l'efficacia sinaptica della linea di ingresso e serve a quantificarne l'importanza, un ingresso molto importante avrà un peso elevato, mentre un ingresso poco utile all'elaborazione avrà un peso inferiore. Si può pensare che se due neuroni comunicano fra loro utilizzando maggiormente alcune connessioni allora tali connessioni avranno un peso maggiore, fino a che non si creeranno delle connessioni tra l'ingresso e l'uscita della rete che sfruttano "percorsi preferenziali". Tuttavia è sbagliato pensare che la rete finisca col produrre un unico percorso di connessione: tutte le combinazioni infatti avranno un certo peso, e quindi contribuiscono al collegamento ingresso/uscita. Il modello in figura rappresenta una classica rete neurale pienamente connessa. I singoli neuroni vengono collegati alla schiera di neuroni successivi, in modo da formare una rete di neuroni. Normalmente una rete è formata da tre strati. Nel primo abbiamo gli ingressi (I), questo strato si preoccupa di trattare gli ingressi in modo da adeguarli alle richieste dei neuroni. Se i segnali in ingresso sono già trattati può anche non esserci. Il secondo strato è quello nascosto (H, "hidden"), si preoccupa dell'elaborazione vera e propria e può essere composto anche da più colonne di neuroni. Il terzo strato è quello di uscita (O) e si preoccupa di raccogliere i risultati ed adattarli alle richieste del blocco successivo della rete neurale. Queste reti possono essere anche molto complesse e coinvolgere migliaia di neuroni e decine di migliaia di connessioni. Per costruire la struttura di una rete neurale multistrato si possono inserire formula_38 strati "hidden." L'efficacia di generalizzare di una rete neurale multistrato dipende ovviamente dall'addestramento che ha ricevuto e dal fatto di essere riuscita o meno ad entrare in un minimo locale buono. L'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation") è utilizzato nell'apprendimento con supervisione. Esso permette di modificare i pesi delle connessioni in modo tale che si minimizzi una certa funzione errore E. Tale funzione dipende dal vettore h-esimo di output formula_39 restituito dalla rete, dato il vettore h-esimo di ingresso formula_40 e dal vettore h-esimo di output formula_41che noi desideriamo (che fa parte del training set). Il training set è dunque un insieme di N coppie di vettori formula_42, con formula_43. La funzione errore che si deve minimizzare si può scrivere come: formula_44 dove l'indice k rappresenta il valore corrispondente al k-esimo neurone di output. E(w) è una funzione dipendente dai pesi (che in generale variano nel tempo), per minimizzarla si può usare l'algoritmo della discesa del gradiente ("gradient descent"). L'algoritmo parte da un punto generico formula_45 e calcola il gradiente formula_46. Il gradiente dà la direzione verso cui muoversi lungo la quale si ha il massimo incremento (o decremento se considero formula_47). Definita la direzione ci si muove di una distanza formula_32 predefinita a priori e si trova un nuovo punto formula_49 sul quale è calcolato nuovamente il gradiente. Si continua iterativamente finché il gradiente non è nullo. L'algoritmo di backpropagation può essere diviso in due passi: I passi logici per addestrare una rete neurale con apprendimento supervisionato sono i seguenti: Per l'addestramento di reti neurali profonde, impiegando dataset molto vasti, la discesa del gradiente classica risulta computazionalmente proibitiva, per cui nell'ottimizzare i parametri del modello si fa tipicamente uso dell'algoritmo di discesa stocastica del gradiente. Nel 1982, il fisico John J. Hopfield pubblica un articolo fondamentale in cui presenta un modello matematico comunemente noto appunto come rete di Hopfield: tale rete si distingue per "l'emergere spontaneo di nuove capacità computazionali dal comportamento collettivo di un gran numero di semplici elementi d'elaborazione". Le proprietà collettive del modello producono una memoria associativa per il riconoscimento di configurazioni corrotte e il recupero di informazioni mancanti. Inoltre, Hopfield ritiene che ogni sistema fisico possa essere considerato come un potenziale dispositivo di memoria, qualora esso disponga di un certo numero di stati stabili, i quali fungano da attrattore per il sistema stesso. Sulla base di tale considerazione, egli si spinge a formulare la tesi secondo cui la stabilità e la collocazione di tali attrattori sono proprietà spontanee di sistemi costituiti, come accennato, da considerevoli quantità di neuroni reciprocamente interagenti. Le applicazioni delle reti di Hopfield riguardano principalmente la realizzazione di memorie associative, resistenti all'alterazione delle condizioni operative, e la soluzione di problemi d'ottimizzazione combinatoriale. Da un punto di vista strutturale, la rete di Hopfield costituisce una rete neurale ricorrente simmetrica, di cui è garantita la convergenza. Una rete ricorrente è un modello neurale in cui è presente un flusso bidirezionale d'informazioni; in altri termini, mentre nelle reti di tipo feedforward la propagazione dei segnali avviene unicamente, in maniera continua, nella direzione che conduce dagli ingressi alle uscite, nelle reti ricorrenti tale propagazione può anche manifestarsi da uno strato neurale successivo ad uno precedente, oppure tra neuroni appartenenti ad uno stesso strato, e persino tra un neurone e sé stesso. Un significativo e noto esempio di semplice rete ricorrente è dovuto a Jeffrey L. Elman (1990). Essa costituisce una variazione sul tema del percettrone multistrato, con esattamente tre strati e l'aggiunta di un insieme di neuroni "contestuali" nello strato d'ingresso. Le connessioni retroattive si propagano dallo strato intermedio (e nascosto) a tali unità contestuali, alle quali si assegna peso costante e pari all'unità. In ciascun istante, gli ingressi si propagano nel modo tradizionale e tipico delle reti feedforward, compresa l'applicazione dell'algoritmo d'apprendimento (solitamente la "backpropagation"). Le connessioni retroattive fisse hanno come effetto quello di mantenere una copia dei precedenti valori dei neuroni intermedi, dal momento che tale flusso avviene sempre prima della fase d'apprendimento. In questo modo la rete di Elman tiene conto del suo stato precedente, cosa che le consente di svolgere compiti di previsione di sequenze temporali che sono difficilmente alla portata dei percettroni multistrato convenzionali. Infine, un ultimo interessante tipo di rete è costituita dalla cosiddetta mappa auto-organizzante o rete SOM ("Self-Organizing Map"). Tale innovativo tipo di rete neurale è stata elaborata da Teuvo Kohonen dell'Università Tecnologica di Helsinki; il suo algoritmo d'apprendimento è senza dubbio una brillante formulazione di apprendimento non supervisionato, e ha dato luogo a un gran numero di applicazioni nell'ambito dei problemi di classificazione. Una mappa o rete SOM è basata essenzialmente su un reticolo o griglia di neuroni artificiali i cui pesi sono continuamente adattati ai vettori presentati in ingresso nel relativo insieme di addestramento. Tali vettori possono essere di dimensione generica, anche se nella maggior parte delle applicazioni essa è piuttosto alta. Per ciò che riguarda le uscite della rete, al contrario, ci si limita di solito ad una dimensione massima pari a tre, il che consente di dare luogo a mappe 2D o 3D. In termini più analitici, l'algoritmo può essere agevolmente descritto, come accennato, nei termini di un insieme di neuroni artificiali, ciascuno con una precisa collocazione sulla mappa rappresentativa degli "output", che prendono parte ad un processo noto come "winner takes all" ("Il vincitore piglia tutto"), al termine del quale il nodo avente un vettore di pesi più vicino ad un certo "input" è dichiarato vincitore, mentre i pesi stessi sono aggiornati in modo da avvicinarli al vettore in ingresso. Ciascun nodo ha un certo numero di nodi adiacenti. Quando un nodo vince una competizione, anche i pesi dei nodi adiacenti sono modificati, secondo la regola generale che più un nodo è lontano dal nodo vincitore, meno marcata deve essere la variazione dei suoi pesi. Il processo è quindi ripetuto per ogni vettore dell'insieme di "training", per un certo numero, solitamente grande, di cicli. Va da sé che ingressi diversi producono vincitori diversi. Operando in tal modo, la mappa riesce alfine ad associare i nodi d'uscita con i gruppi o schemi ricorrenti nell'insieme dei dati in ingresso. Se questi schemi sono riconoscibili, essi possono essere associati ai corrispondenti nodi della rete addestrata. In maniera analoga a quella della maggioranza delle reti neurali artificiali, anche la mappa o rete SOM può operare in due distinte modalità: In generale una ANN ("Attractor Neural Network") è una rete di nodi (es: biologicamente ispirati), spesso interconnessi in modo ricorsivo, la cui dinamica nel tempo stabilisce un assestamento in un particolare modo di oscillazione. Questo modo di oscillazione può essere stazionario, variante nel tempo o di tipo stocastico ed è chiamato il suo 'attrattore'. In neuroscienza teorica diversi tipi di reti ad attrattori sono state associate a differenti funzioni, come: memoria, attenzione, condotta del moto e classificazione. Più precisamente, una rete ad attrattori è una rete di N nodi connessi in modo che la loro intera dinamica diventi stabile in uno spazio D dimensionale, dove solitamente N»D. Ciò assume che non vi sia più input dall'esterno del sistema. La stabilità nello stato ad attrattore indica l'esistenza di uno stato stabile in una qualche varietà algebrica (es: linea, cerchio, piano, toroide). L'utilità dei modelli di rete neurale sta nel fatto che queste possono essere usate per comprendere una funzione utilizzando solo le osservazioni sui dati. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni in cui la complessità dei dati o la difficoltà di elaborazione rende la progettazione di una tale funzione impraticabile con i normali procedimenti di analisi manuale. I compiti a cui le reti neurali sono applicate possono essere classificate nelle seguenti grandi categorie di applicazioni: Le aree di applicazione includono i sistemi di controllo (controllo di veicoli, controllo di processi), simulatori di giochi e processi decisionali (backgammon, scacchi), riconoscimento di pattern (sistemi radar, identificazione di volti, riconoscimento di oggetti, ecc), riconoscimenti di sequenze (riconoscimento di gesti, riconoscimento vocale, OCR), diagnosi medica, applicazioni finanziarie, data mining, filtri spam per e-mail. Le reti neurali per come sono costruite lavorano in parallelo e sono quindi in grado di trattare molti dati. Si tratta in sostanza di un sofisticato sistema di tipo statistico dotato di una buona immunità al rumore; se alcune unità del sistema dovessero funzionare male, la rete nel suo complesso avrebbe delle riduzioni di prestazioni ma difficilmente andrebbe incontro ad un blocco del sistema. I software di ultima generazione dedicati alle reti neurali richiedono comunque buone conoscenze statistiche; il grado di apparente utilizzabilità immediata non deve trarre in inganno, pur permettendo all'utente di effettuare subito previsioni o classificazioni, seppure con i limiti del caso. Da un punto di vista industriale, risultano efficaci quando si dispone di dati storici che possono essere trattati con gli algoritmi neurali. Ciò è di interesse per la produzione perché permette di estrarre dati e modelli senza effettuare ulteriori prove e sperimentazioni. I modelli prodotti dalle reti neurali, anche se molto efficienti, non sono spiegabili in linguaggio simbolico umano: i risultati vanno accettati "così come sono", da cui anche la definizione inglese delle reti neurali come "black box": in altre parole, a differenza di un sistema algoritmico, dove si può esaminare passo-passo il percorso che dall'input genera l'output, una rete neurale è in grado di generare un risultato valido, o comunque con una alta probabilità di essere accettabile, ma non è possibile spiegare come e perché tale risultato sia stato generato. Come per qualsiasi algoritmo di modellazione, anche le reti neurali sono efficienti solo se le variabili predittive sono scelte con cura. Non sono in grado di trattare in modo efficiente variabili di tipo categorico (per esempio, il nome della città) con molti valori diversi. Necessitano di una fase di addestramento del sistema che fissi i pesi dei singoli neuroni e questa fase può richiedere molto tempo, se il numero dei record e delle variabili analizzate è molto grande. Non esistono teoremi o modelli che permettano di definire la rete ottima, quindi la riuscita di una rete dipende molto dall'esperienza del creatore. Le reti neurali vengono solitamente usate in contesti dove i dati possono essere parzialmente errati oppure dove non esistano modelli analitici in grado di affrontare il problema. Un loro tipico utilizzo è nei software di OCR, nei sistemi di riconoscimento facciale e più in generale nei sistemi che si occupano di trattare dati soggetti a errori o rumore. Esse sono anche uno degli strumenti maggiormente utilizzati nelle analisi di Data mining. Le reti neurali vengono anche utilizzate come mezzo per previsioni nell'analisi finanziaria o meteorologica. Negli ultimi anni è aumentata notevolmente la loro importanza anche nel campo della bioinformatica nel quale vengono utilizzate per la ricerca di pattern funzionali e/o strutturali in proteine e acidi nucleici. Mostrando opportunamente una lunga serie di input (fase di training o apprendimento), la rete è in grado di fornire l'output più probabile. Negli ultimi anni inoltre sono in corso studi per il loro utilizzo nella previsione degli attacchi Epilettici (Analisi dei Dati provenienti dall' EEG). Recenti studi hanno dimostrato buone potenzialità delle reti neurali in sismologia per la localizzazione di epicentri di terremoti e predizione della loro intensità.

Rete neurale artificiale

Nell'ambito dell'inferenza statistica bayesiana, una distribuzione di probabilità a priori, detta spesso anche distribuzione a priori, di una quantità incognita "p" (per esempio, supponiamo "p" essere la proporzione di votanti che voteranno per il politico Rossi in un'elezione futura) è la distribuzione di probabilità che esprimerebbe l'incertezza di "p" prima che i "dati" (per esempio, un sondaggio di opinione) siano presi in considerazione. Il proposito è di attribuire incertezza piuttosto che casualità a una quantità incerta. La quantità incognita può essere un parametro o una variabile latente. Si applica il teorema di Bayes, moltiplicando la distribuzione a priori per la funzione di verosimiglianza e quindi normalizzando, per ottenere la distribuzione di probabilità a posteriori, la quale è la distribuzione condizionata della quantità incerta una volta ottenuti i dati. Spesso una distribuzione a priori è l'accertamento soggettivo (elicitazione) di una persona esperta. Quando possibile, alcuni sceglieranno una "distribuzione a priori coniugata" per rendere più semplice il calcolo della distribuzione a posteriori. I parametri di una distribuzione a priori sono chiamati "iperparametri", per distinguerli dai parametri del modello dei dati sottostanti. Per esempio, se si sta usando una distribuzione beta per modellare la distribuzione di un parametro "p" di una distribuzione di Bernoulli, allora: Una "distribuzione a priori informativa" esprime una specifica, definita informazione circa una variabile. Un esempio è la distribuzione a priori per la temperatura di domattina. Un approccio ragionevole è costruire la distribuzione a priori come una distribuzione normale con valore atteso uguale alla temperatura mattutina di oggi, con una varianza uguale alla varianza giorno per giorno della temperatura atmosferica, oppure come una distribuzione della temperatura per quel tal giorno dell'anno. Questo esempio ha una proprietà in comune con molte distribuzioni a priori, ovvero che la distribuzione a posteriori di un problema (temperatura odierna) diventa la distribuzione a priori per un altro problema (temperatura di domani); l'evidenza preesistente, che è già stata tenuta in conto, è parte della distribuzione a priori e come ulteriore evidenza viene accumulata. La distribuzione a priori è largamente determinata dall'evidenza piuttosto che da qualche assunzione originale, sempre che l'assunzione originale ammetta la possibilità (ossia sia compatibile) con quello che l'evidenza suggerisce. I termini "a priori" e "a posteriori" sono generalmente relativi a un dato o un'osservazione specifica. Una "distribuzione a priori non informativa" esprime vaghezza o informazione a carattere generale circa una variabile. Il termine "non informativa" può essere un po' fuorviante; spesso, tale tipo di distribuzione è chiamata "a priori non molto informativa", oppure "a priori oggettiva", cioè una distribuzione che non è soggettivamente esplicitata. Le distribuzioni a priori non informative possono esprimere informazione "oggettiva" come ad esempio "la variabile è positiva" oppure "la variabile è minore di tal limite". La più semplice e vecchia regola per determinare una distribuzione a priori non informativa è il principio d'indifferenza, il quale assegna a tutti gli eventi uguale probabilità. In problemi di stima parametrica, l'uso di una distribuzione a priori non informativa dà risultati che sono non troppo differenti dall'analisi statistica convenzionale. Questo accade in quanto la funzione di verosimiglianza fornisce la parte maggiore dell'informazione rispetto a quella fornita dalla distribuzione a priori non informativa nel determinare una distribuzione a posteriori. Vari tentativi sono stati fatti per trovare probabilità a priori, cioè distribuzioni di probabilità in un certo senso logicamente richieste dalla natura di uno stato di incertezza; queste sono soggette a controversia filosofica, con i sostenitori del metodo bayesiano approssimativamente divisi in due scuole: i "bayesiani oggettivistici", che credono che tali distribuzioni a priori esistano in molte situazioni, e i "bayesiani soggettivisti" che credono che in pratica le distribuzioni a priori rappresentino giudizi di opinione che non possono essere rigorosamente giustificati. Per la maggiore le più forti argomentazioni a favore della scuola oggettivistica furono date da Edwin T. Jaynes. Come esempio di una distribuzione a priori, dovuta a, consideriamo una situazione in cui sappiamo che una pallina è nascosta sotto una di tre tazze rovesciate, A, B o C, ma nessun'altra informazione è disponibile circa la sua posizione. In questo caso una distribuzione a priori uniforme di formula_1 sembra intuitivamente verosimile la sola scelta ragionevole. Più formalmente, noi possiamo vedere che il problema rimane lo stesso se scambiamo le lettere identificative "A", "B" e "C" delle tazze. Sarebbe perciò strano scegliere una distribuzione a priori per la quale una permutazione delle lettere causerebbe un cambio nella nostra predizione circa la posizione dove la pallina sarà trovata; la distribuzione a priori uniforme è la sola che preserva questa invarianza. Se si accetta questo principio di invarianza allora si può vedere che la distribuzione a priori uniforme è la distribuzione logicamente corretta che rappresenta questo stato di conoscenza a priori. Si avrà notato che questa distribuzione a priori è "oggettiva" nel senso di essere la scelta corretta per rappresentare un particolare stato di conoscenza, ma non è oggettiva nel senso di essere una caratteristica del sistema osservato indipendente dall'osservatore: in realtà la pallina esiste sotto una specifica tazza e in questa situazione ha solo senso parlare di probabilità se c'è un osservatore con una conoscenza limitata del sistema ossia della posizione della pallina sotto le tazze. Come esempio più controverso, Jaynes pubblicò un argomento basato sui gruppi di Lie suggerente che la distribuzione a priori rappresentante in maniera completa l'incertezza sarebbe la distribuzione a priori di Haldane "p"(1 − "p"). L'esempio fornito da Jaynes è quello di trovare un chimico in un laboratorio e di chiedergli di eseguire ripetutamente degli esperimenti di dissoluzione in acqua. La distribuzione a priori di Haldane da prevalentemente la maggiore probabilità agli eventi formula_2 and formula_3, indicando che il campione ogni volta si scioglierà oppure no, con uguale probabilità. Tuttavia se sono stati osservati campioni non disciogliersi in un esperimento e disciogliersi in un altro, allora questa distribuzione a priori è aggiornata alla distribuzione uniforme sull'intervallo [0, 1]. Questo risultato si ottiene applicando il teorema di Bayes all'insieme di dati consistente in un'osservazione di dissoluzione e una di non dissoluzione, usando la distribuzione a priori precedente. sulla base che essa fornisce una distribuzione a posteriori impropria che pone il 100% del contenuto di probabilità sia a "p" = 0 o a "p" = 1 se un numero finito di esperimenti ha dato lo stesso risultato (ad esempio il discioglimento). La distribuzione a priori di Jeffreys "p"(1 − "p") è perciò preferita ("cfr." sotto). Se lo spazio parametrico X è dotato di una struttura di gruppo naturale che lascia invariato il nostro stato di conoscenza bayesiano, allora la distribuzione a priori può essere costruita proporzionale alla Misura di Haar. Questo può essere visto come una generalizzazione del principio di invarianza che giustificava la distribuzione a priori uniforme dell'esempio delle tre tazze visto sopra. Per esempio, in fisica ci si aspetta che un esperimento dia i medesimi risultati indipendentemente dalla scelta dell'origine del sistema di coordinate. Questo induce la struttura gruppale del gruppo delle traslazioni su "X", il quale determina la distribuzione di probabilità a priori come una distribuzione a priori impropria costante. Analogamente alcuni sistemi fisici presentano un'invarianza di scala (ossia i risultati sperimentali sono indipendenti dal fatto che, ad esempio, usiamo centimetri o pollici). In tal caso il gruppo di scala è la struttura di gruppo naturale, e la corrispondente distribuzione a priori su "X" è proporzionale a 1/"x". Qualche volta risulta importante se viene usata la misura di Haar invariante a sinistra piuttosto che quella invariante a destra. Per esempio, le misure di Haar invarianti a destra e a sinistra sul gruppo affine non sono uguali. Berger (1985, p. 413) arguisce che la scelta corretta è la misura di Haar invariante a destra. Un'altra idea, supportata da Edwin T. Jaynes, è di usare il principio di massima entropia (MAXENT). La motivazione è che l'entropia di Shannon di una distribuzione di probabilità misura l'ammontare di informazione contenuta nella distribuzione. Maggiore è l'entropia, minore è l'informazione fornita dalla distribuzione. Perciò, mediante la massimizzazione dell'entropia sopra un adeguato insieme di distribuzioni di probabilità su "X", si trova la distribuzione che è meno informativa nel senso che essa contiene il minore ammontare di informazione consistente con le costrizioni definite dall'insieme scelto. Per esempio, la distribuzione a priori di massima entropia su uno spazio discreto, dato solo il fatto che la probabilità è normalizzata a 1, è la distribuzione a priori che assegna uguale probabilità ad ogni stato. Mentre nel caso continuo, la distribuzione a priori di massima entropia con densità normalizzata, media nulla e varianza unitaria, è la ben nota distribuzione normale. Il principio di minima entropia incrociata generalizza il principio di massima entropia al caso di "aggiornamento" di una distribuzione a priori arbitraria con adeguate costrizioni nel senso di massima entropia. Un'idea collegata, la distribuzione a priori di riferimento, fu introdotta da José-Miguel Bernardo. Qui l'idea è di massimizzare il valore atteso della divergenza di Kullback–Leibler della distribuzione a posteriori rispetto alla distribuzione a priori. Questo massimizza l'informazione attesa riguardante "X" quando la densità a priori è "p"("x"); perciò, in un certo senso, "p"("x") è la distribuzione a priori "meno informativa" riguardo X. La distribuzione a priori di riferimento è definita nel limite asintotico, cioè si considera il limite delle distribuzioni a priori così ottenute come il numero di dati va all'infinito. Nei problemi multivariati spesso vengono scelte come distribuzioni a priori oggettive le distribuzioni a priori di riferimento, dato che altre scelte (ad esempio la regola di Jeffreys possono portare a distribuzioni a priori dal comportamento problematico. Distribuzioni a priori oggettive possono anche essere derivate da altri principi, come le teorie dell'informazione o le teorie della codifica (vedi ad esempio lunghezza di descrizione minima) oppure della statistica frequentista. Problemi filosofici legati alle distribuzioni a priori non informative sono associati alla scelta di una metrica appropriata o scala di misurazione. Supponiamo di volere una distribuzione a priori per la valocità di un corridore a noi sconosciuto. Potremmo specificare, diciamo, per la sua velocità una distribuzione a priori di tipo normale, ma in alternativa potremmo specificare una distribuzione a priori normale per il tempo impiegato a percorrere 100 metri, il quale è proporzionale al reciproco della prima distribuzione a priori. Queste due distribuzioni a priori sono effettivamente differenti, ma non è chiaro quale delle due preferire. Il metodo, spesso sopravvalutato, di trasformazione dei gruppi di Jaynes può rispondere a tale questione in varie situazioni. In maniera simile, se ci è chiesto di stimare una proporzione incognita tra 0 e 1, noi possiamo affermare che tutte le proporzioni sono ugualmente probabili ed usare una distribuzione a priori uniforme. Alternativamente, potremmo dire che tutti gli ordini di grandezza per la proporzione sono ugualmente probabili, e scegliere la distribuzione a priori logaritmica, la quale è la distribuzione a priori uniforme sul logaritmo della proporzione. La distribuzione a priori di Jeffreys tenta di risolvere questo problema calcolando una distribuzione a priori che esprime la medesima credenza indipendentemente dalla metrica utilizzata. La distribuzione a priori di Jeffreys per una proporzione incognita "p" è "p"(1 − "p"), che differisce da quella raccomandata da Jaynes. Distribuzioni a priori basate sulla nozione di probabilità algoritmica vengono impiegate nel campo dell'inferenza induttiva come base induttiva in configurazioni del tutto generali. Problemi pratici associati con le distribuzioni a priori non informative includono il requisito che la distribuzione a posteriori sia propria. Le distribuzioni a priori non informative su variabili continue, non limitate sono improprie. Questo non è necessariamente un problema se la distribuzione a posteriori è propria. Un altro argomento importante è quello in cui se una distribuzione a priori non informativa viene usata in maniera regolare, cioè con svariati insiemi di dati, allora essa avrebbe buone proprietà frequentiste. Normalmente un bayesiano non dovrebbe porsi questo problema, ma potrebbe essere importante farlo in questa situazione. Per esempio, uno potrebbe volere che qualsiasi regola di decisione basata sulla distribuzione a posteriori sia ammissibile sotto la funzionedi perdita adottata. Sfortunatamente, l'ammissibilità è difficile da verificare, nonostante vari risultati siano noti ("cfr." ad esempio, Berger and Strawderman, 1996). Il problema è particolarmente acuto con i modelli di Bayes gerarchici; le distribuzioni a priori usuali (ad esempio la distribuzione a priori di Jeffreys) possono dare regole di decisione praticamente inammissibili se impiegate ai livelli gerarchici più elevati. Se il teorema di Bayes viene scritto come allora è chiaro che si otterrebbe il medesimo risultato se tutte le probabilità a priori "P"("A") e "P"("A") fossero moltiplicate per una data costante; lo stesso sarebbe vero per una variabile casuale continua. Se la sommatoria al denominatore converge, le probabilità a posteriori sommeranno (o integreranno) ancora a 1 anche se i valori della distribuzione a priori non lo fanno, e in tal modo può solo essere necessario richiedere alle distribuzioni a priori di essere specificate nella proporzione corretta. Spingendo oltre questa idea, in molti casi non è neanche richiesto che la somma o l'integrale dei valori della distribuzione a priori sia finita per ottenere risposte significative circa le probabilità a posteriori. Quando questo è il caso, la distribuzione a priori è chiamata distribuzione a priori impropria. Tuttavia, se la distribuzione a priori è impropria, allora non è necessario che la distribuzione a posteriori sia propria. Questo è chiaro nella situazione in cui l'evento "B" è indipendente da tutti gli altri eventi "A". Vari statistici usano le distribuzioni a priori improprie come distribuzioni a priori non informative. Per esempio, se hanno bisogno di una distribuzione a priori per la media e la varianza di una variabile casuale, allora essi assumono "p"("m", "v") ~ 1/"v" (per "v" > 0) il che suggerirebbe che qualsiasi valore per la media è "ugualmente probabile" e che un valore per la varianza positiva diventa "meno probabile" in proporzione inversa al suo valore. Molti autori (Lindley, 1973; De Groot, 1937; Kass and Wasserman, 1996) mettono in guardia contro il pericolo di sovra-interpretare tali distribuzioni a priori poiché non sono densità di probabilità. La loro sola rilevanza che esse hanno si trova nella distribuzione a posteriori corrispondente, fintanto che questa è ben definita per tutte le osservazioni. (La distribuzione a priori di Haldane è un tipico controesempio.) Esempi di distribuzioni a priori includono: Il concetto di probabilità algoritmica fornisce una via per specificare la probabilità delle distribuzioni a priori basata sulla complessità relativa di modelli presi in considerazione e tra loro alternativi.

Distribuzione di probabilità a priori

tatistica, gli indici di posizione (anche detti indicatori di posizione, o indici di tendenza centrale o misure di tendenza centrale, in quanto in generale tendono a essere posizionati centralmente rispetto agli altri dati della distribuzione) sono indici che danno un'idea approssimata dell'ordine di grandezza (la posizione sulla scala dei numeri, appunto) dei valori esistenti. Sono indici di posizione: Un modo per rappresentare graficamente alcuni indici di posizione è il box-plot.

Indice di posizione

La statistica descrittiva è la branca della statistica che studia i criteri di rilevazione, classificazione, sintesi e rappresentazione dei dati appresi dallo studio di una popolazione o di una parte di essa (detta campione). I risultati ottenuti nell'ambito della statistica descrittiva si possono definire certi, a meno di errori di misurazione dovuti al caso, che sono in media pari a zero. Da questo punto di vista si differenzia dalla statistica inferenziale, alla quale sono associati inoltre errori di valutazione. La rilevazione dei dati di un'intera popolazione è detta "censimento". Quando invece l'indagine si concentra su un determinato campione rappresentativo, si parla di "sondaggio". I dati raccolti possono essere classificati attraverso distribuzioni semplici o complesse: I dati raccolti possono essere sintetizzati attraverso famiglie di indici, quali: I dati di un'indagine possono essere rappresentati attraverso molteplici rappresentazioni grafiche, tra cui:

Statistica descrittiva

Nell'ambito dell'inferenza statistica bayesiana, una distribuzione di probabilità a priori, detta spesso anche distribuzione a priori, di una quantità incognita "p" (per esempio, supponiamo "p" essere la proporzione di votanti che voteranno per il politico Rossi in un'elezione futura) è la distribuzione di probabilità che esprimerebbe l'incertezza di "p" prima che i "dati" (per esempio, un sondaggio di opinione) siano presi in considerazione. Il proposito è di attribuire incertezza piuttosto che casualità a una quantità incerta. La quantità incognita può essere un parametro o una variabile latente. Si applica il teorema di Bayes, moltiplicando la distribuzione a priori per la funzione di verosimiglianza e quindi normalizzando, per ottenere la distribuzione di probabilità a posteriori, la quale è la distribuzione condizionata della quantità incerta una volta ottenuti i dati. Spesso una distribuzione a priori è l'accertamento soggettivo (elicitazione) di una persona esperta. Quando possibile, alcuni sceglieranno una "distribuzione a priori coniugata" per rendere più semplice il calcolo della distribuzione a posteriori. I parametri di una distribuzione a priori sono chiamati "iperparametri", per distinguerli dai parametri del modello dei dati sottostanti. Per esempio, se si sta usando una distribuzione beta per modellare la distribuzione di un parametro "p" di una distribuzione di Bernoulli, allora: Una "distribuzione a priori informativa" esprime una specifica, definita informazione circa una variabile. Un esempio è la distribuzione a priori per la temperatura di domattina. Un approccio ragionevole è costruire la distribuzione a priori come una distribuzione normale con valore atteso uguale alla temperatura mattutina di oggi, con una varianza uguale alla varianza giorno per giorno della temperatura atmosferica, oppure come una distribuzione della temperatura per quel tal giorno dell'anno. Questo esempio ha una proprietà in comune con molte distribuzioni a priori, ovvero che la distribuzione a posteriori di un problema (temperatura odierna) diventa la distribuzione a priori per un altro problema (temperatura di domani); l'evidenza preesistente, che è già stata tenuta in conto, è parte della distribuzione a priori e come ulteriore evidenza viene accumulata. La distribuzione a priori è largamente determinata dall'evidenza piuttosto che da qualche assunzione originale, sempre che l'assunzione originale ammetta la possibilità (ossia sia compatibile) con quello che l'evidenza suggerisce. I termini "a priori" e "a posteriori" sono generalmente relativi a un dato o un'osservazione specifica. Una "distribuzione a priori non informativa" esprime vaghezza o informazione a carattere generale circa una variabile. Il termine "non informativa" può essere un po' fuorviante; spesso, tale tipo di distribuzione è chiamata "a priori non molto informativa", oppure "a priori oggettiva", cioè una distribuzione che non è soggettivamente esplicitata. Le distribuzioni a priori non informative possono esprimere informazione "oggettiva" come ad esempio "la variabile è positiva" oppure "la variabile è minore di tal limite". La più semplice e vecchia regola per determinare una distribuzione a priori non informativa è il principio d'indifferenza, il quale assegna a tutti gli eventi uguale probabilità. In problemi di stima parametrica, l'uso di una distribuzione a priori non informativa dà risultati che sono non troppo differenti dall'analisi statistica convenzionale. Questo accade in quanto la funzione di verosimiglianza fornisce la parte maggiore dell'informazione rispetto a quella fornita dalla distribuzione a priori non informativa nel determinare una distribuzione a posteriori. Vari tentativi sono stati fatti per trovare probabilità a priori, cioè distribuzioni di probabilità in un certo senso logicamente richieste dalla natura di uno stato di incertezza; queste sono soggette a controversia filosofica, con i sostenitori del metodo bayesiano approssimativamente divisi in due scuole: i "bayesiani oggettivistici", che credono che tali distribuzioni a priori esistano in molte situazioni, e i "bayesiani soggettivisti" che credono che in pratica le distribuzioni a priori rappresentino giudizi di opinione che non possono essere rigorosamente giustificati. Per la maggiore le più forti argomentazioni a favore della scuola oggettivistica furono date da Edwin T. Jaynes. Come esempio di una distribuzione a priori, dovuta a, consideriamo una situazione in cui sappiamo che una pallina è nascosta sotto una di tre tazze rovesciate, A, B o C, ma nessun'altra informazione è disponibile circa la sua posizione. In questo caso una distribuzione a priori uniforme di formula_1 sembra intuitivamente verosimile la sola scelta ragionevole. Più formalmente, noi possiamo vedere che il problema rimane lo stesso se scambiamo le lettere identificative "A", "B" e "C" delle tazze. Sarebbe perciò strano scegliere una distribuzione a priori per la quale una permutazione delle lettere causerebbe un cambio nella nostra predizione circa la posizione dove la pallina sarà trovata; la distribuzione a priori uniforme è la sola che preserva questa invarianza. Se si accetta questo principio di invarianza allora si può vedere che la distribuzione a priori uniforme è la distribuzione logicamente corretta che rappresenta questo stato di conoscenza a priori. Si avrà notato che questa distribuzione a priori è "oggettiva" nel senso di essere la scelta corretta per rappresentare un particolare stato di conoscenza, ma non è oggettiva nel senso di essere una caratteristica del sistema osservato indipendente dall'osservatore: in realtà la pallina esiste sotto una specifica tazza e in questa situazione ha solo senso parlare di probabilità se c'è un osservatore con una conoscenza limitata del sistema ossia della posizione della pallina sotto le tazze. Come esempio più controverso, Jaynes pubblicò un argomento basato sui gruppi di Lie suggerente che la distribuzione a priori rappresentante in maniera completa l'incertezza sarebbe la distribuzione a priori di Haldane "p"(1 − "p"). L'esempio fornito da Jaynes è quello di trovare un chimico in un laboratorio e di chiedergli di eseguire ripetutamente degli esperimenti di dissoluzione in acqua. La distribuzione a priori di Haldane da prevalentemente la maggiore probabilità agli eventi formula_2 and formula_3, indicando che il campione ogni volta si scioglierà oppure no, con uguale probabilità. Tuttavia se sono stati osservati campioni non disciogliersi in un esperimento e disciogliersi in un altro, allora questa distribuzione a priori è aggiornata alla distribuzione uniforme sull'intervallo [0, 1]. Questo risultato si ottiene applicando il teorema di Bayes all'insieme di dati consistente in un'osservazione di dissoluzione e una di non dissoluzione, usando la distribuzione a priori precedente. sulla base che essa fornisce una distribuzione a posteriori impropria che pone il 100% del contenuto di probabilità sia a "p" = 0 o a "p" = 1 se un numero finito di esperimenti ha dato lo stesso risultato (ad esempio il discioglimento). La distribuzione a priori di Jeffreys "p"(1 − "p") è perciò preferita ("cfr." sotto). Se lo spazio parametrico X è dotato di una struttura di gruppo naturale che lascia invariato il nostro stato di conoscenza bayesiano, allora la distribuzione a priori può essere costruita proporzionale alla Misura di Haar. Questo può essere visto come una generalizzazione del principio di invarianza che giustificava la distribuzione a priori uniforme dell'esempio delle tre tazze visto sopra. Per esempio, in fisica ci si aspetta che un esperimento dia i medesimi risultati indipendentemente dalla scelta dell'origine del sistema di coordinate. Questo induce la struttura gruppale del gruppo delle traslazioni su "X", il quale determina la distribuzione di probabilità a priori come una distribuzione a priori impropria costante. Analogamente alcuni sistemi fisici presentano un'invarianza di scala (ossia i risultati sperimentali sono indipendenti dal fatto che, ad esempio, usiamo centimetri o pollici). In tal caso il gruppo di scala è la struttura di gruppo naturale, e la corrispondente distribuzione a priori su "X" è proporzionale a 1/"x". Qualche volta risulta importante se viene usata la misura di Haar invariante a sinistra piuttosto che quella invariante a destra. Per esempio, le misure di Haar invarianti a destra e a sinistra sul gruppo affine non sono uguali. Berger (1985, p. 413) arguisce che la scelta corretta è la misura di Haar invariante a destra. Un'altra idea, supportata da Edwin T. Jaynes, è di usare il principio di massima entropia (MAXENT). La motivazione è che l'entropia di Shannon di una distribuzione di probabilità misura l'ammontare di informazione contenuta nella distribuzione. Maggiore è l'entropia, minore è l'informazione fornita dalla distribuzione. Perciò, mediante la massimizzazione dell'entropia sopra un adeguato insieme di distribuzioni di probabilità su "X", si trova la distribuzione che è meno informativa nel senso che essa contiene il minore ammontare di informazione consistente con le costrizioni definite dall'insieme scelto. Per esempio, la distribuzione a priori di massima entropia su uno spazio discreto, dato solo il fatto che la probabilità è normalizzata a 1, è la distribuzione a priori che assegna uguale probabilità ad ogni stato. Mentre nel caso continuo, la distribuzione a priori di massima entropia con densità normalizzata, media nulla e varianza unitaria, è la ben nota distribuzione normale. Il principio di minima entropia incrociata generalizza il principio di massima entropia al caso di "aggiornamento" di una distribuzione a priori arbitraria con adeguate costrizioni nel senso di massima entropia. Un'idea collegata, la distribuzione a priori di riferimento, fu introdotta da José-Miguel Bernardo. Qui l'idea è di massimizzare il valore atteso della divergenza di Kullback–Leibler della distribuzione a posteriori rispetto alla distribuzione a priori. Questo massimizza l'informazione attesa riguardante "X" quando la densità a priori è "p"("x"); perciò, in un certo senso, "p"("x") è la distribuzione a priori "meno informativa" riguardo X. La distribuzione a priori di riferimento è definita nel limite asintotico, cioè si considera il limite delle distribuzioni a priori così ottenute come il numero di dati va all'infinito. Nei problemi multivariati spesso vengono scelte come distribuzioni a priori oggettive le distribuzioni a priori di riferimento, dato che altre scelte (ad esempio la regola di Jeffreys possono portare a distribuzioni a priori dal comportamento problematico. Distribuzioni a priori oggettive possono anche essere derivate da altri principi, come le teorie dell'informazione o le teorie della codifica (vedi ad esempio lunghezza di descrizione minima) oppure della statistica frequentista. Problemi filosofici legati alle distribuzioni a priori non informative sono associati alla scelta di una metrica appropriata o scala di misurazione. Supponiamo di volere una distribuzione a priori per la valocità di un corridore a noi sconosciuto. Potremmo specificare, diciamo, per la sua velocità una distribuzione a priori di tipo normale, ma in alternativa potremmo specificare una distribuzione a priori normale per il tempo impiegato a percorrere 100 metri, il quale è proporzionale al reciproco della prima distribuzione a priori. Queste due distribuzioni a priori sono effettivamente differenti, ma non è chiaro quale delle due preferire. Il metodo, spesso sopravvalutato, di trasformazione dei gruppi di Jaynes può rispondere a tale questione in varie situazioni. In maniera simile, se ci è chiesto di stimare una proporzione incognita tra 0 e 1, noi possiamo affermare che tutte le proporzioni sono ugualmente probabili ed usare una distribuzione a priori uniforme. Alternativamente, potremmo dire che tutti gli ordini di grandezza per la proporzione sono ugualmente probabili, e scegliere la distribuzione a priori logaritmica, la quale è la distribuzione a priori uniforme sul logaritmo della proporzione. La distribuzione a priori di Jeffreys tenta di risolvere questo problema calcolando una distribuzione a priori che esprime la medesima credenza indipendentemente dalla metrica utilizzata. La distribuzione a priori di Jeffreys per una proporzione incognita "p" è "p"(1 − "p"), che differisce da quella raccomandata da Jaynes. Distribuzioni a priori basate sulla nozione di probabilità algoritmica vengono impiegate nel campo dell'inferenza induttiva come base induttiva in configurazioni del tutto generali. Problemi pratici associati con le distribuzioni a priori non informative includono il requisito che la distribuzione a posteriori sia propria. Le distribuzioni a priori non informative su variabili continue, non limitate sono improprie. Questo non è necessariamente un problema se la distribuzione a posteriori è propria. Un altro argomento importante è quello in cui se una distribuzione a priori non informativa viene usata in maniera regolare, cioè con svariati insiemi di dati, allora essa avrebbe buone proprietà frequentiste. Normalmente un bayesiano non dovrebbe porsi questo problema, ma potrebbe essere importante farlo in questa situazione. Per esempio, uno potrebbe volere che qualsiasi regola di decisione basata sulla distribuzione a posteriori sia ammissibile sotto la funzionedi perdita adottata. Sfortunatamente, l'ammissibilità è difficile da verificare, nonostante vari risultati siano noti ("cfr." ad esempio, Berger and Strawderman, 1996). Il problema è particolarmente acuto con i modelli di Bayes gerarchici; le distribuzioni a priori usuali (ad esempio la distribuzione a priori di Jeffreys) possono dare regole di decisione praticamente inammissibili se impiegate ai livelli gerarchici più elevati. Se il teorema di Bayes viene scritto come allora è chiaro che si otterrebbe il medesimo risultato se tutte le probabilità a priori "P"("A") e "P"("A") fossero moltiplicate per una data costante; lo stesso sarebbe vero per una variabile casuale continua. Se la sommatoria al denominatore converge, le probabilità a posteriori sommeranno (o integreranno) ancora a 1 anche se i valori della distribuzione a priori non lo fanno, e in tal modo può solo essere necessario richiedere alle distribuzioni a priori di essere specificate nella proporzione corretta. Spingendo oltre questa idea, in molti casi non è neanche richiesto che la somma o l'integrale dei valori della distribuzione a priori sia finita per ottenere risposte significative circa le probabilità a posteriori. Quando questo è il caso, la distribuzione a priori è chiamata distribuzione a priori impropria. Tuttavia, se la distribuzione a priori è impropria, allora non è necessario che la distribuzione a posteriori sia propria. Questo è chiaro nella situazione in cui l'evento "B" è indipendente da tutti gli altri eventi "A". Vari statistici usano le distribuzioni a priori improprie come distribuzioni a priori non informative. Per esempio, se hanno bisogno di una distribuzione a priori per la media e la varianza di una variabile casuale, allora essi assumono "p"("m", "v") ~ 1/"v" (per "v" > 0) il che suggerirebbe che qualsiasi valore per la media è "ugualmente probabile" e che un valore per la varianza positiva diventa "meno probabile" in proporzione inversa al suo valore. Molti autori (Lindley, 1973; De Groot, 1937; Kass and Wasserman, 1996) mettono in guardia contro il pericolo di sovra-interpretare tali distribuzioni a priori poiché non sono densità di probabilità. La loro sola rilevanza che esse hanno si trova nella distribuzione a posteriori corrispondente, fintanto che questa è ben definita per tutte le osservazioni. (La distribuzione a priori di Haldane è un tipico controesempio.) Esempi di distribuzioni a priori includono: Il concetto di probabilità algoritmica fornisce una via per specificare la probabilità delle distribuzioni a priori basata sulla complessità relativa di modelli presi in considerazione e tra loro alternativi.

Distribuzione di probabilità a priori

Nell'ambito della scienza dei dati l'analisi dei dati è un processo di ispezione, pulizia, trasformazione e modellazione di dati con il fine di evidenziare informazioni che suggeriscano conclusioni e supportino le decisioni strategiche aziendali. L'analisi di dati ha molti approcci e sfaccettature, il che comprende tecniche diversissime tra loro che si riconoscono con una serie di definizioni varie nel commercio, le scienze naturali e sociali. Il data mining è una tecnica particolare di analisi dei dati che si focalizza nella modellazione e scoperta di conoscenza per scopi predittivi piuttosto che descrittivi. Il business intelligence identifica l'analisi di dati che si basa fondamentalmente sull'aggregazione, focalizzandosi sulle informazioni aziendali. Nell'ambito dei big data si parla di big data analytics. Nelle applicazioni statistiche, gli studiosi dividono l'analisi dei dati in statistica descrittiva, analisi dei dati esplorativa (ADE) e analisi dei dati di conferma (ADC). L'ADE si concentra sullo scoprire nuove caratteristiche presenti nei dati, mentre l'ADC nel confermare o falsificare le ipotesi esistenti. L'analisi predittiva si concentra sull'applicazione di modelli statistici o strutturali per classificazione o il forecasting predittivo, mentre l'analisi testuale applica tecniche statistiche, linguistiche e strutturali per estrarre e classificare informazioni da fonti testuali, una categoria di dati non-strutturati. L'integrazione di dati è un precursore dell'analisi dei dati, la quale è collegata alla visualizzazione di dati.

Analisi dei dati

statistica, quando si stima un parametro, la semplice individuazione di un singolo valore è spesso non sufficiente. È opportuno allora accompagnare la stima di un parametro con un intervallo di valori plausibili per quel parametro, che viene definito intervallo di confidenza (o intervallo di fiducia). Se formula_1 e formula_2 sono variabili casuali con distribuzioni di probabilità che dipendono da qualche parametro formula_3 e formula_4 (dove formula_5 è un numero tra 0 e 1), allora l'intervallo casuale formula_6 è un intervallo di confidenza al formula_7 per formula_8. I valori estremi dell'intervallo di confidenza si chiamano "limiti di confidenza". Ad esso si associa quindi un valore di probabilità cumulativa che caratterizza, indirettamente in termini di probabilità, la sua ampiezza rispetto ai valori massimi assumibili dalla variabile aleatoria misurando cioè la probabilità che l'evento casuale descritto dalla variabile aleatoria in oggetto cada all'interno di tale intervallo, graficamente pari all'area sottesa dalla curva di distribuzione di probabilità della variabile aleatoria nell'intervallo considerato. È bene non confondere l'intervallo di confidenza con la probabilità. Data l'espressione "vi è un livello di confidenza del 95% che formula_9 sia nell'intervallo", nulla si può dire sulla probabilità che l'intervallo ottenuto contenga formula_10 Si ipotizzi di voler calcolare l'età media degli abitanti di un luogo. Supponiamo che non si conosca l'età per ogni singolo abitante. Viene allora estratto un campione casuale di abitanti di cui è possibile sapere l'età, e dal campione si tenta di inferire ("predire") l'età media per tutta la popolazione residente e la variabilità di tale dato. Questo può essere fatto calcolando, ad esempio, l'età media delle persone presenti nel campione e ipotizzando che questo valore coincida con l'età media di tutta la popolazione inclusa quella non scelta nel campione. In questo caso si è fatta una "stima puntuale". Alternativamente, a partire dalle età delle persone nel campione, si può calcolare un intervallo di valori entro il quale si ritenga ci sia il valore della media di tutta la popolazione e, se la procedura è fatta in modo rigoroso e statisticamente corretto, è possibile stabilire un valore di "confidenza" di quanto sia "credibile" che l'intervallo ottenuto contenga effettivamente il valore cercato. In questo caso si è fatta una "stima per intervalli" e l'intervallo ottenuto è detto "intervallo di confidenza". Riassumendo: la stima puntuale fornisce un valore singolo che varia a seconda del campione, e difficilmente coincide con il valore vero della popolazione; la stima per intervalli fornisce un insieme di valori (intervallo) che con una certa "confidenza" contiene il valore vero della popolazione. Se formula_11 è una variabile aleatoria di media formula_9 e varianza formula_13 con formula_14 si indica la variabile campionaria corrispondente che ha media aritmetica degli formula_15 dati osservati nel campione e deviazione standard Il livello di confidenza è fissato dal ricercatore. Il valore scelto più di frequente è 95%. Tuttavia, meno di frequente, viene scelto anche un livello di confidenza del 90%, oppure del 99%. Se il valore di formula_18 non differisce molto dalla variabilità formula_19 della popolazione, può essere assunto come suo stimatore (ad esempio con un numero di soggetti osservati e replicazioni complessivamente maggiore di 60; in alternativa si ipotizza una distribuzione t di Student caratterizzata da una maggiore dispersione rispetto alla normale standard). In questa prima ipotesi, l'intervallo di confidenza per la media formula_9 ("vera media", della popolazione) al 99% (al livello formula_21), è dato da: Al 95% è dato da: Prima della diffusione dei computer si cercava di utilizzare l’approssimazione normale ogni qualvolta possibile. Adesso non è più strettamente necessario, e nella formula possono essere utilizzati percentili di altre distribuzioni, facendo rifierimento a campioni di dimensione più ridotta). Dalle formule risulta che i due intervalli di confidenza possono essere scritti in funzione dei "soli dati campionari" formula_24. Oltre a diminuire con il livello di confidenza, l'ampiezza dell'intervallo dipende dall'errore della stima formula_25 e diminuisce se: Qualora la popolazione non segua il modello gaussiano, se il campione è grande a sufficienza, la variabile campionaria tende a seguire comunque una legge normale (teorema centrale del limite). In altre parole, le due formule precedenti per l'intervallo di confidenza si possono usare anche nel caso in cui non è nota la sua legge di probabilità. Il livello di confidenza o copertura è il complemento a uno del livello di significatività formula_27: ad esempio, un intervallo di confidenza al formula_28 corrisponde a un livello di significatività di formula_29. Gli intervalli di confidenza sono spesso confusi con altri concetti della statistica, e talora oggetto di errate interpretazioni anche da parte di ricercatori professionisti. Alcuni errori comuni: Gli intervalli di confidenza furono introdotti da Jerzy Neyman in un articolo pubblicato nel 1937. C'è un metodo agevole per il calcolo degli intervalli di confidenza attraverso il test di verifica d'ipotesi (secondo l'impostazione di Neyman). Un intervallo di confidenza al 95% si può quindi ricavare da un test di verifica d'ipotesi di significatività 5%.

Intervallo di confidenza

In statistica, in particolare in statistica descrittiva, data una distribuzione di un carattere quantitativo oppure qualitativo ordinabile (ovvero le cui modalità possano essere ordinate in base a qualche criterio), si definisce la mediana (o valore mediano) come il valore/modalità (o l'insieme di valori/modalità) assunto dalle unità statistiche che si trovano nel mezzo della distribuzione. La mediana è un indice di posizione e rientra nell'insieme delle statistiche d'ordine. Il termine "mediano" venne introdotto da Antoine Augustin Cournot e adottato da Francis Galton. Gustav Theodor Fechner sviluppò l'uso della mediana come sostituto della media in quanto riteneva che il calcolo della media fosse troppo laborioso rispetto al vantaggio in termini di precisioni che offriva. Se si procede al riordinamento delle unità in base ai valori crescenti del carattere da esse detenuto, in sostanza la mediana bipartisce la distribuzione in due sotto-distribuzioni: la prima a sinistra della mediana (costituita dalla metà delle unità la cui modalità è minore o uguale alla mediana) e la seconda a destra della mediana (costituita dalla metà delle unità la cui modalità è maggiore o uguale alla mediana). Tecnicamente si afferma che la mediana è il valore/modalità per il quale la frequenza relativa cumulata vale (o supera) 0,5, cioè il secondo quartile, ossia il 50° percentile. Usualmente si indica la mediana con Me. Per calcolare la mediana di formula_1 dati: Se le modalità sono raggruppate in classi non si definisce un valore univoco, ma una classe mediana formula_7. La determinazione di tale classe avviene considerando le frequenze cumulate; indicando con formula_8 la generica frequenza cumulata relativa dell'osservazione i-esima sarà:formula_9 e formula_10. Pur essendo corretto considerare un qualsiasi elemento dell'intervallo formula_7 un valore mediano si è soliti procedere, al fine di avere una misura unica del valore, a un'approssimazione della mediana con la seguente formula: se si assume che la distribuzione dei dati all'interno della classe sia uniforme, che corrisponde ad un processo di interpolazione. Una proprietà della mediana è di rendere minima la somma dei valori assoluti degli scarti delle formula_13 da un generico valore Infatti, sia formula_15 la variabile aleatoria alla quale si riferiscono le osservazioni formula_13. Per la linearità del valore atteso e dell'operatore di derivazione si ha dove formula_18 è la funzione segno di formula_19. Per la definizione di valore atteso dove formula_21 indica la probabilità che formula_15 sia minore di formula_23 e formula_24 quella che formula_15 sia maggiore di formula_23. Per le proprietà di normalizzazione della probabilità, cioè formula_27, l'equazione diventa Quindi cioè formula_23 è la mediana. In un sondaggio fatto all'interno di una facoltà composta da 250 studenti (la popolazione statistica), si intende rilevare il carattere "Gradimento dei professori", secondo le cinque modalità "molto deluso", "insoddisfatto", "parzialmente soddisfatto", "soddisfatto", "entusiasta". Risulta che 10 studenti si dicono entusiasti dell'operato dei professori, 51 si dicono soddisfatti, 63 parzialmente soddisfatti, 90 insoddisfatti, 36 molto delusi. La distribuzione di frequenza viene rappresentata con una tabella come la seguente: Nel caso ipotizzato, la mediana è rappresentata dalla modalità "insoddisfatto". Questo significa che "almeno" la metà degli studenti non è soddisfatto dei professori.

Mediana (statistica)

In statistica, la moda (o norma) di una distribuzione di frequenza X è la modalità (o la classe di modalità) caratterizzata dalla massima frequenza e viene spesso rappresentata con la simbologia ν. In altre parole, è il valore che compare più frequentemente. Una distribuzione è "unimodale" se ammette un solo valore modale, è "bimodale" se ne ammette due (ossia: se esistono due valori che compaiono entrambi con la frequenza massima nella data distribuzione), "trimodale" se ne ha tre, ecc. La presenza di due (o più) mode all'interno di un collettivo potrebbe essere sintomo della non omogeneità del collettivo stesso: potrebbero cioè esistere al suo interno due (o più) sottogruppi omogenei al loro interno, ma distinti l'uno dall'altro per un'ulteriore caratteristica rispetto a quella osservata. Per la determinazione della classe modale è opportuno ricorrere all'istogramma, individuando "l'intervallo di altezza massima", ovvero il "punto di massimo della curva". La classe con la maggiore densità media (che corrisponde all'altezza dell'istogramma) è quella modale. Nel caso particolare della distribuzione normale, detta anche "gaussiana", la moda coincide con la media e la mediana. Indicando con formula_1 il numero di elementi che cadono nella classe formula_2, l'altezza formula_3 sarà data da: L'utilità della moda risiede nell'essere l'unico degli indici di tendenza centrale in grado di sintetizzare caratteri qualitativi su scala nominale.

Moda (statistica)

tatistica, gli indici di posizione (anche detti indicatori di posizione, o indici di tendenza centrale o misure di tendenza centrale, in quanto in generale tendono a essere posizionati centralmente rispetto agli altri dati della distribuzione) sono indici che danno un'idea approssimata dell'ordine di grandezza (la posizione sulla scala dei numeri, appunto) dei valori esistenti. Sono indici di posizione: Un modo per rappresentare graficamente alcuni indici di posizione è il box-plot.

Indice di posizione

Le macchine a vettori di supporto (SVM, dall'inglese "Support-Vector Machines") sono dei modelli di apprendimento supervisionato associati ad algoritmi di apprendimento per la regressione e la classificazione. Dato un insieme di esempi per l'addestramento (training set), ognuno dei quali etichettato con la classe di appartenenza fra le due possibili classi, un algoritmo di addestramento per le SVM costruisce un modello che assegna i nuovi esempi ad una delle due classi, ottenendo quindi un classificatore lineare binario non probabilistico. Un modello SVM è una rappresentazione degli esempi come punti nello spazio, mappati in modo tale che gli esempi appartenenti alle due diverse categorie siano chiaramente separati da uno spazio il più possibile ampio. I nuovi esempi sono quindi mappati nello stesso spazio e la predizione della categoria alla quale appartengono viene fatta sulla base del lato nel quale ricade. Oltre alla classificazione lineare è possibile fare uso delle SVM per svolgere efficacemente la classificazione non-lineare utilizzando il metodo kernel, mappando implicitamente i loro input in uno spazio delle feature multi-dimensionale. Quando gli esempi non sono etichettati è impossibile addestrare in modo supervisionato e si rende necessario l'apprendimento non supervisionato, questo approccio cerca di identificare i naturali cluster in cui si raggruppano i dati, mappando successivamente i nuovi dati nei cluster ottenuti. L'algoritmo di clustering a vettori di supporto, creato da Hava Siegelmann e Vladimir N. Vapnik, applica le statistiche dei vettori di supporto, sviluppate negli algoritmi delle SVM, per classificare dati non etichettati, ed è uno degli algoritmi di clustering maggiormente utilizzato nelle applicazioni industriali. Le macchine a vettori di supporto possono essere pensate come una tecnica alternativa per l'apprendimento di classificatori polinomiali, contrapposta alle tecniche classiche di addestramento delle reti neurali artificiali. Le reti neurali ad un solo strato hanno un algoritmo di apprendimento efficiente, ma sono utili soltanto nel caso di dati linearmente separabili. Viceversa, le reti neurali multistrato possono rappresentare funzioni non lineari, ma sono difficili da addestrare a causa dell'alto numero di dimensioni dello spazio dei pesi e poiché le tecniche più diffuse, come la "back-propagation", permettono di ottenere i pesi della rete risolvendo un problema di ottimizzazione non convesso e non vincolato che, di conseguenza, presenta un numero indeterminato di minimi locali. La tecnica di addestramento SVM risolve entrambi i problemi: presenta un algoritmo efficiente ed è in grado di rappresentare funzioni non lineari complesse. I parametri caratteristici della rete sono ottenuti mediante la soluzione di un problema di programmazione quadratica convesso con vincoli di uguaglianza o di tipo box (in cui il valore del parametro deve essere mantenuto all'interno di un intervallo), che prevede un unico minimo globale. Formalmente, una macchina a vettori di supporto costruisce un iperpiano o un insieme di iperpiani in uno spazio a più dimensioni o a infinite dimensioni, il quale può essere usato per classificazione, regressione e altri scopi come il rilevamento delle anomalie. Intuitivamente una buona separazione si può ottenere dall'iperpiano che ha la distanza maggiore dal punto (del training set) più vicino di ognuna delle classi; in generale maggiore è il margine fra questi punti, minore è l'errore di generalizzazione commesso dal classificatore. Mentre il problema originale può essere definito in uno spazio di finite dimensioni, spesso succede che gli insiemi da distinguere non siano linearmente separabili in quello spazio. Per questo motivo è stato proposto che lo spazio originale di dimensioni finite venisse mappato in uno spazio con un numero di dimensioni maggiore, rendendo presumibilmente più facile trovare una separazione in questo nuovo spazio. Per mantenere il carico computazionale accettabile, i mapping utilizzati dalle SVM sono fatti in modo tale che i prodotti scalari dei vettori delle coppie di punti in input siano calcolati facilmente in termini delle variabili dello spazio originale, attraverso la loro definizione in termini di una funzione kernel formula_1scelta in base al problema da risolvere. Gli iperpiani in uno spazio multidimensionale sono definiti come l'insieme di punti il cui prodotto scalare con un vettore in quello spazio è costante, dove tale insieme di vettori è un insieme ortogonale (e quindi minimale) di vettori che definiscono un iperpiano. I vettori che definiscono gli iperpiani possono essere scelti come combinazioni lineari con parametri formula_2delle immagini dei vettori delle feature formula_3. Con tale scelta dell'iperpiano, i punti formula_4 nello spazio delle feature che sono mappati nell'iperpiano sono definiti dalla relazione formula_5. Si noti che se formula_1 diventa più piccolo al crescere di formula_7 rispetto ad formula_4, ogni termine della somma misura il grado di vicinanza del punto di test formula_4 al corrispondente punto di base formula_3. Si noti che l'insieme di punti formula_4 mappato in un qualsiasi iperpiano può produrre un risultato piuttosto complicato, permettendo discriminazioni molto più complesse fra insiemi non completamente convessi nello spazio originario. L'originale algoritmo SVM è stato inventato da Vladimir Vapnik e Aleksej Červonenkis nel 1963. Nel 1992 Bernhard Boser, Isabelle Guyon e lo stesso Vapnik suggerirono un modo per creare un classificatore non lineare applicando il metodo kernel all'iperpiano con il massimo margine. Lo standard corrente che propone l'utilizzo di un margine leggero fu invece proposto da Corinna Cortes e Vapnik nel 1993 e pubblicato nel 1995. Alcune applicazioni per cui le SVM sono state utilizzate con successo sono: I seguenti framework mettono a disposizione un'implementazione di SVM:

Macchine a vettori di supporto

La regressione formalizza e risolve il problema di una relazione funzionale tra variabili misurate sulla base di dati campionari estratti da un'ipotetica popolazione infinita. Originariamente Galton utilizzava il termine come sinonimo di correlazione, tuttavia oggi in statistica l'analisi della regressione è associata alla risoluzione del modello lineare. Per la loro versatilità, le tecniche della regressione lineare trovano impiego nel campo delle scienze applicate: chimica, geologia, biologia, fisica, ingegneria, medicina, nonché nelle scienze sociali: economia, linguistica, psicologia e sociologia. Più formalmente, in statistica la regressione lineare rappresenta un metodo di stima del valore atteso condizionato di una variabile "dipendente", o "endogena", formula_1, dati i valori di altre variabili "indipendenti", o "esogene", formula_2: formula_3. L'uso dei termini "endogeno"/"esogeno" è talvolta criticato, in quanto implicherebbe una nozione di causalità che l'esistenza di una regressione non prevede; in determinati contesti, provocherebbe inoltre confusione, essendo ad esempio il concetto di esogeneità in econometria formalmente definito tramite l'ipotesi di ortogonalità alla base delle proprietà statistiche della regressione lineare col metodo dei minimi quadrati. La prima, e ancora popolare, forma di regressione lineare è quella basata sul metodo dei minimi quadrati (si veda oltre). La prima pubblicazione contenente un'applicazione del metodo nota è datata 1805, a nome di Adrien-Marie Legendre; Carl Friedrich Gauss elabora indipendentemente lo stesso metodo, pubblicando le sue ricerche nel 1809. Sebbene Gauss sostenne di avere sviluppato il metodo sin dal 1795, la paternità delle sue applicazioni in campo statistico è normalmente attribuita a Legendre; lo stesso termine "minimi quadrati" deriva dall'espressione francese, utilizzata da Legendre, "moindres carrés". Sia Gauss che Legendre applicano il metodo al problema di determinare, sulla base di osservazioni astronomiche, le orbite di corpi celesti intorno al sole. Eulero aveva lavorato allo stesso problema, con scarso successo, nel 1748. Nel 1821 Gauss pubblica un ulteriore sviluppo del metodo dei minimi quadrati, proponendo una prima versione di quello che è oggi noto come teorema di Gauss-Markov. L'origine del termine "regressione" è storicamente documentata. L'espressione "reversione" era usata nel XIX secolo per descrivere un fenomeno biologico, in base al quale la progenie di individui eccezionali tende in media a presentare caratteristiche meno notevoli di quelle dei genitori, e più simili a quelle degli antenati più remoti. Francis Galton studiò tale fenomeno, applicandovi il termine, forse improprio, di regressione verso la media (o la "mediocrità"). Per Galton l'espressione "regressione" ha solo tale significato, confinato all'ambito biologico. Il suo lavoro (1877, 1885) fu in seguito esteso da Karl Pearson e George Udny Yule a un contesto statistico più generale (1897, 1903); i lavori di Pearson e Yule ipotizzano che la distribuzione congiunta delle variabili dipendenti e indipendenti abbia natura gaussiana. Tale ipotesi è in seguito indebolita da Ronald Fisher, in lavori del 1922 e 1925. Fisher in particolare ipotizza che la distribuzione "condizionata" della variabile dipendente sia gaussiana, il che non implica necessariamente che così sia per quella congiunta di variabili dipendenti e indipendenti. Sotto tale profilo, la formulazione di Fisher è più vicina a quella di Gauss del 1821. Il modello di regressione lineare è: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Per ogni osservazione campionaria si dispone di una determinazione formula_1 e di formula_14 determinazioni non stocastiche formula_15. Si cerca quindi una relazione di tipo lineare tra la variabile formula_1 e le formula_14 variabili deterministiche. Una prima analisi può essere condotta considerando un modello semplice a due variabili (si suppone in pratica che formula_14 sia uguale a formula_19). Un tipico esempio è riscontrabile dall'esperienza economica considerando la relazione tra Consumi (formula_20) e Reddito (formula_1). Ricercando una relazione funzionale in cui i consumi siano "spiegati" dal reddito si può ricorrere alla relazione lineare: dove formula_24 rappresenta l'intercetta e formula_25 la pendenza della retta interpolatrice. Generalizzando il problema a due variabili formula_26 e formula_27, scriveremo: formula_29 è una generica funzione di formula_26 e comunemente si assume formula_31. Ponendo, senza perdita di generalità, tale condizione la formula diviene: Quindi la variabile dipendente formula_27 viene "spiegata" attraverso una relazione lineare della variabile indipendente formula_26 (cioè: formula_35) e da una quantità casuale formula_36. Il problema della regressione si traduce nella determinazione di formula_24 e formula_25 in modo da esprimere al ‘meglio' la relazione funzionale tra formula_27 e formula_26. Per avvalorare di un significato statistico la scelta dei coefficienti occorre realizzare alcune ipotesi sul modello lineare di regressione: Date queste ipotesi si calcolano i coefficienti formula_46 e formula_47 secondo il metodo dei minimi quadrati (in inglese "Ordinary Least Squares", o OLS, da cui il riferimento agli stimatori di seguito ottenuti come agli "stimatori OLS") proposto da Gauss; detta: le stime si ottengono risolvendo: Le soluzioni si ricavano uguagliando a zero le derivate parziali di formula_50 rispetto ad formula_24 e formula_25: Dove formula_55 denota il numero delle osservazioni; segue: da cui si ricavano le soluzioni: Essendo la varianza osservata data da: e la covarianza osservata da: dove formula_62 denotano le medie osservate, si possono scrivere i parametri nella forma: Si consideri il seguente problema teorico: date due variabili casuali formula_65 e formula_1, quale è il "migliore" stimatore per il valore atteso di formula_1, ossia quale stimatore presenta lo scarto quadratico medio (o MSE, dall'inglese "Mean Squared Error") minimo? Se si utilizza uno stimatore affine che sfrutta l'informazione relativa alla variabile casuale formula_68 allora formula_69, è possibile dimostrare che lo scarto quadratico medio formula_70 è minimizzato se: Tale osservazione fornisce una giustificazione di tipo probabilistico alle espressioni proposte sopra; si veda oltre per un'analisi formale, nel caso multivariato. Il metodo dei minimi quadrati è esaminato nel caso bivariato, deriva una retta che interpola uno scatter di punti minimizzando la somma dei quadrati delle distanze formula_72 dei punti stessi dalla retta; il grafico fornisce un'intuizione del procedimento. La scelta di minimizzare i "quadrati" degli formula_72 non è, ovviamente, arbitraria. Facendo ad esempio riferimento alla semplice somma degli formula_72, distanze positive (verso l'alto) e negative (verso il basso) si compenserebbero, rendendo in generale peggiore la qualità dell'interpolazione; se per contro si adottasse una funzione criterio uguale alla somma dei valori assoluti degli formula_72, non essendo la funzione valore assoluto derivabile su tutto l'asse reale non si potrebbe ricorrere all'elegante metodo di minimizzazione sopra illustrato. Si osservi inoltre che gli formula_72 rappresentano una distanza di un tipo alquanto particolare. In geometria la distanza di un punto da una retta è infatti data dalla lunghezza del segmento che unisce il punto alla retta, perpendicolare a quest'ultima; evidentemente non è questo il caso degli formula_72. La scelta operata trova giustificazione nelle proprietà statistiche delle stime, illustrate in seguito: la particolare forma degli stimatori dei minimi quadrati sopra ottenuti consente un più semplice trattamento delle loro proprietà statistiche. Due parole infine sul significato di regressione "lineare". Il nome di questa tecnica statistica "non" significa che nella funzione stimata la variabile dipendente formula_78 è una funzione lineare della(e) variabile(i) esplicativa(e) formula_79, ma dei "parametri" oggetto di stima (formula_24 e formula_25 sopra). La stima di una funzione del tipo: rientra nel raggio d'azione del modello lineare, dal momento che formula_78 è una funzione lineare dei parametri formula_84, formula_85, formula_86. Per ulteriori considerazioni al riguardo, si veda l'articolo Regressione nonlineare. Il metodo sopra illustrato può essere esteso al caso in cui più variabili contribuiscono a spiegare la variabile dipendente formula_1: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Raggruppando le osservazioni delle variabili esplicative in una matrice formula_65 di dimensioni formula_107, che si ipotizza avere rango pieno e uguale a formula_108 (il termine costante, o intercetta, corrisponde ad avere una colonna di formula_19 nella formula_65), è possibile scrivere, in notazione matriciale: Nella formulazione più elementare, si assume che formula_112, ossia: formula_113 formula_114 (omoschedasticità), formula_115 (assenza di correlazione nei disturbi). Si ipotizza inoltre che: ossia che non vi sia correlazione tra i regressori e i disturbi casuali — quest'ipotesi riveste un'importanza cruciale, in quanto rende possibile considerare i regressori compresi nella matrice formula_65 come variabili "esogene" (da cui il nome con cui l'ipotesi è spesso indicata: ipotesi di "esogeneità"). Quest'ultima proprietà è tutt'altro che banale, in quanto soltanto laddove essa è valida è possibile garantire che il vettore di stime dei parametri del modello, formula_118, abbia per valore atteso il vero valore dei parametri formula_85 (godendo così della proprietà di correttezza; si veda oltre). Sotto tali ipotesi, è possibile ottenere le stime del vettore di parametri formula_85 tramite il metodo dei minimi quadrati risolvendo il problema di minimo: Le condizioni del primo ordine per un minimo definiscono il sistema (detto delle equazioni normali): da cui: Per le proprietà della forma quadratica minimizzanda, si è certi che la soluzione trovata corrisponde a un minimo, non solo locale ma globale. Il vettore di stime OLS formula_124 consente di ottenere i valori previsti ("teorici") per la variabile dipendente: Formalmente, l'espressione sopra corrisponde a una proiezione ortogonale del vettore delle osservazioni formula_27 sullo spazio generato dalle colonne della matrice formula_65; la figura a lato illustra questo risultato. Per chiarire questo punto, sia formula_128 la proiezione di formula_27 sullo spazio generato dalle colonne matrice formula_65: Ciò significa che esisterà un vettore di pesi formula_86 tale per cui è possibile ottenere formula_128 come formula_134, ossia come combinazione lineare delle colonne di formula_65. A sua volta formula_27 sarà uguale a formula_128 più una componente formula_138 ortogonale allo spazio generato da formula_65: Dunque formula_141; premoltiplicando per formula_142 si ha: formula_143; così che: ossia l'espressione per il vettore di stime OLS formula_118 derivata in precedenza. Questa intuizione geometrica è formalizzata nel teorema di Frisch-Waugh-Lovell. Gli stimatori formula_124 degli OLS godono di una serie di interessanti proprietà algebriche; tali proprietà dipendono dal metodo dei minimi quadrati adottato, e non dal particolare modello oggetto di stima. Si osservi che le prime tre proprietà valgono solo se la matrice dei regressori include il termine costante, ossia se include un vettore di soli formula_19. L'R², o coefficiente di determinazione, è una misura della bontà dell'adattamento (in inglese "fitting") della regressione lineare stimata ai dati osservati. Al fine di definire l'R², sia formula_167; questa matrice trasforma i vettori in scarti dalla propria media, così che, ad esempio, formula_168. Si osservi che la matrice formula_169 è simmetrica (formula_170) e idempotente (formula_171). Dunque la somma degli scarti al quadrato delle formula_153 da formula_173 è semplicemente: formula_174. L'R² è definito come: Spesso le quantità al numeratore e al denominatore sono chiamate, rispettivamente, ESS (formula_176, dall'inglese "Explained Sum of Squares") e TSS (formula_174, dall'inglese "Total Sum of Squares"). Osservando che, per semplice sostituzione: dove l'ultima uguaglianza segue dal fatto che la media dei residui è zero, si ha: così che l'R² sarà un numero compreso tra formula_180 e formula_19 (alcuni pacchetti statistici trasformano tale numero in una percentuale); in analogia con quanto sopra, spesso la quantità formula_182 è indicata con la sigla RSS (dall'inglese "Residual Sum of Squares"), o SSR ("Sum of Squared Residuals", grammaticalmente più preciso, ma forse meno usato). Euristicamente, l'R² misura la frazione della variabilità delle osservazioni formula_153 che siamo in grado di spiegare tramite il modello lineare. Due importanti "caveat" devono in ogni caso essere tenuti a mente: È evidente che, al crescere del numero di regressori formula_14, formula_190 in generale decresce, correggendo l'artificiale incremento dell'R². Si può inoltre dimostrare che formula_190 aumenta, aggiungendo un regressore, soltanto se il valore della statistica formula_192 associata al coefficiente di tale regressore (si veda oltre) è maggiore di formula_19, così che il valore dell'R² corretto è legato alla significatività delle variabili aggiuntive. È opportuno far emergere alcune credenze sbagliate riguardo l'R². Innanzitutto non può mai assumere valori negativi perché è il rapporto di due varianze; tuttavia i software statistici possono produrre un output di una regressione che presenta un R² negativo. Ciò è dovuto al fatto che in questi programmi l'R² si calcola come differenza tra varianza spiegata e quella dei residui. Tuttavia nel caso di mispecificazione del modello (si "dimenticano" variabili che il data generating process contiene, intercetta compresa), il valore atteso della stima dei residui è in genere diverso da zero, quindi la media dello stimatore di formula_1 è diverso dalla media di formula_1. Pertanto il calcolo del software risulta errato perché non tiene conto di ciò. Sotto le ipotesi sopra formulate, il valore atteso dello stimatore formula_124 è uguale al vettore di parametri formula_85; tale proprietà è detta correttezza; al fine di verificare la correttezza di formula_124, è sufficiente osservare che: La varianza (in effetti, matrice varianza-covarianza) di formula_200 si ottiene come: Il teorema di Gauss-Markov stabilisce che tale varianza è minima tra quelle degli stimatori di formula_85 ottenibili come combinazione lineare delle osservazioni formula_27; in questo senso formula_124 è uno stimatore efficiente (in effetti si tratta di uno stimatore "BLUE", dall'inglese "Best Linear Unbiased Estimator", il migliore stimatore corretto lineare). Poiché formula_205 e le combinazioni lineari di variabili casuali normali indipendenti sono ancora normali, se ne conclude che: Volendo stimare il parametro formula_207, un naturale candidato sarebbe la varianza campionaria: In effetti lo stimatore sopra sarebbe anche lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_209. Semplici manipolazioni mostrano tuttavia che tale stimatore non gode della proprietà di correttezza; infatti: dove formula_212. Il valore atteso dell'espressione sopra è: dove formula_214 denota l'operatore traccia di una matrice. Lo stimatore corretto per il parametro formula_207 è dunque: Infatti: Si osservi inoltre che, poiché formula_112, formula_219 ha una distribuzione chi quadro con formula_220 gradi di libertà. Le tecniche del modello lineare sopra esposte possono trovare diverse applicazioni; con una qualche semplificazione, due sono i principali usi della regressione lineare: Confinando la nostra attenzione al secondo punto, nell'ambito della statistica classica (cioè non bayesiana) condurre un test statistico non può portare ad "accettare" un'ipotesi nulla, ma al più a "non rifiutarla", un po' come dire che lo statistico assolve per mancanza di prove. Un primo ordine di test concerne i singoli coefficienti del modello; volere stabilire se la j-esima variabile delle formula_65 abbia o meno potere esplicativo nei confronti della formula_27 equivale a sottoporre a verifica l'ipotesi nulla che il corrispondente coefficiente formula_223 sia nullo. A tal fine si ricorre alla statistica test: dove formula_225, che sotto l'ipotesi nulla formula_226 ha distribuzione t di Student. Un caso più complesso, e di maggiore interesse, riguarda il test di un insieme di restrizioni lineari sui coefficienti del modello; si consideri al riguardo ad un'ipotesi nulla nella forma: dove formula_228 è una matrice di rango formula_229. Ad esempio, volendo testare l'ipotesi che il primo e il terzo coefficiente siano uguali, sarà sufficiente ricorrere la matrice (in questo particolare caso, vettore) formula_230, con formula_231, così che l'ipotesi nulla risulti: formula_232. Al fine di sottoporre a verifica ipotesi di questo tipo, è sufficiente considerare che, essendo la combinazione lineare di variabili casuali normali ancora normale: sotto l'ipotesi nulla formula_227. Ne consegue che: per la nota proprietà per cui la combinazione lineare dei quadrati variabili casuali normali standardizzate ha distribuzione chi quadro, con gradi di libertà pari al rango della matrice formula_236, formula_229 (si osservi che in generale formula_238, e che formula_229 sarà solitamente pari al numero di restrizioni imposte sui parametri del modello). Naturalmente in generale il parametro formula_207 è incognito, per cui l'espressione sopra non può essere usata direttamente per fare inferenza statistica. Si ricorda tuttavia che: Essendo noto che il rapporto tra due variabili casuali aventi distribuzione chi quadro, divise per i rispettivi gradi di libertà, è distribuito come una F di Fisher, è possibile utilizzare la statistica test: avente sotto l'ipotesi nulla distribuzione F di Fisher con formula_229 e formula_220 gradi di libertà. Se due o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono linearmente dipendenti, non esiste l'inversa formula_246 per cui il vettore di stime OLS non può essere determinato. Se da un lato è assai improbabile che questa eventualità si verifichi nelle applicazioni pratiche, è comunque possibile che alcune colonne della matrice formula_68 siano prossime alla dipendenza lineare; in tal caso sarà ancora possibile ottenere un vettore di stime OLS, ma sorgerà il problema della multicollinearità. Si parla di multicollinearità allorché una o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono prossime a essere linearmente dipendenti. L'effetto della multicollinearità è che la matrice formula_249 è prossima all'essere singolare. Questo ha due conseguenze di particolare rilievo nelle applicazioni: Il primo punto implica che gli intervalli di confidenza per i valori dei coefficienti saranno relativamente ampi; se tali intervalli includono lo zero, non si può rifiutare l'ipotesi nulla che la variabile corrispondente non abbia alcun effetto sulla variabile dipendente. Un indicatore di multicollinearità spesso utilizzato nella pratica è il "variance inflation factor" (fattore di inflazione della varianza), o VIF. Il VIF è calcolato per ciascuna variabile del modello (spesso automaticamente da diversi software statistici), in base all'espressione: dove formula_251 è il coefficiente R² di una regressione della colonna formula_5-esima di formula_65 su tutti gli altri regressori (incluso il termine costante, se è presente). È possibile dimostrare che la varianza dell'elemento formula_5-esimo del vettore delle stime OLS formula_124 è proporzionale al VIF; dunque un VIF elevato comporterà una minore significatività del coefficiente formula_256, andando a ridurre il valore della statistica formula_192 di Student associata. Un formula_251 elevato è indice di dipendenza lineare tra la colonna formula_5-esima e le restanti colonne della matrice formula_65, ossia è un indice di multicollinearità. Non esiste, tuttavia, un particolare valore soglia del VIF che determina inequivocabilmente la multicollinearità; sta alla sensibilità del ricercatore valutare, con l'ausilio dell'indicazione del VIF, se sussista o meno multicollinearità, nel qual caso è opportuno rimuovere il regressore formula_5-esimo (colonna formula_5-esima della matrice formula_65 sulla quale si è riscontrata multicollinearità). Le stime e le statistiche test presentate sopra costituiscono l'obiettivo del ricercatore che effettua un'analisi di regressione lineare. Sebbene le convenzioni nella presentazione dei risultati varino significativamente a seconda dell'ambito scientifico o del tipo di pubblicazione, alcuni standard sono in generale rispettati. I risultati della stima di un modello di regressione lineare potrebbero e dovrebbero riportare: Particolare attenzione si deve porre nel ritenere che un modello: implichi che le variabili ricomprese nella matrice formula_65 "causino" la formula_27. È importante osservare che l'esistenza di regressione (formalmente definita nei paragrafi precedenti) "non implica altro che l'esistenza di un valore atteso condizionato": In particolare, non si può in generale affermare che l'espressione sopra significhi che le variabili in formula_65 "causino" il comportamento della formula_27. Come espresso con efficacia da Cochrane (2003), "le regressioni non hanno cause al secondo membro e conseguenze al primo membro." Tuttavia resta vero che uno dei principali task dell'analisi di regressione verte proprio sulle indagini di tipo causale; peraltro in contesti sperimentali "controllati" questa possibilità è tipicamente accettata. Inoltre anche in contesti osservazionali l'interpretazione causale, anche se molto più delicata, non si esclude assolutamente, anzi in certi contesti resta il task più importante. Particolare rilievo in questo contesto è giocato dal problema delle "variabili omesse", se siamo portati a ritenere che tale problema non sia rilevante, allora l'interpretazione causale è lecita. I concetti di validità esterna ed interna forniscono uno schema di riferimento per valutare se uno studio statistico o econometrico sia utile per rispondere ad una domanda specifica di interesse. L'analisi è esternamente valida se le sue inferenze e conclusioni possono essere generalizzate dalla popolazione e dal contesto studiati ad altre popolazioni e contesti. Deve essere giudicata usando la conoscenza specifica della popolazione e del contesto usato e di quelli oggetto d'interesse. Un'ipotesi cruciale del modello classico di regressione lineare è che i regressori siano ortogonali al disturbo stocastico, ossia, formalmente: Il motivo per cui tale ipotesi — anche nota come "ipotesi di esogeneità" — è fondamentale è presto illustrato; basta osservare che: così che: In altri termini: l'ipotesi di esogeneità dei regressori è condizione necessaria per la correttezza dello stimatore formula_118 del metodo dei minimi quadrati (un'analoga argomentazione può essere data in termini asintotici, passando dalla correttezza alla consistenza dello stimatore). In tutti i casi in cui si ha motivo di credere che l'ipotesi di esogeneità sia violata — tutti i casi in cui si sospetta "endogeneità" dei regressori — non si può fare affidamento sui risultati di una regressione condotta col metodo dei minimi quadrati ordinari (la soluzione è di ricorrere a una regressione con variabili strumentali). È la differenza tra la popolazione studiata e la popolazione d'interesse. Un esempio è quello di effettuare lo stesso test sui topi e sugli uomini senza chiedersi se vi siano delle differenze che inficino l'analisi. Anche se la popolazione studiata e quella d'interesse fossero uguali, sarebbe opportuno valutarne il contesto. Un esempio è uno studio su una campagna di alcolici su degli studenti universitari e su degli studenti delle classi primarie. Un'analisi statistica è internamente valida se le inferenze statistiche sugli effetti causali sono validi per la popolazione oggetto di studio. La distorsione da variabile omessa nasce quando viene omessa una variabile dalla regressione, che è una determinante di formula_1 ed è correlata con uno o più dei regressori. L'omissione di variabili rilevanti (nel senso precisato in quanto segue) può rendere le stime OLS inconsistenti. Si supponga che il modello "vero" sia: ma si stimi un modello: che omette la variabile "rilevante" formula_282 che contribuisce a spiegare la variabile dipendente formula_27. Si ha allora: Poiché formula_285, nel secondo modello il regressore formula_286 è correlato col disturbo formula_287. Per la precisione: Risulta così violata una delle ipotesi del modello classico di regressione lineare, e le stime del parametro formula_289 col metodo dei minimi quadrati ordinari sono inconsistenti. Si osservi che, qualora la variabile rilevante formula_282 sia ortogonale a formula_286 (e, di conseguenza, formula_292), il problema scompare (il teorema di Frisch-Waugh-Lovell precisa ed estende quest'ultima considerazione). Questo errore sorge quando la funzione di regressione che descrive i dati non è corretta. Ad esempio una funzione di regressione di una popolazione non lineare è descritta come lineare. Tipicamente è un errore di misura o confusione, che va a distorcere l'intero data set. La distorsione di causalità simultanea si verifica in una regressione di Y su X quando, in aggiunta al legame causale d'interesse da formula_65 a formula_1, c'è un legame causale da formula_1 a formula_65. Questa causalità inversa rende formula_65 correlato con l'errore statistico nella regressione d'interesse. Si verifica quando il processo di selezione è legato al valore della variabile dipendente; ciò può introdurre la correlazione tra l'errore statistico ed il regressore, portando così ad una distorsione dello stimatore OLS. Si supponga di non poter osservare direttamente un regressore, che deve essere stimato (o "generato", secondo una diversa terminologia); per concretezza, si consideri un "vero" modello: e si ipotizzi di disporre soltanto di una stima di formula_300: Se si procede nella stima di: Si ottiene: con: Supponendo che formula_307, la stima del parametro formula_85 risulta più vicina a zero di quanto non sia il "vero" valore del parametro (questo effetto è noto con termine inglese come "attenuation bias"). È immediato osservare che il problema è meno pronunciato laddove la varianza dell'errore nell'osservazione di formula_300, formula_310 risulta minore della varianza di formula_300 stesso — ossia, non sorprendentemente, quando formula_300 può essere stimato con relativa precisione. Si osservi infine che nessun problema si pone nel caso in cui la variabile dipendente — formula_27 — sia stimata o generata. In tal caso, il termine di errore in essa contenuto sarà semplicemente incorporato nel disturbo della regressione — formula_314, senza ledere la consistenza delle stime OLS. Le proprietà sopra esposte possono essere generalizzate al caso in cui le ipotesi sulla distribuzione dei termini di errore non siano necessariamente valide per campioni di dimensione finita. In questo caso, si ricorre alle proprietà "asintotiche" delle stime, supponendo implicitamente che, per campioni di dimensione sufficientemente grande, la distribuzione asintotica delle stime coincida, o approssimi ragionevolmente, quella effettiva. I risultati si fondano sul teorema del limite centrale, o su sue generalizzazioni. Al fine di illustrare le proprietà asintotiche degli stimatori dei minimi quadrati ordinari, si ipotizzi: dove formula_318 denota la convergenza in probabilità e formula_319 la matrice identità. L'espressione per lo stimatore dei minimi quadrati ordinari può essere riscritta come: Passando al limite per formula_321, si ha allora: (si osservi che il limite in probabilità dell'inversa di formula_323 è l'inversa di formula_324). Dunque, lo stimatore formula_118 converge in probabilità al vero valore del vettore di parametri formula_85 – si dice dunque che formula_118 gode della proprietà di consistenza. Applicando una banale estensione del teorema del limite centrale al caso multivariato, si ha inoltre: dove formula_329 denota la convergenza in distribuzione. Da quest'ultimo risultato discende allora che: In altre parole, lo stimatore dei minimi quadrati ordinari è non solo consistente, ma anche asintoticamente normalmente distribuito; l'insieme di queste proprietà si indica con la sigla inglese CAN ("Consistent and Asymptotically Normal"). I metodi sopra esposti costituiscono il nucleo del modello classico di regressione lineare; quantunque validi strumenti di analisi per un ampio spettro di discipline e casi di studio, essi prestano il fianco a una serie di critiche, incentrate sulla semplicità delle ipotesi alla base del modello. Tali critiche hanno portato alla formulazione di modelli più generali, caratterizzati da ipotesi meno restrittive rispetto a quelle poste sopra. L'analisi ha battuto alcune vie principali: Ciò ha consentito lo sviluppo di modelli alternativi, o quantomeno complementari, al modello classico; tra i più noti, il metodo dei minimi quadrati generalizzati, metodi di stima tramite variabili strumentali, i vari modelli di regressione robusta, nonché numerosi modelli sviluppati nell'ambito dell'analisi delle serie storiche e dei dati panel. Nell'ambito dell'econometria (manuali, si veda anche l'articolo econometria): Nell'ambito della finanza: Nell'ambito della fisica: Nell'ambito della Ricerca sociale: Nell'ambito della linguistica, in particolare della psicolinguistica:

Regressione lineare

Le macchine a vettori di supporto (SVM, dall'inglese "Support-Vector Machines") sono dei modelli di apprendimento supervisionato associati ad algoritmi di apprendimento per la regressione e la classificazione. Dato un insieme di esempi per l'addestramento (training set), ognuno dei quali etichettato con la classe di appartenenza fra le due possibili classi, un algoritmo di addestramento per le SVM costruisce un modello che assegna i nuovi esempi ad una delle due classi, ottenendo quindi un classificatore lineare binario non probabilistico. Un modello SVM è una rappresentazione degli esempi come punti nello spazio, mappati in modo tale che gli esempi appartenenti alle due diverse categorie siano chiaramente separati da uno spazio il più possibile ampio. I nuovi esempi sono quindi mappati nello stesso spazio e la predizione della categoria alla quale appartengono viene fatta sulla base del lato nel quale ricade. Oltre alla classificazione lineare è possibile fare uso delle SVM per svolgere efficacemente la classificazione non-lineare utilizzando il metodo kernel, mappando implicitamente i loro input in uno spazio delle feature multi-dimensionale. Quando gli esempi non sono etichettati è impossibile addestrare in modo supervisionato e si rende necessario l'apprendimento non supervisionato, questo approccio cerca di identificare i naturali cluster in cui si raggruppano i dati, mappando successivamente i nuovi dati nei cluster ottenuti. L'algoritmo di clustering a vettori di supporto, creato da Hava Siegelmann e Vladimir N. Vapnik, applica le statistiche dei vettori di supporto, sviluppate negli algoritmi delle SVM, per classificare dati non etichettati, ed è uno degli algoritmi di clustering maggiormente utilizzato nelle applicazioni industriali. Le macchine a vettori di supporto possono essere pensate come una tecnica alternativa per l'apprendimento di classificatori polinomiali, contrapposta alle tecniche classiche di addestramento delle reti neurali artificiali. Le reti neurali ad un solo strato hanno un algoritmo di apprendimento efficiente, ma sono utili soltanto nel caso di dati linearmente separabili. Viceversa, le reti neurali multistrato possono rappresentare funzioni non lineari, ma sono difficili da addestrare a causa dell'alto numero di dimensioni dello spazio dei pesi e poiché le tecniche più diffuse, come la "back-propagation", permettono di ottenere i pesi della rete risolvendo un problema di ottimizzazione non convesso e non vincolato che, di conseguenza, presenta un numero indeterminato di minimi locali. La tecnica di addestramento SVM risolve entrambi i problemi: presenta un algoritmo efficiente ed è in grado di rappresentare funzioni non lineari complesse. I parametri caratteristici della rete sono ottenuti mediante la soluzione di un problema di programmazione quadratica convesso con vincoli di uguaglianza o di tipo box (in cui il valore del parametro deve essere mantenuto all'interno di un intervallo), che prevede un unico minimo globale. Formalmente, una macchina a vettori di supporto costruisce un iperpiano o un insieme di iperpiani in uno spazio a più dimensioni o a infinite dimensioni, il quale può essere usato per classificazione, regressione e altri scopi come il rilevamento delle anomalie. Intuitivamente una buona separazione si può ottenere dall'iperpiano che ha la distanza maggiore dal punto (del training set) più vicino di ognuna delle classi; in generale maggiore è il margine fra questi punti, minore è l'errore di generalizzazione commesso dal classificatore. Mentre il problema originale può essere definito in uno spazio di finite dimensioni, spesso succede che gli insiemi da distinguere non siano linearmente separabili in quello spazio. Per questo motivo è stato proposto che lo spazio originale di dimensioni finite venisse mappato in uno spazio con un numero di dimensioni maggiore, rendendo presumibilmente più facile trovare una separazione in questo nuovo spazio. Per mantenere il carico computazionale accettabile, i mapping utilizzati dalle SVM sono fatti in modo tale che i prodotti scalari dei vettori delle coppie di punti in input siano calcolati facilmente in termini delle variabili dello spazio originale, attraverso la loro definizione in termini di una funzione kernel formula_1scelta in base al problema da risolvere. Gli iperpiani in uno spazio multidimensionale sono definiti come l'insieme di punti il cui prodotto scalare con un vettore in quello spazio è costante, dove tale insieme di vettori è un insieme ortogonale (e quindi minimale) di vettori che definiscono un iperpiano. I vettori che definiscono gli iperpiani possono essere scelti come combinazioni lineari con parametri formula_2delle immagini dei vettori delle feature formula_3. Con tale scelta dell'iperpiano, i punti formula_4 nello spazio delle feature che sono mappati nell'iperpiano sono definiti dalla relazione formula_5. Si noti che se formula_1 diventa più piccolo al crescere di formula_7 rispetto ad formula_4, ogni termine della somma misura il grado di vicinanza del punto di test formula_4 al corrispondente punto di base formula_3. Si noti che l'insieme di punti formula_4 mappato in un qualsiasi iperpiano può produrre un risultato piuttosto complicato, permettendo discriminazioni molto più complesse fra insiemi non completamente convessi nello spazio originario. L'originale algoritmo SVM è stato inventato da Vladimir Vapnik e Aleksej Červonenkis nel 1963. Nel 1992 Bernhard Boser, Isabelle Guyon e lo stesso Vapnik suggerirono un modo per creare un classificatore non lineare applicando il metodo kernel all'iperpiano con il massimo margine. Lo standard corrente che propone l'utilizzo di un margine leggero fu invece proposto da Corinna Cortes e Vapnik nel 1993 e pubblicato nel 1995. Alcune applicazioni per cui le SVM sono state utilizzate con successo sono: I seguenti framework mettono a disposizione un'implementazione di SVM:

Macchine a vettori di supporto

In probabilità, date due variabili aleatorie "X" e "Y", definite sullo stesso spazio di probabilità, si definisce la loro distribuzione congiunta come la distribuzione di probabilità associata al vettore formula_1. Nel caso di due sole variabili, si parla di distribuzione bivariata, mentre nel caso di più variabili si parla di distribuzione multivariata. La funzione di ripartizione di una distribuzione congiunta è definita come o più generalmente Nel caso di variabili aleatorie discrete, la densità discreta congiunta (o funzione di massa di probabilità congiunta) è data da Siccome la densità congiunta è anch'essa una densità, è soddisfatta la seguente equazione: Nel caso di variabili aleatorie continue, la densità congiunta è data da dove "f"("y"|"x") e "f"("x"|"y") sono le distribuzioni condizionate di Y dato X=x e di X dato Y=y, mentre "f"("x") e "f"("y") sono le distribuzioni marginali della densità congiunta, rispettivamente per X e Y. Anche in questo caso, è soddisfatto

Distribuzione congiunta

è un algoritmo di clustering partizionale correlato all'algoritmo K-means. Prevede in input un insieme di n oggetti e un numero k che determina quanti cluster si vogliono in output. Entrambi gli algoritmi sono partizionali (suddividendo il dataset in gruppi) ed entrambi cercano di minimizzare l'errore quadratico medio, la distanza tra punti di un cluster e il punto designato per esserne il centro. In K-means il punto è "artificiale" — è la pura media di tutti i punti nel cluster. Nel K-medoids è usato il punto collocato più centralmente, in questo modo il centro è uno dei datapoint attuali. K-medoids è più robusto al rumore e agli outlier rispetto al k-means. Un medoid può essere definito come un oggetto di un cluster la cui dissimilarità media rispetto a tutti gli oggetti nel cluster è minima, in questo modo esso sarà il punto più centrale di un dato dataset. L'algoritmo di clustering è il seguente: Si deve clusterizzare il seguente data set di 10 oggetti in 2 cluster, quindi n è 10 e k è 2: Si inizializzano i k centri. Assumiamo che C1=(3,4) e C2=(7,4) siano i nostri medoid iniziali. Calcoliamo la distanza così da associare ogni data object al suo medoid più vicino. Iniziamo quindi il clustering: Essendo (3,4) (2,6) (3,8) e (4,7) punti vicini a c1 essi formeranno un cluster mentre i punti rimanenti ne formeranno un altro. Il costo totale sarà 20. Il costo tra 2 punti qualsiasi è trovato usando la formula formula_1 Il costo totale è la somma dei costi per gli oggetti dal proprio medoid. Costo totale= {cost((3,4),(2,6)) + cost((3,4),(3,8)) + cost((3,4),(4,7))} + {cost((7,4),(6,2)) + cost((7,4),(6,4)) + cost((7,4),(7,3)) + cost((7,4),(8,5)) + cost((7,4),(7,6))} = 3 + 4 + 4 + 3 + 1 + 1 + 2 + 2 = 20 Selezione di un nonmedoid O' in modo casuale. Assumiamo O'=(7,3) I medoid sono quindi c1(3,4) e O'(7,3). Se c1 e O' sono nuovi medoid, si calcola il costo totale usando la formula al passo 1. Costo totale = 3 + 4 + 4 + 2 + 2 + 1 + 3 + 3 = 22 Così il costo per cambiare il medoid da c2 a O' sarà: S = Costo totale attuale – Costo totale precedente = 22 - 20 = 2 > 0 Quindi cambiare medoid in O' non è una buona idea, la scelta precedente è stata buona e l'algoritmo termina in questo punto (in quanto non ci sono cambiamenti per i medoid). Può accadere che qualche data point possa migrare da un cluster ad un altro, ciò dipende dalla vicinanza rispetto al nuovo medoid scelto.

K-medoids

In matematica, la distanza di Minkowski è una distanza in uno spazio euclideo che può essere considerata una generalizzazione sia della distanza euclidea sia della distanza di Manhattan. La distanza di Minkowski di ordine formula_1 tra due punti formula_2 e formula_3 in formula_4 è definita come: Questa distanza si usa tipicamente con formula_6 o formula_7: il primo la distanza di Manhattan e il secondo rappresenta la distanza euclidea. Per formula_8 la distanza di Minkowski è una "metrica", nel senso che soddisfa la disuguaglianza triangolare come conseguenza della disuguaglianza di Minkowski. Quando formula_9, la distanza tra formula_10 e formula_11 è formula_12, ma il punto formula_13 è a distanza 1 da entrambi. Nel caso limite in cui formula_1 tende a infinito si ha la distanza di Čebyšëv: Per formula_1 che tende a formula_17, in modo simile si ha:

Distanza di Minkowski

In statistica, in particolare in statistica descrittiva, data una distribuzione di un carattere quantitativo oppure qualitativo ordinabile (ovvero le cui modalità possano essere ordinate in base a qualche criterio), i quartili sono quei valori/modalità che ripartiscono la popolazione in quattro parti di uguale numerosità. I quartili sono indici di posizione e rientrano nell'insieme delle statistiche d'ordine. La differenza tra il terzo ed il primo quartile è un indice di dispersione ed è detto scarto interquartile; i quartili vengono inoltre utilizzati per rappresentare un Box-plot. Il quartile zero, il primo, il secondo, il terzo e il quarto quartile corrispondono con le prime modalità la cui frequenza cumulata percentuale è almeno 0, 25, 50, 75 e 100 rispettivamente. Cioè, ad esempio, il primo quartile corrisponde con la modalità "i"-esima se la frequenza cumulata percentuale formula_1 e formula_2. Il primo, il secondo e il terzo quartile in una distribuzione ordinata sono "vicini" ai valori di posizione "[n/4]", "[n/2]" e "[3n/4]". Il secondo quartile coincide con la mediana, e divide la popolazione in due parti di uguale numerosità, delle quali il primo ed il terzo quartile sono le mediane. Il quartile zero coincide con il valore minimo della distribuzione. Il quarto quartile coincide con il valore massimo della distribuzione. I quartili equivalgono ai quantili "q" (quartile zero), "q" (primo quartile), "q=q" (secondo quartile), "q" (terzo quartile) e "q" (quarto quartile). In un sondaggio fatto all'interno di una facoltà composta da 250 studenti (la popolazione statistica), si intende rilevare il carattere "Gradimento dei professori", secondo le cinque modalità "molto deluso", "insoddisfatto", "parzialmente soddisfatto", "soddisfatto", "entusiasta". Risulta che 10 studenti si dicono entusiasti dell'operato dei professori, 51 si dicono soddisfatti, 63 mediamente soddisfatti, 90 insoddisfatti, 36 molto delusi. La distribuzione di frequenza viene rappresentata con una tabella come la seguente: Nel caso ipotizzato, il primo quartile e la mediana sono rappresentati dalla modalità "insoddisfatto", mentre il terzo quartile è rappresentato dalla modalità "parzialmente soddisfatto". Questo significa che "almeno" la metà degli studenti non è soddisfatto dei professori e "almeno" tre quarti degli studenti non è pienamente soddisfatto.

Quartile

In statistica lo scarto interquartile (o differenza interquartile o ampiezza interquartile, in inglese "interquartile range" o "IQR") è la differenza tra il terzo e il primo quartile, ovvero l'ampiezza della fascia di valori che contiene la metà "centrale" dei valori osservati. Lo scarto interquartile è un indice di dispersione, cioè una misura di quanto i valori si allontanino da un valore centrale. Viene utilizzato nel disegno del diagramma box-plot. Lo scarto interquartile di una variabile aleatoria si ottiene tramite la funzione di ripartizione, come differenza formula_1 Per una variabile casuale normale formula_2 lo scarto interquartile è circa formula_3. Per una variabile casuale di Cauchy formula_4 lo scarto interquartile è formula_5.

Scarto interquartile

è un algoritmo di clustering partizionale correlato all'algoritmo K-means. Prevede in input un insieme di n oggetti e un numero k che determina quanti cluster si vogliono in output. Entrambi gli algoritmi sono partizionali (suddividendo il dataset in gruppi) ed entrambi cercano di minimizzare l'errore quadratico medio, la distanza tra punti di un cluster e il punto designato per esserne il centro. In K-means il punto è "artificiale" — è la pura media di tutti i punti nel cluster. Nel K-medoids è usato il punto collocato più centralmente, in questo modo il centro è uno dei datapoint attuali. K-medoids è più robusto al rumore e agli outlier rispetto al k-means. Un medoid può essere definito come un oggetto di un cluster la cui dissimilarità media rispetto a tutti gli oggetti nel cluster è minima, in questo modo esso sarà il punto più centrale di un dato dataset. L'algoritmo di clustering è il seguente: Si deve clusterizzare il seguente data set di 10 oggetti in 2 cluster, quindi n è 10 e k è 2: Si inizializzano i k centri. Assumiamo che C1=(3,4) e C2=(7,4) siano i nostri medoid iniziali. Calcoliamo la distanza così da associare ogni data object al suo medoid più vicino. Iniziamo quindi il clustering: Essendo (3,4) (2,6) (3,8) e (4,7) punti vicini a c1 essi formeranno un cluster mentre i punti rimanenti ne formeranno un altro. Il costo totale sarà 20. Il costo tra 2 punti qualsiasi è trovato usando la formula formula_1 Il costo totale è la somma dei costi per gli oggetti dal proprio medoid. Costo totale= {cost((3,4),(2,6)) + cost((3,4),(3,8)) + cost((3,4),(4,7))} + {cost((7,4),(6,2)) + cost((7,4),(6,4)) + cost((7,4),(7,3)) + cost((7,4),(8,5)) + cost((7,4),(7,6))} = 3 + 4 + 4 + 3 + 1 + 1 + 2 + 2 = 20 Selezione di un nonmedoid O' in modo casuale. Assumiamo O'=(7,3) I medoid sono quindi c1(3,4) e O'(7,3). Se c1 e O' sono nuovi medoid, si calcola il costo totale usando la formula al passo 1. Costo totale = 3 + 4 + 4 + 2 + 2 + 1 + 3 + 3 = 22 Così il costo per cambiare il medoid da c2 a O' sarà: S = Costo totale attuale – Costo totale precedente = 22 - 20 = 2 > 0 Quindi cambiare medoid in O' non è una buona idea, la scelta precedente è stata buona e l'algoritmo termina in questo punto (in quanto non ci sono cambiamenti per i medoid). Può accadere che qualche data point possa migrare da un cluster ad un altro, ciò dipende dalla vicinanza rispetto al nuovo medoid scelto.

K-medoids

è un termine utilizzato in statistica per definire, in un insieme di osservazioni, un valore anomalo e aberrante. Un valore quindi chiaramente distante dalle altre osservazioni disponibili. In statistica viene definito outlier un valore al di fuori dall'intervallo: Dove formula_2 e formula_3 sono rispettivamente primo e terzo quartile. formula_4 è una costante che regola l'ampiezza dell'intervallo. Normalmente assume il valore unitario. Gli outlier sono valori numericamente distanti dal resto dei dati raccolti (ad esempio, in un campionamento). Le statistiche che derivano da campioni contenenti outlier possono essere fuorvianti. Per esempio, se misurassimo la temperatura di dieci oggetti presenti in una stanza, la maggior parte dei quali risultasse avere una temperatura compresa fra 20 e 25 gradi Celsius, allora il forno acceso, avente una temperatura di 350 gradi, sarebbe un dato aberrante. La mediana dei valori sarebbe circa 23, mentre la temperatura media salirebbe a circa 55 gradi: un indice chiaramente non rappresentativo della maggioranza dei valori di temperatura riscontrati nella stanza. In questo caso, la mediana rifletterebbe meglio della media aritmetica le misure della temperatura degli oggetti. Gli outliers possono essere indicativi del fatto che, in un dato campione, alcuni dati appartengono ad una popolazione differente rispetto a quella del resto del campione. Nella maggioranza dei grandi campioni, alcuni dati saranno più lontani dalla media del campione di quanto sarebbe logico aspettarsi. Ciò può essere dovuto ad un errore sistematico che si è verificato nella raccolta dei dati, oppure a una fallacia nella teoria che ha orientato l'assunzione di una data distribuzione campionaria di probabilità, ma potrebbe anche essere semplicemente dovuto al caso, che ha fatto sì che nella raccolta dei dati alcune osservazioni abbiano prodotto dati molto lontani dai valori medi del campione. Inoltre, gli outliers potrebbero essere indicativi di dati errati, procedure erronee o aree sperimentali in cui alcune teorie potrebbero non essere valide. Tuttavia, un piccolo numero di dati aberranti non dovuti a condizioni anomale è dato per scontato nei grandi campioni. Stimatori poco influenzati dai dati aberranti sono detti robusti.

Outlier

Il test di verifica d'ipotesi si utilizza per verificare la bontà di un'ipotesi. Per ipotesi è da intendersi un'affermazione che ha come oggetto accadimenti nel mondo reale, che si presta ad essere confermata o smentita dai dati osservati sperimentalmente. Il metodo con cui si valuta l'attendibilità di un'ipotesi è il metodo sperimentale. Quest'ultimo consiste nel determinare le conseguenze di un'ipotesi in termini di eventi osservabili, e di valutare se la realtà effettivamente osservata si accorda o meno con l'ipotesi su di essa fatta. A tal riguardo si distinguono due ambiti in cui tale attività si esplica: Nell'ambito statistico, a seconda delle ipotesi si distingue tra: Nel primo caso, si tende a pervenire a delle conclusioni più sicure possibili. Ad esempio volendo provare se in un circuito elettrico passa corrente si inserirà una lampadina o un amperometro e si constaterà l'accensione o l'attivazione dello strumento. In tal caso si perviene con maggior sicurezza alla conclusione. Se la lampadina si accende allora passa corrente; in caso contrario il circuito non è predisposto correttamente. In questo ambito, se nel circuito passa corrente la maggior parte delle volte che si inserisce una lampadina questa si accende. In caso contrario il ripetuto inserimento della lampadina darà sempre esito negativo. Nel secondo caso la situazione è modificata in quanto interviene un elemento nuovo, ovvero il caso e/o l'errore di misura. Si supponga di avere una moneta recante due facce contrassegnate con testa e croce. Volendo verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta si eseguono 20 lanci e si contano quelli che danno esito testa. La conseguenza del bilanciamento consiste nell'osservare un valore di teste attorno a 10. Tuttavia anche in ipotesi di bilanciamento non si può escludere di osservare 20 teste. D'altronde, l'ipotesi di bilanciamento è logicamente compatibile con un numero di teste variante da 0 a 20. In tale contesto una qualsiasi decisione in merito all'ipotesi da verificare comporta un rischio di errore. Ad esempio rigettare l'ipotesi di bilanciamento della moneta avendo osservato 20 teste su 20 lanci comporta il rischio di prendere una decisione errata. Nel procedere alla verifica dell'ipotesi di bilanciamento della moneta, si ricorre a una variabile casuale X. Tale variabile casuale X è una variabile aleatoria discreta con distribuzione binomiale B(20; 0,5), dove 20 indica il numero di lanci e 0,5 la probabilità che si verifichi l'evento "testa". Il risultato sperimentale si deve quindi confrontare con tale distribuzione: quanto è distante tale risultato dal valore medio della distribuzione B(20; 0,5)? Per rispondere alla domanda si deve individuare un valore caratteristico della distribuzione B(20; 0,5). Nel nostro caso tale valore caratteristico è il valore medio 20/2 = 10. Per valutare la distanza tra il valore sperimentale e quello atteso si valuta la probabilità di ottenere un valore sperimentale lontano dal valore medio di B(20; 0,5), ossìa nel caso che dal nostro esperimento risulti X=15 (15 teste dopo 20 lanci), si calcola P{|X-10|>=15-10} quindi P{X<=5 oppure X>=15}=0,041. Quindi, usando una moneta ben bilanciata, la probabilità di ottenere un numero di teste X >= 15 (oppure X <= 5) dopo 20 lanci è pari a 0,041 ossia al 4,1%. Giudicando bassa tale probabilità si rifiuterà l'ipotesi di bilanciamento della moneta in esame, accettando quindi il rischio del 4,1% di compiere un errore nel rifiutarla. Di solito, il valore della probabilità adottato per rifiutare l'ipotesi nulla è < 0,05. Tale valore è detto livello di significatività ed è definibile come segue: il livello di significatività sotto l'ipotesi nulla è la probabilità di cadere nella zona di rifiuto quando l'ipotesi nulla è vera. Tale livello di significatività si indica convenzionalmente con α. Il livello di significatività osservato α del test per il quale si rifiuterebbe l'ipotesi nulla è detto valore-p ("p-value"). Riprendendo l'esempio sopra riportato il valore-p è pari a 0,041. Adottando nell'esempio α = 0,05, si rifiuterà l'ipotesi se P{|X-10|>=x}<0,05. Tale condizione si raggiunge appunto se X<6 oppure X>14. Tale insieme di valori si definisce convenzionalmente come regione di rifiuto. Viceversa l'insieme { 6,7…14} si definisce regione di accettazione. In questo modo si è costruita una regola di comportamento per verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta. Tale regola definisce il test statistico. In termini tecnici l'ipotesi da verificare si chiama ipotesi nulla e si indica con "H", mentre l'ipotesi alternativa con "H". Nel caso della moneta, se "p" è la probabilità di ottenere testa in un lancio la verifica di ipotesi si traduce nel seguente sistema: Come già osservato, il modo di condurre un test statistico comporta un rischio di errore. Nella pratica statistica si individuano due tipi di errori: Tornando all'esempio della moneta in cui la regione di accettazione è data dall'insieme di valori {6..14}, la probabilità di rifiutare H quando è vera è stato calcolato pari a 0,041.Tale probabilità rappresenta il rischio di incorrere in un errore di primo tipo e si indica con α. Per valutare la probabilità di un errore di secondo tipo è necessario specificare un valore di "p" in caso di verità di H. Si supponga che p=0,80, in tal caso la distribuzione di X è una B(20;0,80) Con tale distribuzione di probabilità, l'errore di tipo "2" si calcola sommando le probabilità relative ai valori di X della zona di accettazione, ciò supponendo H vera. Si trova quindi che la probabilità cercata è pari a circa 0,20. Tale probabilità quantifica il rischio di incorrere nell'errore di tipo "2." e si indica convenzionalmente con β. La quantità 1-β si chiama "potenza del test" ed esprime quindi la capacità di un test statistico di riconoscere la falsità di H quando questa è effettivamente falsa. La potenza del test trova applicazione nella pratica statistica in fase di pianificazione di un esperimento.

Test di verifica d'ipotesi

In statistica bayesiana, la probabilità a posteriori di un evento aleatorio o di una proposizione incerta, è la probabilità condizionata che è assegnata dopo che si è tenuto conto dell'informazione rilevante o degli antefatti relativi a tale evento aleatorio o a tale proposizione incerta. Similmente, la distribuzione di probabilità a posteriori è la distribuzione di una quantità incognita, trattata come una variabile casuale, condizionata sull'informazione posta in evidenza da un esperimento o da un processo di raccolta di informazione rilevanti (es. un'ispezione, un'indagine conoscitiva, ecc.). La probabilità a posteriori è la probabilità dei parametri formula_1 data la conoscenza di formula_2: formula_3. Essa differisce dalla funzione di verosimiglianza, che è la probabilità di possedere una data conoscenza una volta dati i parametri: formula_4. I due concetti sono però tra loro collegati: Supponiamo di avere una credenza a priori che la funzione di distribuzione di probabilità sia formula_5 e i dati osservati formula_2 con una verosimiglianza formula_4, allora la probabilità a posteriori è definita come La probabilità a posteriori può essere scritta in una forma mnemonica come Consideriamo una scuola mista composta dal 60% di ragazzi e dal 40% di ragazze. Le ragazze indossano pantaloni o gonne in numeri eguali, i ragazzi indossano tutti pantaloni. Un osservatore vede da distante uno studente (a caso); tutto quello che può dire è che indossa pantaloni. Qual è la probabilità che lo studente sia una ragazza? La risposta corretta può essere dedotta applicando il teorema di Bayes. L'evento "G" è quello in cui lo studente visto è una ragazza, e l'evento "T" è quello in cui lo studente visto indossa pantaloni. Per calcolare P("G"|"T") abbiamo prima bisogno di sapere: Una volta ottenute tutte queste informazioni, la probabilità che l'osservatore abbia individuato una ragazza una volta visto uno studente che indossa pantaloni può essere calcolata sostituendo i valori nella formula: La distribuzione di probabilità a posteriori di una variabile casuale dato il valore di un'altra, può essere calcolata con il teorema di Bayes moltiplicando la distribuzione di probabilità a priori per la funzione di verosimiglianza, e quindi dividendo per una costante di normalizzazione come segue: la quale fornisce la funzione di densità di probabilità per una variabile casuale "X" una volta dato "Y" = "y", dove Nell'ambito della classificazione statistica le probabilità a posteriori riflettono l'incertezza nell'assegnare un'osservazione ad una classe particolare. Mentre i metodi di classificazione statistica per definizione generano probabilità a posteriori, gli apprenditori automatici solitamente forniscono valori di appartenenza che non inducono alcuna confidenza di tipo probabilistico. È desiderabile trasformare o convertire i valori di appartenenza a valori di probabilità di appartenenza ad una certa classe in quanto tali classi sono, in confronto ai primi, di più facile trattamento in susseguenti elaborazioni.

Probabilità a posteriori

In teoria della probabilità la probabilità condizionata di un evento "A" rispetto a un evento "B" è la probabilità che si verifichi "A", sapendo che "B" è verificato. Questa probabilità, indicata formula_1 o formula_2, esprime una "correzione" delle aspettative per "A", dettata dall'osservazione di "B". Poiché, come si vedrà nella successiva definizione, formula_3 compare al denominatore, formula_1 ha senso solo se "B" ha una probabilità non nulla di verificarsi. È utile osservare che la notazione con il simbolo "Barra verticale" è comune con la definizione del connettivo logico NAND. Per esempio, la probabilità di ottenere "4" con il lancio di un dado a sei facce (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa Si consideri questo secondo esempio, la probabilità di ottenere "1" con il lancio di un comune dado (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa La probabilità di "A" condizionata da "B" è dove formula_8 è la probabilità congiunta dei due eventi, ovvero la probabilità che si verifichino entrambi. In termini più rigorosi, dato uno spazio misurabile formula_9 di misura "P", ogni evento "B" eredita una struttura di spazio misurato formula_10, restringendo gli insiemi misurabili a quelli contenuti in "B", ed induce una nuova misura formula_11 su formula_9, con formula_13. Se formula_14 è uno spazio probabilizzato (formula_15) e "B" non è trascurabile (formula_16), allora riscalando formula_17 a formula_18 si ottiene lo spazio probabilizzato formula_19 delle probabilità condizionate da "B". La formula della probabilità condizionata permette di descrivere la probabilità congiunta come Ovvero, la probabilità che si verifichino sia "A" sia "B" è pari alla probabilità che si verifichi "B" moltiplicata per la probabilità che si verifichi "A" supponendo che "B" sia verificato. Due eventi "A" e "B" sono indipendenti quando vale una delle tre equazioni equivalenti Per trovare la probabilità dell'evento a destra negato si può usare la seguente formula: formula_24. Se "A" e "B" sono eventi disgiunti, cioè se formula_25, le loro probabilità condizionate sono nulle: sapendo che uno dei due eventi si è verificato, è impossibile che si sia verificato "anche" l'altro. Se l'evento "A" implica l'evento "B", cioè se formula_26, allora la loro intersezione è "A", per cui formula_27 e: Nel caso di una misura di probabilità uniforme su uno spazio Ω finito, questa formula per "P(A|B)" esprime la definizione classica di probabilità come "casi favorevoli ("A") su casi possibili ("B")". Invece, per "P(B|A)" otteniamo il valore 1 che, per un numero finito di valori lo stesso Bayes interpretò in senso lato come la certezza che il tutto sia condizionato dalla parte. La speranza condizionata formula_30 di una variabile aleatoria "X" ad un evento "B" è la speranza di "X" calcolata sulle probabilità formula_31 (condizionate da "B"). La probabilità di un evento "A" può essere condizionata da una variabile aleatoria discreta "X", originando una nuova variabile aleatoria, formula_32, che per "X=x" assume il valore formula_33. Il teorema di Bayes esprime l'uguaglianza simmetrica formula_34 del teorema della probabilità composta come Questo teorema è alla base dell'inferenza bayesiana in statistica, dove "P" è detta "probabilità "a priori" di "B"" e "P" "probabilità "a posteriori" di "B"". Molti paradossi sono legati alla probabilità condizionata e derivano sia da un'errata formulazione del problema sia dalla confusione di "P(A|B)" con "P(A)" o con "P(B|A)". Esempi particolari sono il paradosso delle due buste, il paradosso dei due bambini, il problema di Monty Hall e il paradosso di Simpson.

Probabilità condizionata

In statistica, la regressione di Poisson è una forma di modello lineare generalizzato di analisi di regressione usato per modellare il conteggio dei dati in tabelle contingenti. La regressione di Poisson assume che la variabile di risposta Y ha una distribuzione di Poisson, e assume che il logaritmo del suo valore aspettato possa essere modellato da una combinazione lineare di parametri sconosciuti. La regressione di Poisson è talvolta conosciuta anche come modello log-lineare, specialmente quando viene usato per modellare tabelle contingenti. La regressione binomiale negativa (NB2) è una famosa generalizzazione della regressione di Poisson perché allenta il presupposto altamente restrittivo che la varianza è uguale alla media come nel modello di Poisson La NB2 si basa sulla distribuzione mista Poisson-Gamma. Questo modello è molto usato perché modella l'eterogeneità della Poisson con la distribuzione Gamma.

Regressione di Poisson

Il metodo della massima verosimiglianza, in statistica, è un procedimento matematico per determinare uno stimatore. Caso particolare della più ampia classe di metodi di stima basata sugli stimatori d'estremo, il metodo consiste nel massimizzare la funzione di verosimiglianza, definita in base alla probabilità di osservare una data realizzazione campionaria, condizionatamente ai valori assunti dai parametri statistici oggetto di stima. Il metodo è stato sviluppato, originariamente, dal genetista e statistico sir Ronald Fisher, tra il 1912 e il 1922. Data una distribuzione di probabilità formula_1, con funzione di massa (o densità, se continua) di probabilità formula_2, caratterizzata da un parametro formula_3, dato un campione di dati osservati formula_4 di dimensione formula_5 si può calcolare la probabilità associata ai dati osservati: D'altra parte, può darsi che il parametro formula_3 sia ignoto, sebbene sia noto che il campione è estratto dalla distribuzione formula_1. Un'idea per stimare formula_3 è allora utilizzare i dati a nostra disposizione: formula_4 per ottenere informazioni su formula_3. Il metodo della massima verosimiglianza ricerca il valore più "verosimile" di formula_3, ossia ricerca, all'interno dello spazio formula_13 di tutti i possibili valori di formula_3, il valore del parametro che "massimizza" la probabilità di aver ottenuto il campione dato. Da un punto di vista matematico, formula_15 o equivalentemente formula_16 è detta funzione di verosimiglianza, e lo stimatore di massima verosimiglianza è ottenuto come: Al fine di illustrare il metodo della massima verosimiglianza, si consideri un campione formula_18 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione normale: formula_19. La funzione di verosimiglianza associata è: La massimizzazione della funzione di verosimiglianza è equivalente a massimizzarne il logaritmo: I parametri formula_22 e formula_23 sono determinati risolvendo il problema di massimo: Le condizioni del primo ordine per un massimo definiscono il seguente sistema di equazioni in formula_22 e formula_23: dove i segni di apice sopra i parametri denotano i loro stimatori. Dalla prima equazione discende immediatamente lo stimatore di massima verosimiglianza per la media: cioè la media campionaria. La varianza dello stimatore formula_30 è data dalla seguente espressione: Sostituendo formula_30 nella seconda equazione, si ha lo stimatore di massima verosimiglianza per la varianza: cioè la varianza campionaria. L'esempio è particolarmente calzante, perché consente di illustrare alcune proprietà degli stimatori di massima verosimiglianza. È immediato verificare la correttezza (o "unbiasedness") di formula_30: D'altra parte, formula_36 non gode di tale proprietà. Ricordando che: segue che: Dunque formula_36 non è uno stimatore corretto; un tale stimatore sarebbe dato dalla statistica: Val la pena d'altra parte di osservare che lo stimatore di massima verosimiglianza è comunque uno stimatore asintoticamente corretto; infatti: In particolare, qualunque stimatore di massima verosimiglianza è asintoticamente corretto e asintoticamente normalmente distribuito. L'espressione per la varianza dello stimatore formula_36 è al di là degli scopi di questo esempio. È interessante osservare che gli stimatori derivati in questa sezione sono identici a quelli ottenibili, nelle stesse condizioni, impiegando il metodo dei momenti; a scanso di equivoci, si precisa che i due metodi di ricerca degli stimatori non conducono necessariamente a individuare gli stessi stimatori in condizioni più generali. Al di là dei problemi evidenziati negli esempi sopra, altre difficoltà, di portata più generale, possono essere associate agli stimatori di massima verosimiglianza. Il valore dello stimatore di massima verosimiglianza può non appartenere allo spazio dei parametri formula_13. Si consideri il caso di un campione formula_44 di v.c. identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione di Poisson di parametro formula_45. La funzione di verosimiglianza associata è: Così che la funzione di log-verosimiglianza risulta: Lo stimatore di massima verosimiglianza sarebbe dunque formula_48. Si supponga tuttavia che formula_49; poiché formula_50, la stima ottenuta con il metodo della massima verosimiglianza non è ammissibile. A prima vista il problema potrebbe apparire un dettaglio matematico di scarso rilievo nella pratica; la sua portata nelle applicazioni è tuttavia più rilevante di quanto sembri. Restando nell'ambito dell'esempio testé esposto, si osservi che la variabile casuale poissoniana è spesso utilizzata come modello per il numero di arrivi a uno sportello, un ufficio, la fermata di un autobus, etc. (si tratta di un'applicazione della teoria delle code, che fa per la precisione riferimento al processo di Poisson); in tale contesto, formula_51 rappresenta il tasso atteso di arrivi per unità di tempo. È chiaro che ipotizzare formula_52 in qualche misura snatura il processo sotto esame: può darsi che, nell'intervallo di tempo corrispondente al campione utilizzato per la stima, nessun cliente sia arrivato allo sportello (nessun passeggero alla fermata dell'autobus, etc.); ciò non significa che ci si debba aspettare che nessun cliente (o passeggero, etc.) arrivi mai! Lo stimatore di massima verosimiglianza, inoltre, "non è necessariamente unico". Si consideri, ad esempio, il caso di un campione formula_53 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, aventi distribuzione uniforme sull'intervallo formula_54, con formula_55. La funzione di verosimiglianza associata è: dove formula_57 denota la funzione indicatrice. Si supponga che il campione sia ordinato in modo tale che: (tale ipotesi è lecita in quanto le formula_59 sono indipendentemente distribuite). È facile mostrare che: Ne consegue che lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_3 è unico se e solo se formula_62; diversamente, un numero infinito di valori dello stimatore formula_63 massimizza la funzione di verosimiglianza. Se formula_63 è lo stimatore di massima verosimiglianza per il parametro formula_3, allora lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_66 è formula_67, purché formula_68 sia una funzione biiettiva. Gli stimatori di massima verosimiglianza, come illustrato negli esempi, possono essere distorti (cioè non corretti o all'inglese "biased"), anche in maniera consistente. D'altra parte essi sono asintoticamente corretti. Gli stimatori di massima verosimiglianza non conseguono in generale il limite inferiore per la varianza stabilito dal risultato di Cramér-Rao, lo conseguono però asintoticamente, cioè la varianza si discosta dal limite inferiore di Cramér-Rao per una quantità infinitesima al crescere di "n". Gli stimatori di massima verosimiglianza sono inoltre asintoticamente normalmente distribuiti.

Metodo della massima verosimiglianza

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.

Rete bayesiana

Nella terminologia statistica, la variabilità di un carattere X, rilevato su n unità statistiche, è l'attitudine di questo a manifestarsi in diversi modi, ossia con diverse modalità. Quando il carattere è "quantitativo", la variabilità può essere misurata usando indici basati sulla distanza delle modalità rispetto ad un indice di posizione (generalmente rispetto alla media aritmetica o alla mediana); gli indici di variabilità più utilizzati sono la varianza, lo scarto quadratico medio o deviazione standard, il coefficiente di variazione. Se invece il carattere è "qualitativo", la variabilità può essere misurata con indici di eterogeneità. Le proprietà della variabilità sono: Esempio 1: rileviamo il carattere reddito su 5 unità statistiche; supponiamo che il risultato della rilevazione sia 1.000 euro su ognuna delle 5 unità: in tal caso la variabilità del carattere sarà nulla perché il carattere reddito si è manifestato sempre nello stesso modo (ossia con un'unica modalità: 1.000). Esempio 2: supponiamo che, nel contesto dell'esempio precedente, il risultato della rilevazione sia 1.000 sulla prima unità, 1.100 sulla seconda, 1.500 sulla terza, 5.000 sulla quarta e 8.500 sulla quinta; in tal caso, la variabilità del carattere risulta maggiore di zero, perché il carattere si è manifestato sulle cinque unità statistiche con diverse modalità. Esempio 3: supponiamo ora che il risultato della rilevazione sia 800 sulla prima unità, 12.000 sulla seconda, 6.500 sulla terza, 9.000 sulla quarta e 2.500 sulla quinta; in tal caso la variabilità aumenta perché le modalità rilevate, oltre ad essere tutte diverse, risultano essere più "distanti" tra loro. In generale, la variabilità di un carattere quantitativo è tanto maggiore quanto più numerose sono le modalità con cui esso si manifesta sulle unità statistiche e quanto più le modalità rilevate sono "distanti" tra loro.

Variabilità

tatistica, gli indici di posizione (anche detti indicatori di posizione, o indici di tendenza centrale o misure di tendenza centrale, in quanto in generale tendono a essere posizionati centralmente rispetto agli altri dati della distribuzione) sono indici che danno un'idea approssimata dell'ordine di grandezza (la posizione sulla scala dei numeri, appunto) dei valori esistenti. Sono indici di posizione: Un modo per rappresentare graficamente alcuni indici di posizione è il box-plot.

Indice di posizione

L'algoritmo K-means è un algoritmo di clustering partizionale che permette di suddividere un insieme di oggetti in K gruppi sulla base dei loro attributi. È una variante dell'algoritmo di aspettativa-massimizzazione (EM) il cui obiettivo è determinare i K gruppi di dati generati da distribuzioni gaussiane. Si assume che gli attributi degli oggetti possano essere rappresentati come vettori, e che quindi formino uno spazio vettoriale. L'obiettivo che l'algoritmo si prepone è di minimizzare la varianza totale intra-cluster. Ogni cluster viene identificato mediante un centroide o punto medio. L'algoritmo segue una procedura iterativa. Inizialmente crea K partizioni e assegna ad ogni partizione i punti d'ingresso o casualmente o usando alcune informazioni euristiche. Quindi calcola il centroide di ogni gruppo. Costruisce quindi una nuova partizione associando ogni punto d'ingresso al cluster il cui centroide è più vicino ad esso. Quindi vengono ricalcolati i centroidi per i nuovi cluster e così via, finché l'algoritmo non converge. Dati N oggetti con formula_1 attributi, modellizzati come vettori in uno spazio vettoriale formula_1-dimensionale, definiamo formula_3 come insieme degli oggetti. Ricordiamo che si definisce partizione degli oggetti il gruppo di insiemi formula_4 che soddisfano le seguenti proprietà: Ovviamente deve valere anche che formula_8; non avrebbe infatti senso né cercare un solo cluster né avere un numero di cluster pari al numero di oggetti. Una partizione viene rappresentata mediante una matrice formula_9, il cui generico elemento formula_10 indica l'appartenenza dell'oggetto formula_11 al cluster formula_1. Indichiamo quindi con formula_13 l'insieme dei formula_14 centroidi. A questo punto definiamo la funzione obiettivo come: e di questa calcoliamo il minimo seguendo la procedura iterativa vista sopra: Tipici criteri di convergenza sono i seguenti: L'algoritmo ha acquistato notorietà dato che converge molto velocemente. Infatti, si è osservato che generalmente il numero di iterazioni è minore del numero di punti. Comunque, l'algoritmo può essere molto lento nel caso peggiore: D. Arthur e S. Vassilvitskii hanno mostrato che esistono certi insiemi di punti per i quali l'algoritmo impiega un tempo superpolinomiale, formula_24, a convergere. Più recentemente, A. Vattani ha migliorato questo risultato mostrando che l'algoritmo può impiegare tempo esponenziale, formula_25, a convergere anche per certi insiemi di punti sul piano. D'altra parte, D. Arthur, B. Manthey e H. Roeglin hanno mostrato che la smoothed complexity dell'algoritmo è polinomiale, la qual cosa è a supporto del fatto che l'algoritmo è veloce in pratica. In termini di qualità delle soluzioni, l'algoritmo non garantisce il raggiungimento dell'ottimo globale. La qualità della soluzione finale dipende largamente dal set di cluster iniziale e può, in pratica, ottenere una soluzione ben peggiore dell'ottimo globale. Dato che l'algoritmo è di solito estremamente veloce, è possibile applicarlo più volte e fra le soluzioni prodotte scegliere quella più soddisfacente. Un altro svantaggio dell'algoritmo è che esso richiede di scegliere il numero di cluster(k) da trovare. Se i dati non sono naturalmente partizionati si ottengono risultati strani. Inoltre l'algoritmo funziona bene solo quando sono individuabili cluster sferici nei dati. È possibile applicare l'algoritmo K-means in Matlab utilizzando la funzione kmeans(DATA, N_CLUSTER), che individua N_CLUSTER numeri di cluster nel data set DATA. Il seguente m-file mostra una possibile applicazione dell'algoritmo per la clusterizzazione di immagini basata sui colori. "img_segm.m" La funzione legge l'immagine utilizzando la funzione Matlab imread, che riceve in ingresso il nome del file contenente l'immagine e restituisce una matrice il cui elemento formula_26 contiene il codice di colore del pixel i,j. Successivamente costruisce la matrice delle osservazioni con due semplici cicli for. Viene infine passata in ingresso all'algoritmo di clustering la matrice delle osservazioni e, dopo aver generato le matrici utili per visualizzare i cluster prodotti in un'immagine, queste vengono mostrate a video con la funzione image. Ad esempio, eseguendo il comando: img_segm('kmeans0.jpg',2); si ottiene il seguente risultato:

K-means

In statistica, il clustering o analisi dei gruppi (dal termine inglese "cluster analysis" introdotto da Robert Tryon nel 1939) è un insieme di tecniche di analisi multivariata dei dati volte alla selezione e raggruppamento di elementi omogenei in un insieme di dati. Le tecniche di "clustering" si basano su misure relative alla somiglianza tra gli elementi. In molti approcci questa similarità, o meglio, dissimilarità, è concepita in termini di distanza in uno spazio multidimensionale. La bontà delle analisi ottenute dagli algoritmi di "clustering" dipende molto dalla scelta della metrica, e quindi da come è calcolata la distanza. Gli algoritmi di "clustering" raggruppano gli elementi sulla base della loro distanza reciproca, e quindi l'appartenenza o meno ad un insieme dipende da quanto l'elemento preso in esame è distante dall'insieme stesso. Le tecniche di "clustering" si possono basare principalmente su due "filosofie": Esistono varie classificazioni delle tecniche di clustering comunemente utilizzate. Una prima categorizzazione dipende dalla possibilità che un elemento possa o meno essere assegnato a più cluster: Un'altra suddivisione delle tecniche di clustering tiene conto del tipo di algoritmo utilizzato per dividere lo spazio: Queste due suddivisioni sono del tutto trasversali, e molti algoritmi nati come "esclusivi" sono stati in seguito adattati nel caso "non-esclusivo" e viceversa. Gli algoritmi di clustering di questa famiglia creano una partizione delle osservazioni minimizzando una certa funzione di costo: dove formula_2 è il numero dei cluster, formula_3 è il formula_4-esimo cluster e formula_5 è la funzione di costo associata al singolo cluster. L'algoritmo più famoso appartenente a questa famiglia è il k-means, proposto da MacQueen nel 1967. Un altro algoritmo abbastanza conosciuto appartenente a questa classe è il Partitioning Around Medioid (PAM). Le tecniche di clustering gerarchico non producono un partizionamento "flat" dei punti, ma una rappresentazione gerarchica ad albero. Questi algoritmi sono a loro volta suddivisi in due classi: Una rappresentazione grafica del processo di clustering è fornita dal dendrogramma. In entrambi i tipi di clustering gerarchico sono necessarie funzioni per selezionare la coppia di cluster da fondere ("agglomerativo"), oppure il cluster da dividere ("divisivo"). Nel primo caso, sono necessarie funzioni che misurino la "similarità" (o, indistintamente, la "distanza") tra due cluster, in modo da fondere quelli più simili. Le funzioni utilizzate nel caso agglomerativo sono: Nei 4 casi precedenti, formula_10 indica una qualsiasi funzione distanza su uno spazio metrico. Invece nel clustering divisivo è necessario individuare il cluster da suddividere in due sottogruppi. Per questa ragione sono necessarie funzioni che misurino la compattezza del cluster, la densità o la sparsità dei punti assegnati ad un cluster. Le funzioni normalmente utilizzate nel caso divisivo sono: Nel "Clustering density-based", il raggruppamento avviene analizzando l'intorno di ogni punto dello spazio. In particolare, viene considerata la densità di punti in un intorno di raggio fissato. Un esempio è il metodo di clustering Dbscan. Algoritmi di clustering molto usati sono: Il QT ("Quality Threshold") Clustering (Heyer et al., 1999) è un metodo alternativo di partizionare i dati, inventato per il clustering dei geni. Richiede più potenza di calcolo rispetto al "K"-Means, ma non richiede di specificare il numero di cluster "a priori", e restituisce sempre lo stesso risultato quando si ripete diverse volte. L'algoritmo è: La distanza tra un punto ed un gruppo di punti è calcolata usando il concatenamento completo, cioè come la massima distanza dal punto di ciascun membro del gruppo (vedi il "Clustering gerarchico agglomerativo" sulla distanza tra i cluster nella sezione clustering gerarchico).

Clustering

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.

Rete bayesiana

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.

Teorema di Bayes

Nell'ambito della scienza dei dati l'analisi dei dati è un processo di ispezione, pulizia, trasformazione e modellazione di dati con il fine di evidenziare informazioni che suggeriscano conclusioni e supportino le decisioni strategiche aziendali. L'analisi di dati ha molti approcci e sfaccettature, il che comprende tecniche diversissime tra loro che si riconoscono con una serie di definizioni varie nel commercio, le scienze naturali e sociali. Il data mining è una tecnica particolare di analisi dei dati che si focalizza nella modellazione e scoperta di conoscenza per scopi predittivi piuttosto che descrittivi. Il business intelligence identifica l'analisi di dati che si basa fondamentalmente sull'aggregazione, focalizzandosi sulle informazioni aziendali. Nell'ambito dei big data si parla di big data analytics. Nelle applicazioni statistiche, gli studiosi dividono l'analisi dei dati in statistica descrittiva, analisi dei dati esplorativa (ADE) e analisi dei dati di conferma (ADC). L'ADE si concentra sullo scoprire nuove caratteristiche presenti nei dati, mentre l'ADC nel confermare o falsificare le ipotesi esistenti. L'analisi predittiva si concentra sull'applicazione di modelli statistici o strutturali per classificazione o il forecasting predittivo, mentre l'analisi testuale applica tecniche statistiche, linguistiche e strutturali per estrarre e classificare informazioni da fonti testuali, una categoria di dati non-strutturati. L'integrazione di dati è un precursore dell'analisi dei dati, la quale è collegata alla visualizzazione di dati.

Analisi dei dati

Nel data mining, le regole di associazione sono uno dei metodi per estrarre relazioni nascoste tra i dati. Agrawal et al. introdussero le regole di associazione per la scoperta di regolarità all'interno delle transazioni registrate nelle vendite dei supermercati. Per esempio, la regola formula_1 individuata nell'analisi degli scontrini di un supermercato indica che il se il cliente compra insieme cipolle e patate è probabile che acquisti anche della carne per hamburger. Tale informazione può essere utilizzata come base per le decisioni riguardanti le attività di marketing, come ad esempio le offerte promozionali o il posizionamento dei prodotti negli scaffali. Le regole di associazione sono anche usate in molte altre aree, quali il Web mining, la scoperta di anomalie e la bioinformatica. Il concetto di regola di associazione divenne popolare a causa di un articolo del 1993 di Agrawal et al.. Secondo Google Scholar esso possiede più di 9500 citazioni (Settembre 2010) ed è uno degli articoli più citati nel campo del data mining. Tuttavia è possibile che quella che viene chiamata come "regola di associazione" sia simile a un approccio di data mining presentato nel 1966 e sviluppato da Hájek et al.. Seguendo la definizione originale di Agrawal et al. il problema della scoperta di regole di associazione è rappresentato come segue. Consideriamo l'insieme di formula_2 attributi binari ("oggetti" o "item") formula_3 e l'insieme di transazioni ("database")formula_4. Ciascuna transazione appartenente a formula_5 possiede un codice identificativo (ID) e contiene un sottoinsieme degli oggetti contenuti in formula_6. Una "regola" è definita come un'implicazione nella forma formula_7 dove formula_8 e formula_9. L'insieme di oggetti (o "itemsets") formula_10 e formula_11 vengono chiamati rispettivamente "antecendente" e "conseguente" della regola. Per illustrare questo concetto, è possibile usare un esempio giocattolo riguardante un supermercato. L'insieme di oggetti è formula_12 e il database contenente gli oggetti è rappresentato nella tabella a destra, dove 1 indica la presenza di un oggetto in una transazione e 0 l'assenza. Un esempio di regola di associazione potrebbe essere: formula_13. Essa indica che se il cliente acquista pane e burro, comprerà anche il latte. Attenzione: questo esempio è estremamente piccolo. In un'applicazione reale una regola necessita di un supporto di diverse centinaia di transazioni perché sia considerata statisticamente significativa e il database deve contenere migliaia (o milioni) di transazioni.

Regole di associazione

In statistica per popolazione (o collettivo statistico o aggregato) si intende l'insieme degli elementi che sono oggetto di studio, ovvero l'insieme delle unità (dette "unità statistiche") sulle quali viene effettuata la rilevazione delle modalità con le quali il fenomeno studiato si presenta. Tali unità presentano tutte almeno una caratteristica comune, che viene accuratamente definita al fine di delimitare il loro insieme; ad esempio con "italiani" si può intendere sia le persone di nazionalità italiana, anche se residenti all'estero, sia le persone residenti in Italia, indipendentemente da quale sia la loro nazionalità. Una popolazione statistica va definita anche rispetto al tempo; ad esempio si possono considerare gli italiani che risultano residenti in Italia alle ore 12 di un dato giorno (popolazione definita secondo una caratteristica riferita ad un "istante" di tempo), oppure quelli nati dal 1º gennaio al 31 dicembre di un dato anno (popolazione definita secondo una caratteristica riferita ad un "periodo" di tempo). Una popolazione statistica, peraltro, non è sempre un insieme biologico; costituisce una popolazione anche l'insieme delle lampadine prodotte da un'azienda in un dato periodo di tempo, l'insieme delle nazioni del continente europeo in un dato anno o l'insieme degli anni di un dato secolo. I collettivi statistici, o popolazioni, possono essere distinti in: oppure in: o ancora tra:

Popolazione statistica

Nell'analisi statistica della classificazione binaria, lF score (nota anche come F-score o F-measure, letteralmente "misura F") è una misura dell'accuratezza di un test. La misura tiene in considerazione precisione e recupero del test, dove la precisione è il numero di veri positivi diviso il numero di tutti i risultati positivi, mentre il recupero è il numero di veri positivi diviso il numero di tutti i test che sarebbero dovuti risultare positivi (ovvero veri positivi più falsi negativi). L'F viene calcolato tramite la media armonica di precisione e recupero: Può assumere valori compresi fra 0 e 1. Assume valore 0 solo se almeno uno dei due vale 0, mentre assume valore 1 sia precisione che recupero valgono 1. L'F score è anche noto come coefficiente di Sørensen-Dice (DSC), o semplicemente coefficiente di Dice. La formula generale è: per valori di β reali positivi. La formula in termini di errori di primo e secondo tipo: Due particolari istanze della formula solitamente utilizzate sono la misura formula_4 (che pone maggiore enfasi sui falsi negativi) ed formula_5 (la quale attenua l'influenza dei falsi negativi). In generale, formula_6 "misura l'efficacia del recupero rispetto ad un utente attribuisce al recupero un'importanza di β volte quella della precisione". L'F-score è solitamente usata nel campo del recupero dell'informazione per misurare l'accuratezza delle ricerche o della classificazione dei documenti. Inizialmente l'F score era l'unica misura ad essere considerata, ma con la proliferazione in larga scala di motori di ricerca gli obiettivi di prestazione iniziarono a variare, divenendo necessario porre maggiore enfasi su precisione o recupero. L'F-score è usata anche nel campo dell'apprendimento automatico ed è vastamente impiegata nella letteratura sull'elaborazione del linguaggio naturale. Da notare, comunque, che non viene mai preso in considerazione il numero di veri negativi. In tal senso, misure come il coefficiente di correlazione di Matthews o il Kappa di Cohen possono generare risultati più adeguati alle proprie esigenze. Mentre l'F-measure è una media armonica di recupero e precisione, la cosiddetta G-measure è una media geometrica: Dove "PPV" sta per "Positive Predictive Value" ("valore predittivo positivo") e "TPR" per "True Positive Rate" (o indice di sensibilità). È nota anche come indice di Fowlkes-Mallows.

F1 score

Nella teoria delle decisioni (per esempio nella gestione dei rischi), un albero di decisione è un grafo di decisioni e delle loro possibili conseguenze, (incluso i relativi costi, risorse e rischi) utilizzato per creare un 'piano di azioni' ("plan") mirato ad uno scopo ("goal"). Un albero di decisione è costruito al fine di supportare l'azione decisionale ("decision making"). Nel machine learning un albero di decisione è un modello predittivo, dove ogni nodo interno rappresenta una variabile, un arco verso un nodo figlio rappresenta un possibile valore per quella proprietà e una foglia il valore predetto per la variabile obiettivo a partire dai valori delle altre proprietà, che nell'albero è rappresentato dal cammino ("path") dal nodo radice ("root") al nodo foglia. Normalmente un albero di decisione viene costruito utilizzando tecniche di apprendimento a partire dall'insieme dei dati iniziali ("data set"), il quale può essere diviso in due sottoinsiemi: il "training set" sulla base del quale si crea la struttura dell'albero e il "test set" che viene utilizzato per testare l'accuratezza del modello predittivo così creato. Nel data mining un albero di decisione viene utilizzato per classificare le istanze di grandi quantità di dati (per questo viene anche chiamato albero di classificazione). In questo ambito un albero di decisione descrive una struttura ad albero dove i nodi foglia rappresentano le classificazioni e le ramificazioni l'insieme delle proprietà che portano a quelle classificazioni. Di conseguenza ogni nodo interno risulta essere una macro-classe costituita dall'unione delle classi associate ai suoi nodi figli. Il predicato che si associa ad ogni nodo interno (sulla base del quale avviene la ripartizione dei dati) è chiamato "condizione di split". In molte situazioni è utile definire un criterio di arresto ("halting"), o anche "criterio di potatura" ("pruning") al fine di determinarne la profondità massima. Questo perché il crescere della profondità di un albero (ovvero della sua dimensione) non influisce direttamente sulla bontà del modello. Infatti, una crescita eccessiva della dimensione dell'albero potrebbe portare solo ad aumento sproporzionato della complessità computazionale rispetto ai benefici riguardanti l'accuratezza delle previsioni/classificazioni. Una sua evoluzione è la tecnica foresta casuale ("random forest"). I parametri più largamente usati per le condizioni di split sono: formula_1 L'indice di Gini raggiunge il suo minimo (zero) quando il nodo appartiene ad una singola categoria. formula_2 In entrambe le formule "f" rappresenta la frequenza del valore "j" nel nodo "i". L'indice di Gini e la variazione di entropia sono i parametri che vengono usualmente utilizzati per guidare la costruzione dell'albero, mentre la valutazione del tasso di errore nella classificazione viene utilizzato per effettuare una ottimizzazione dell'albero nota come processo di "pruning" ("potatura" dei nodi superflui). Poiché, in generale, in un buon albero di decisione i nodi foglia dovrebbero essere il più possibile "puri" (ovvero contenere solo istanze di dati che appartengono ad una sola classe), un'ottimizzazione dell'albero consiste nel cercare di minimizzare il livello di entropia man mano che si scende dalla radice verso le foglie. In tal senso, la valutazione dell'entropia determina quali sono, fra le varie scelte a disposizione, le condizioni di split ottimali per l'albero di classificazione.

Albero di decisione

Una foresta casuale (in inglese: "random forest") è un classificatore d'insieme ottenuto dall'aggregazione tramite bagging di alberi di decisione L'algoritmo per la creazione di una una foresta casuale fu sviluppato orignariamente da Leo Breiman e Adele Cutler. Il nome viene dalle foreste di decisione casuali che furono proposte per primo da Tin Kam Ho dei Bell Labs nel 1995. Il metodo combina l'idea dell'insaccamento di Breiman della selezione casuale delle caratteristiche, introdotta indipendentemente da Ho e Amit Geman per costruire una collezione di alberi di decisione con la variazione controllata. La selezione di un sottoinsieme di caratteristiche è un esempio del metodo del sottoinsieme casuale che, nella formulazione di Ho, è un modo di implementare la discriminazione stocastica proposta da Eugene Kleinberg.

Foresta casuale

Un sistema esperto è un programma che cerca di riprodurre le prestazioni di una o più persone esperte in un determinato campo di attività, ed è un'applicazione o una branca dell'intelligenza artificiale. I programmi utilizzati dai sistemi esperti sono in grado di porre in atto procedure di inferenza adeguate alla risoluzione di problemi particolarmente complessi, a cui potrebbe, se posto in una dimensione umana, porre rimedio solo un esperto del settore disciplinare in cui rientra la questione da risolvere. Ciò implica che tale sistema possa avvalersi in modo risoluto e autorevole delle istanze inferenziali che soggiacciono al corretto funzionamento del programma, cosicché sia capace di superare le incertezze e le difficoltà su cui volge la propria attività. I sistemi esperti si differenziano dunque da altri programmi simili, in quanto, facendo riferimento a tecnologie elaborate in funzione dell'intelligenza artificiale, sono sempre in grado di esibire i passaggi logici che soggiacciono alle loro decisioni: proposito che, ad esempio, non è attuabile da parte della mente umana. Il sistema esperto si compone principalmente di tre sezioni: Queste informazioni sono piuttosto generiche, ed estremamente flessibili per ciò che concerne la designazione di un programma con una tale definizione. Non esistono infatti sistemi capaci per davvero di soddisfare nella sua interezza il tipo di conoscenza che dovrebbe caratterizzare un sistema di tale fatta. Difatti, nella maggior parte dei programmi, le componenti che presiedono alle procedure di inferenza, non riescono ad attenere il rigore connaturato ad un algoritmo, in quanto nelle situazioni altamente complicate sarebbe troppo dispendioso analizzare ogni possibilità; si ricorre così allo stratagemma dell'euristica, che, tramite ragionamenti approssimativi ("fuzzy logic"), sacrifica la sicurezza dell'algoritmo per giungere a risultati altamente probabili, ma comunque fallibili. I sistemi esperti si dividono in due categorie principali. I sistemi esperti basati su regole sono dei programmi composti da regole nella forma codice_1 (se condizione, allora azione). Dati una serie di fatti, i sistemi esperti, grazie alle regole di cui sono composti, riescono a dedurre nuovi fatti. Per esempio, supponiamo di avere un problema di salute, forniamo al sistema esperto i seguenti fatti: il sistema esperto assume i fatti e sceglie una regola così formata: Esempi di sistemi a regole sono Jess e CLIPS. Un sistema esperto basato su alberi, dato un insieme di dati ed alcune deduzioni, creerebbe un albero che classificherebbe i vari dati. Nuovi dati verrebbero analizzati dall'albero e il nodo di arrivo rappresenterebbe la deduzione. È da notare che un sistema esperto non è "intelligente" nel senso comune della parola, ossia in modo creativo. Le deduzioni di un sistema esperto non possono uscire dall'insieme di nozioni immesse inizialmente e dalle loro conseguenze. Ciò che li rende utili è che, come i calcolatori elettronici, possono maneggiare una gran quantità di dati molto velocemente e tenere quindi conto di una miriade di regole e dettagli che un esperto umano può ignorare, tralasciare o dimenticare.

Sistema esperto

L’apprendimento automatico (noto anche come machine learning) è una branca dell'intelligenza artificiale che raccoglie un insieme di metodi, sviluppati a partire dagli ultimi decenni del XX secolo in varie comunità scientifiche, sotto diversi nomi quali: statistica computazionale, riconoscimento di pattern, reti neurali artificiali, filtraggio adattivo, teoria dei sistemi dinamici, elaborazione delle immagini, data mining, algoritmi adattivi, ecc; che utilizza metodi statistici per migliorare progressivamente la performance di un algoritmo nell'identificare pattern nei dati. Nell'ambito dell'informatica, l'apprendimento automatico è una variante alla programmazione tradizionale nella quale si predispone in una macchina l'abilità di apprendere qualcosa dai dati in maniera autonoma, senza ricevere istruzioni esplicite a riguardo. Lo stesso Arthur Samuel che coniò il termine nel 1959 in linea di principio identifica due approcci distinti. Il primo metodo, indicato come rete neurale, porta allo sviluppo di macchine ad apprendimento automatico per impiego generale in cui il comportamento è appreso da una rete di commutazione connessa casualmente, a seguito di una routine di apprendimento basata su ricompensa e punizione (apprendimento per rinforzo). Il secondo metodo, più specifico, consiste nel riprodurre l'equivalente di una rete altamente organizzata progettata per imparare solo alcune attività specifiche. La seconda procedura, che necessita di supervisione, richiede la riprogrammazione per ogni nuova applicazione, ma risulta essere molto più efficiente dal punto di vista computazionale. L'apprendimento automatico è strettamente legato al riconoscimento di pattern e alla teoria computazionale dell'apprendimento ed esplora lo studio e la costruzione di algoritmi che possano apprendere da un insieme di dati e fare delle predizioni su questi, costruendo in modo induttivo un modello basato su dei campioni. L'apprendimento automatico viene impiegato in quei campi dell'informatica nei quali progettare e programmare algoritmi espliciti è impraticabile; tra le possibili applicazioni citiamo il filtraggio delle email per evitare spam, l'individuazione di intrusioni in una rete o di intrusi che cercano di violare dati, il riconoscimento ottico dei caratteri, i motori di ricerca e la visione artificiale. L'apprendimento automatico è strettamente collegato, e spesso si sovrappone con la statistica computazionale, che si occupa dell'elaborazione di predizioni tramite l'uso di computer. L'apprendimento automatico è anche fortemente legato all'ottimizzazione matematica, che fornisce metodi, teorie e domini di applicazione a questo campo. Per usi commerciali, l'apprendimento automatico è conosciuto come analisi predittiva. L'apprendimento automatico si sviluppa con lo studio dell'intelligenza artificiale, e vi è strettamente collegato: infatti già dai primi tentativi di definire l'intelligenza artificiale come disciplina accademica, alcuni ricercatori si erano mostrati interessati alla possibilità che le macchine imparassero dai dati. Questi ricercatori, in particolare Marvin Minsky, Arthur Samuel e Frank Rosenblatt, provarono ad avvicinarsi al problema sia attraverso vari metodi formali, sia con quelle che vengono definite reti neurali nei tardi anni '50. Le reti neurali erano allora costituite da singoli percettroni e da modelli matematici derivati dal modello lineare generalizzato della statistica, come l'ADALINE di Widrow. Si provò a sfruttare anche ragionamenti probabilistici, in particolare nelle diagnosi mediche automatiche. Sempre negli anni '50, Alan Turing propose l'idea di una "macchina che apprende", ovvero in grado di imparare e dunque diventare intelligente. La proposta specifica di Turing anticipa gli algoritmi genetici. Tuttavia già dalla metà degli anni '50 lo studio dell'intelligenza artificiale si stava concentrando su approcci logici di tipo "knowledge-based", nota oggi sotto il nome di GOFAI, causando un distacco tra lo studio dell'IA e quello dell'apprendimento automatico. Sistemi di tipo probabilistico erano invasi di problemi sia teoretici sia pratici in termini di acquisizione e rappresentazione dei dati. Negli anni Ottanta, i sistemi esperti dominavano il campo dell'IA, e i sistemi basati sulla statistica non venivano più studiati. Lo studio dell'apprendimento simbolico e "knowledge-based" continuò nell'ambito dell'IA, portando a sviluppare la programmazione logica induttiva, ma ora la ricerca più prettamente statistica si svolgeva al di fuori del campo vero e proprio dell'intelligenza artificiale, nel riconoscimento di pattern e nell'information retrieval. Un altro motivo per cui lo studio dell'apprendimento automatico fu abbandonato fu la pubblicazione del libro "Perceptrons: an introduction to computational geometry" di Marvin Minsky e Seymour Papert, che vi descrivevano alcune delle limitazioni dei percettroni e delle reti neurali. La ricerca sulle reti neurali subì un significativo rallentamento a causa dell'interpretazione del libro, che le descriveva come intrinsecamente limitate. Anche la linea di ricerca sulle reti neurali continuò al di fuori del campo dell'IA, portata avanti da ricercatori provenienti da altre discipline quali Hopfield, Rumelhart, Hinton e Fukushima. Il loro successo principale fu a metà degli anni '80 con la riscoperta della "backpropagation" e della self-organization. L'apprendimento automatico, sviluppatosi come campo di studi separato dall'IA classica, cominciò a rifiorire negli anni '90. Il suo obiettivo cambiò dall'ottenere l'intelligenza artificiale ad affrontare problemi risolvibili di natura pratica. Distolse inoltre la propria attenzione dagli approcci simbolici che aveva ereditato dall'IA, e si diresse verso metodi e modelli presi in prestito dalla statistica e dalla teoria della probabilità. L'apprendimento automatico ha inoltre beneficiato dalla nascita di Internet, che ha reso l'informazione digitale più facilmente reperibile e distribuibile. Tom M. Mitchell ha fornito la definizione più citata di apprendimento automatico nel suo libro ""Machine Learning"": ""Si dice che un programma apprende dall'esperienza E con riferimento a alcune classi di compiti T e con misurazione della performance P, se le sue performance nel compito T, come misurato da P, migliorano con l'esperienza E."" In poche parole, si potrebbe semplificare dicendo che un programma apprende se c'è un miglioramento delle prestazioni dopo un compito svolto. Questa definizione di Mitchell è rilevante poiché fornisce una definizione operativa dell'apprendimento automatico, invece che in termini cognitivi. Fornendo questa definizione, Mitchell di fatto segue la proposta che Alan Turing fece nel suo articolo ""Computing Machinery and Intelligence"", sostituendo la domanda ""Le macchine possono pensare?"" con la domanda ""Le macchine possono fare quello che noi (in quanto entità pensanti) possiamo fare?"". L'obiettivo principe dell'apprendimento automatico è che una macchina sia in grado di generalizzare dalla propria esperienza, ossia che sia in grado di svolgere ragionamenti induttivi. In questo contesto, per generalizzazione si intende l'abilità di una macchina di portare a termine in maniera accurata esempi o compiti nuovi, che non ha mai affrontato, dopo aver fatto esperienza su un insieme di dati di apprendimento. Gli esempi di addestramento (in inglese chiamati "training examples") si assume provengano da una qualche distribuzione di probabilità, generalmente sconosciuta e considerata rappresentativa dello spazio delle occorrenze del fenomeno da apprendere; la macchina ha il compito di costruire un modello probabilistico generale dello spazio delle occorrenze, in maniera tale da essere in grado di produrre previsioni sufficientemente accurate quando sottoposta a nuovi casi. L'analisi computazionale degli algoritmi di apprendimento automatico e delle loro prestazioni è una branca dell'Informatica teorica chiamata teoria dell'apprendimento. Dato che gli esempi di addestramento sono insiemi finiti di dati e non c'è modo di sapere l'evoluzione futura di un modello, la teoria dell'apprendimento non offre alcuna garanzia sulle prestazioni degli algoritmi. D'altro canto, è piuttosto comune che tali prestazioni siano vincolate da limiti probabilistici. Il bias-variance tradeoff è uno dei modi di quantificare l'errore di generalizzazione. Affinché la generalizzazione offra le migliori prestazioni possibili, la complessità dell'ipotesi induttiva deve essere pari alla complessità della funzione sottostante i dati. Se l'ipotesi è meno complessa della funzione, allora il modello manifesta "underfitting". Quando la complessità del modello viene aumentata in risposta, allora l'errore di apprendimento diminuisce. Al contrario invece se l'ipotesi è troppo complessa, allora il modello manifesta overfitting e la generalizzazione sarà più scarsa. Oltre ai limiti di prestazioni, i teorici dell'apprendimento studiano la complessità temporale e la fattibilità dell'apprendimento stesso. Una computazione è considerata fattibile se può essere svolta in tempo polinomiale. I compiti dell'apprendimento automatico vengono tipicamente classificati in tre ampie categorie, a seconda della natura del "segnale" utilizzato per l'apprendimento o del "feedback" disponibile al sistema di apprendimento. Queste categorie, anche dette paradigmi, sono: A metà strada tra l'apprendimento supervisionato e quello non supervisionato c'è l'apprendimento semi-supervisionato, nel quale l'insegnante fornisce un dataset incompleto per l'allenamento, cioè un insieme di dati per l'allenamento tra i quali ci sono dati senza il rispettivo output desiderato. La trasduzione è un caso speciale di questo principio, nel quale l'intero insieme delle istanze del problema è noto durante l'apprendimento, eccetto la parte degli output desiderati che è mancante. Un'altra categorizzazione dei compiti dell'apprendimento automatico si rileva quando si considera l'output desiderato del sistema di apprendimento automatico. L'apprendimento automatico e la statistica sono discipline strettamente collegate. Secondo Michael I. Jordan, le idee dell'apprendimento automatico, dai principi metodologici agli strumenti teorici, sono stati sviluppati prima in statistica. Jordan ha anche suggerito il termine data science come nome con cui chiamare l'intero campo di studi. Leo Breiman ha distinto due paradigmi statistici di modellazione: modello basato sui dati e modello basato sugli algoritmi, dove "modello basato sugli algoritmi" indica approssimativamente algoritmi di apprendimento automatico come la foresta casuale. Alcuni statistici hanno adottato metodi provenienti dall'apprendimento automatico, il che ha portato alla creazione di una disciplina combinata chiamata "apprendimento statistico". L'apprendimento automatico viene a volte unito al data mining, che si focalizza maggiormente sull'analisi esplorativa dei dati ed utilizza principalmente il paradigma di apprendimento chiamato "apprendimento non supervisionato". Invece, l'apprendimento automatico può essere anche supervisionato. L'apprendimento automatico e il "data mining" infatti si sovrappongono in modo significativo, ma mentre l'apprendimento automatico si concentra sulla previsione basata su proprietà note apprese dai dati, il data mining si concentra sulla scoperta di proprietà prima "sconosciute" nei dati. Il data mining sfrutta i metodi dell'apprendimento automatico, ma con obiettivi differenti; d'altro canto, l'apprendimento automatico utilizza i metodi di data mining come metodi di apprendimento non supervisionato o come passi di preprocessing per aumentare l'accuratezza dell'apprendimento. Gran parte della confusione tra le due comunità di ricerca scaturisce dall'assunzione di base del loro operato: nell'apprendimento automatico, le prestazioni sono generalmente valutate in base all'abilità di riprodurre conoscenza già acquisita, mentre in data mining il compito chiave è la scoperta di conoscenza che prima non si aveva. L'apprendimento automatico ha legami molto stretti con l'ottimizzazione: molti problemi di apprendimento sono formulati come la minimizzazione di una qualche funzione di costo su un insieme di esempi di apprendimento. La funzione di costo (o funzione di perdita) rappresenta la discrepanza tra le previsioni del modello che si sta addestrando e le istanze del problema reale. Le differenze tra i due campi (l'apprendimento automatico e l'ottimizzazione) sorgono dall'obiettivo della generalizzazione: mentre gli algoritmi di ottimizzazione possono minimizzare la perdita su un insieme di apprendimento, l'apprendimento automatico si preoccupa di minimizzare la perdita su campioni mai visti dalla macchina. La risoluzione automatica di problemi avviene, nel campo dell'informatica, in due modi differenti: tramite paradigmi di "hard computing" o tramite paradigmi di "soft computing". Per "hard computing" si intende la risoluzione di un problema tramite l'esecuzione di un algoritmo ben definito e decidibile. La maggior parte dei paradigmi di "hard computing" sono metodi ormai consolidati, ma presentano alcuni lati negativi: infatti richiedono sempre un modello analitico preciso e definibile, e spesso un alto tempo di computazione. Le tecniche di "soft computing" d'altro canto antepongono il guadagno nella comprensione del comportamento di un sistema a scapito della precisione, spesso non necessaria. I paradigmi di "soft computing" si basano su due principi: L'apprendimento automatico si avvale delle tecniche di "soft computing". La programmazione logica induttiva (anche ILP, dall'inglese "inductive logic programming") è un approccio all'apprendimento di regole che usa la programmazione logica come rappresentazione uniforme per gli esempi di input, per la conoscenza di base della macchina, e per le ipotesi. Data una codifica della (nota) conoscenza di base e un insieme di esempi rappresentati come fatti in una base di dati logica, un sistema ILP deriva un programma logico ipotetico da cui conseguono tutti gli esempi positivi, e nessuno di quelli negativi. La programmazione induttiva è un campo simile che considera ogni tipo di linguaggio di programmazione per rappresentare le ipotesi invece che soltanto la programmazione logica, come ad esempio programmi funzionali. L'albero di decisione è un metodo di apprendimento per approssimazione di una funzione obiettivo discreta in cui l'elemento che apprende è rappresentato da un albero di decisione. Gli alberi di decisione possono essere rappresentati da un insieme di regole if-else per migliorare la leggibilità umana. L'apprendimento automatico basato su regole di associazione è un metodo di apprendimento che identifica, apprende ed evolve delle "regole" con l'intento di immagazzinare, manipolare e applicare conoscenza. La caratteristica principale di questo tipo di apprendimento è l'identificazione ed utilizzo di un insieme di regole relazionali che rappresenta nel suo insieme la conoscenza catturata dal sistema. Ciò si pone in controtendenza con altri tipi di apprendimento automatico che normalmente identificano un singolo modello che può essere applicato universalmente ad ogni istanza per riuscire a fare su di essa una previsione. Gli approcci dell'apprendimento basato su regole di associazione includono il sistema immunitario artificiale. Una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la sua struttura basata su informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Inoltre esse sono robuste agli errori presenti nel training data. Gli algoritmi genetici forniscono un approccio all'apprendimento che è liberamente ispirato all'evoluzione simulata. La ricerca di una soluzione del problema inizia con una popolazione di soluzioni iniziale. I membri della popolazione attuale danno luogo a una popolazione di nuova generazione per mezzo di operazioni quali la mutazione casuale e crossover, che sono modellati sui processi di evoluzione biologica. Ad ogni passo, le soluzioni della popolazione attuale sono valutate rispetto a una determinata misura di fitness, con le ipotesi più adatte selezionate probabilisticamente come semi per la produzione della prossima generazione. Gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo a una varietà di compiti di apprendimento e di altri problemi di ottimizzazione. Ad esempio, essi sono stati usati per imparare raccolte di norme per il controllo del robot e per ottimizzare la topologia dei parametri di apprendimento per reti neurali artificiali. Il ragionamento bayesiano fornisce un approccio probabilistico di inferenza. Esso si basa sul presupposto che le quantità di interesse sono disciplinate da distribuzioni di probabilità e che le decisioni ottimali possono essere prese a seguito dell'analisi di queste probabilità insieme ai dati osservati. Nell'ambito dell'apprendimento automatico, la teoria Bayesiana è importante perché fornisce un approccio quantitativo per valutare le prove a sostegno dell'ipotesi alternativa. Il Ragionamento bayesiano fornisce la base per l'apprendimento negli algoritmi che manipolano direttamente le probabilità. Macchine a vettori di supporto ("Support Vector Machine", SVM) sono un insieme di metodi di apprendimento supervisionato usati per la classificazione e la regressione di pattern. Dato un insieme di esempi di addestramento, ciascuno contrassegnato come appartenente a due possibili categorie, un algoritmo di addestramento SVM costruisce un modello in grado di prevedere a quale categoria deve appartenere un nuovo esempio di input. La discesa dei prezzi per l'hardware e lo sviluppo di GPU per uso personale negli ultimi anni hanno contribuito allo sviluppo del concetto di apprendimento profondo, che consiste nello sviluppare livelli nascosti multipli nelle reti neurali artificiali. Questo approccio tenta di modellizzare il modo in cui il cervello umano processa luce e suoni e li interpreta in vista e udito. Alcune delle applicazioni più affermate dell'apprendimento profondo sono la visione artificiale e il riconoscimento vocale. La cluster analisi, o clustering, è in grado di rilevare similarità strutturali tra le osservazioni di un dataset attraverso l'assegnazione di un insieme di osservazioni in sottogruppi ("cluster") di elementi tra loro omogenei. Il clustering è un metodo di apprendimento non supervisionato, e una tecnica comune per l'analisi statistica dei dati. Tutti i sistemi di riconoscimento vocale di maggior successo utilizzano metodi di apprendimento automatico. Ad esempio, il SPHINXsystem impara le strategie di altoparlanti specifici per riconoscere i suoni primitivi (fonemi) e le parole del segnale vocale osservato. Metodi di apprendimento basati su reti neurali e su modelli di Markov nascosti sono efficaci per la personalizzazione automatica di vocabolari, caratteristiche del microfono, rumore di fondo, ecc. Metodi di apprendimento automatico sono stati usati per addestrare i veicoli controllati da computer. Ad esempio, il sistema ALVINN ha usato le sue strategie per imparare a guidare senza assistenza a 70 miglia all'ora per 90 miglia su strade pubbliche, tra le altre auto. Con tecniche simili sono possibili applicazioni in molti problemi di controllo basato su sensori. Metodi di apprendimento automatico sono stati applicati ad una varietà di database di grandi dimensioni per imparare regolarità generali implicito nei dati. Ad esempio, algoritmi di apprendimento basati su alberi di decisione sono stati usati dalla NASA per classificare oggetti celesti a partire dal secondo Palomar Observatory Sky Survey. Questo sistema è oggi utilizzato per classificare automaticamente tutti gli oggetti nel Sky Survey, che si compone di tre terabyte di dati immagine. I programmi per computer di maggior successo per il gioco del backgammon sono basati su algoritmi di apprendimento. Ad esempio, il miglior programma di computer al mondo per backgammon, TD-Gammon, ha sviluppato la sua strategia giocando oltre un milione di partite di prova contro se stesso. Tecniche simili hanno applicazioni in molti problemi pratici in cui gli spazi di ricerca molto rilevanti devono essere esaminati in modo efficiente. L'apprendimento automatico solleva un numero di problematiche etiche. I sistemi addestrati con insiemi di dati faziosi o pregiudizievoli possono esibire questi pregiudizi quando vengono interpellati: in questo modo possono essere digitalizzati pregiudizi culturali quali il razzismo istituzionale e il classismo. Di conseguenza la raccolta responsabile dei dati può diventare un aspetto critico dell'apprendimento automatico. In ragione dell'innata ambiguità dei linguaggi naturali, le macchine addestrate su corpi linguistici necessariamente apprenderanno questa ambiguità.

Apprendimento automatico

In teoria della probabilità la probabilità condizionata di un evento "A" rispetto a un evento "B" è la probabilità che si verifichi "A", sapendo che "B" è verificato. Questa probabilità, indicata formula_1 o formula_2, esprime una "correzione" delle aspettative per "A", dettata dall'osservazione di "B". Poiché, come si vedrà nella successiva definizione, formula_3 compare al denominatore, formula_1 ha senso solo se "B" ha una probabilità non nulla di verificarsi. È utile osservare che la notazione con il simbolo "Barra verticale" è comune con la definizione del connettivo logico NAND. Per esempio, la probabilità di ottenere "4" con il lancio di un dado a sei facce (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa Si consideri questo secondo esempio, la probabilità di ottenere "1" con il lancio di un comune dado (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa La probabilità di "A" condizionata da "B" è dove formula_8 è la probabilità congiunta dei due eventi, ovvero la probabilità che si verifichino entrambi. In termini più rigorosi, dato uno spazio misurabile formula_9 di misura "P", ogni evento "B" eredita una struttura di spazio misurato formula_10, restringendo gli insiemi misurabili a quelli contenuti in "B", ed induce una nuova misura formula_11 su formula_9, con formula_13. Se formula_14 è uno spazio probabilizzato (formula_15) e "B" non è trascurabile (formula_16), allora riscalando formula_17 a formula_18 si ottiene lo spazio probabilizzato formula_19 delle probabilità condizionate da "B". La formula della probabilità condizionata permette di descrivere la probabilità congiunta come Ovvero, la probabilità che si verifichino sia "A" sia "B" è pari alla probabilità che si verifichi "B" moltiplicata per la probabilità che si verifichi "A" supponendo che "B" sia verificato. Due eventi "A" e "B" sono indipendenti quando vale una delle tre equazioni equivalenti Per trovare la probabilità dell'evento a destra negato si può usare la seguente formula: formula_24. Se "A" e "B" sono eventi disgiunti, cioè se formula_25, le loro probabilità condizionate sono nulle: sapendo che uno dei due eventi si è verificato, è impossibile che si sia verificato "anche" l'altro. Se l'evento "A" implica l'evento "B", cioè se formula_26, allora la loro intersezione è "A", per cui formula_27 e: Nel caso di una misura di probabilità uniforme su uno spazio Ω finito, questa formula per "P(A|B)" esprime la definizione classica di probabilità come "casi favorevoli ("A") su casi possibili ("B")". Invece, per "P(B|A)" otteniamo il valore 1 che, per un numero finito di valori lo stesso Bayes interpretò in senso lato come la certezza che il tutto sia condizionato dalla parte. La speranza condizionata formula_30 di una variabile aleatoria "X" ad un evento "B" è la speranza di "X" calcolata sulle probabilità formula_31 (condizionate da "B"). La probabilità di un evento "A" può essere condizionata da una variabile aleatoria discreta "X", originando una nuova variabile aleatoria, formula_32, che per "X=x" assume il valore formula_33. Il teorema di Bayes esprime l'uguaglianza simmetrica formula_34 del teorema della probabilità composta come Questo teorema è alla base dell'inferenza bayesiana in statistica, dove "P" è detta "probabilità "a priori" di "B"" e "P" "probabilità "a posteriori" di "B"". Molti paradossi sono legati alla probabilità condizionata e derivano sia da un'errata formulazione del problema sia dalla confusione di "P(A|B)" con "P(A)" o con "P(B|A)". Esempi particolari sono il paradosso delle due buste, il paradosso dei due bambini, il problema di Monty Hall e il paradosso di Simpson.

Probabilità condizionata

In statistica bayesiana, la probabilità a posteriori di un evento aleatorio o di una proposizione incerta, è la probabilità condizionata che è assegnata dopo che si è tenuto conto dell'informazione rilevante o degli antefatti relativi a tale evento aleatorio o a tale proposizione incerta. Similmente, la distribuzione di probabilità a posteriori è la distribuzione di una quantità incognita, trattata come una variabile casuale, condizionata sull'informazione posta in evidenza da un esperimento o da un processo di raccolta di informazione rilevanti (es. un'ispezione, un'indagine conoscitiva, ecc.). La probabilità a posteriori è la probabilità dei parametri formula_1 data la conoscenza di formula_2: formula_3. Essa differisce dalla funzione di verosimiglianza, che è la probabilità di possedere una data conoscenza una volta dati i parametri: formula_4. I due concetti sono però tra loro collegati: Supponiamo di avere una credenza a priori che la funzione di distribuzione di probabilità sia formula_5 e i dati osservati formula_2 con una verosimiglianza formula_4, allora la probabilità a posteriori è definita come La probabilità a posteriori può essere scritta in una forma mnemonica come Consideriamo una scuola mista composta dal 60% di ragazzi e dal 40% di ragazze. Le ragazze indossano pantaloni o gonne in numeri eguali, i ragazzi indossano tutti pantaloni. Un osservatore vede da distante uno studente (a caso); tutto quello che può dire è che indossa pantaloni. Qual è la probabilità che lo studente sia una ragazza? La risposta corretta può essere dedotta applicando il teorema di Bayes. L'evento "G" è quello in cui lo studente visto è una ragazza, e l'evento "T" è quello in cui lo studente visto indossa pantaloni. Per calcolare P("G"|"T") abbiamo prima bisogno di sapere: Una volta ottenute tutte queste informazioni, la probabilità che l'osservatore abbia individuato una ragazza una volta visto uno studente che indossa pantaloni può essere calcolata sostituendo i valori nella formula: La distribuzione di probabilità a posteriori di una variabile casuale dato il valore di un'altra, può essere calcolata con il teorema di Bayes moltiplicando la distribuzione di probabilità a priori per la funzione di verosimiglianza, e quindi dividendo per una costante di normalizzazione come segue: la quale fornisce la funzione di densità di probabilità per una variabile casuale "X" una volta dato "Y" = "y", dove Nell'ambito della classificazione statistica le probabilità a posteriori riflettono l'incertezza nell'assegnare un'osservazione ad una classe particolare. Mentre i metodi di classificazione statistica per definizione generano probabilità a posteriori, gli apprenditori automatici solitamente forniscono valori di appartenenza che non inducono alcuna confidenza di tipo probabilistico. È desiderabile trasformare o convertire i valori di appartenenza a valori di probabilità di appartenenza ad una certa classe in quanto tali classi sono, in confronto ai primi, di più facile trattamento in susseguenti elaborazioni.

Probabilità a posteriori

Il metodo della massima verosimiglianza, in statistica, è un procedimento matematico per determinare uno stimatore. Caso particolare della più ampia classe di metodi di stima basata sugli stimatori d'estremo, il metodo consiste nel massimizzare la funzione di verosimiglianza, definita in base alla probabilità di osservare una data realizzazione campionaria, condizionatamente ai valori assunti dai parametri statistici oggetto di stima. Il metodo è stato sviluppato, originariamente, dal genetista e statistico sir Ronald Fisher, tra il 1912 e il 1922. Data una distribuzione di probabilità formula_1, con funzione di massa (o densità, se continua) di probabilità formula_2, caratterizzata da un parametro formula_3, dato un campione di dati osservati formula_4 di dimensione formula_5 si può calcolare la probabilità associata ai dati osservati: D'altra parte, può darsi che il parametro formula_3 sia ignoto, sebbene sia noto che il campione è estratto dalla distribuzione formula_1. Un'idea per stimare formula_3 è allora utilizzare i dati a nostra disposizione: formula_4 per ottenere informazioni su formula_3. Il metodo della massima verosimiglianza ricerca il valore più "verosimile" di formula_3, ossia ricerca, all'interno dello spazio formula_13 di tutti i possibili valori di formula_3, il valore del parametro che "massimizza" la probabilità di aver ottenuto il campione dato. Da un punto di vista matematico, formula_15 o equivalentemente formula_16 è detta funzione di verosimiglianza, e lo stimatore di massima verosimiglianza è ottenuto come: Al fine di illustrare il metodo della massima verosimiglianza, si consideri un campione formula_18 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione normale: formula_19. La funzione di verosimiglianza associata è: La massimizzazione della funzione di verosimiglianza è equivalente a massimizzarne il logaritmo: I parametri formula_22 e formula_23 sono determinati risolvendo il problema di massimo: Le condizioni del primo ordine per un massimo definiscono il seguente sistema di equazioni in formula_22 e formula_23: dove i segni di apice sopra i parametri denotano i loro stimatori. Dalla prima equazione discende immediatamente lo stimatore di massima verosimiglianza per la media: cioè la media campionaria. La varianza dello stimatore formula_30 è data dalla seguente espressione: Sostituendo formula_30 nella seconda equazione, si ha lo stimatore di massima verosimiglianza per la varianza: cioè la varianza campionaria. L'esempio è particolarmente calzante, perché consente di illustrare alcune proprietà degli stimatori di massima verosimiglianza. È immediato verificare la correttezza (o "unbiasedness") di formula_30: D'altra parte, formula_36 non gode di tale proprietà. Ricordando che: segue che: Dunque formula_36 non è uno stimatore corretto; un tale stimatore sarebbe dato dalla statistica: Val la pena d'altra parte di osservare che lo stimatore di massima verosimiglianza è comunque uno stimatore asintoticamente corretto; infatti: In particolare, qualunque stimatore di massima verosimiglianza è asintoticamente corretto e asintoticamente normalmente distribuito. L'espressione per la varianza dello stimatore formula_36 è al di là degli scopi di questo esempio. È interessante osservare che gli stimatori derivati in questa sezione sono identici a quelli ottenibili, nelle stesse condizioni, impiegando il metodo dei momenti; a scanso di equivoci, si precisa che i due metodi di ricerca degli stimatori non conducono necessariamente a individuare gli stessi stimatori in condizioni più generali. Al di là dei problemi evidenziati negli esempi sopra, altre difficoltà, di portata più generale, possono essere associate agli stimatori di massima verosimiglianza. Il valore dello stimatore di massima verosimiglianza può non appartenere allo spazio dei parametri formula_13. Si consideri il caso di un campione formula_44 di v.c. identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione di Poisson di parametro formula_45. La funzione di verosimiglianza associata è: Così che la funzione di log-verosimiglianza risulta: Lo stimatore di massima verosimiglianza sarebbe dunque formula_48. Si supponga tuttavia che formula_49; poiché formula_50, la stima ottenuta con il metodo della massima verosimiglianza non è ammissibile. A prima vista il problema potrebbe apparire un dettaglio matematico di scarso rilievo nella pratica; la sua portata nelle applicazioni è tuttavia più rilevante di quanto sembri. Restando nell'ambito dell'esempio testé esposto, si osservi che la variabile casuale poissoniana è spesso utilizzata come modello per il numero di arrivi a uno sportello, un ufficio, la fermata di un autobus, etc. (si tratta di un'applicazione della teoria delle code, che fa per la precisione riferimento al processo di Poisson); in tale contesto, formula_51 rappresenta il tasso atteso di arrivi per unità di tempo. È chiaro che ipotizzare formula_52 in qualche misura snatura il processo sotto esame: può darsi che, nell'intervallo di tempo corrispondente al campione utilizzato per la stima, nessun cliente sia arrivato allo sportello (nessun passeggero alla fermata dell'autobus, etc.); ciò non significa che ci si debba aspettare che nessun cliente (o passeggero, etc.) arrivi mai! Lo stimatore di massima verosimiglianza, inoltre, "non è necessariamente unico". Si consideri, ad esempio, il caso di un campione formula_53 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, aventi distribuzione uniforme sull'intervallo formula_54, con formula_55. La funzione di verosimiglianza associata è: dove formula_57 denota la funzione indicatrice. Si supponga che il campione sia ordinato in modo tale che: (tale ipotesi è lecita in quanto le formula_59 sono indipendentemente distribuite). È facile mostrare che: Ne consegue che lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_3 è unico se e solo se formula_62; diversamente, un numero infinito di valori dello stimatore formula_63 massimizza la funzione di verosimiglianza. Se formula_63 è lo stimatore di massima verosimiglianza per il parametro formula_3, allora lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_66 è formula_67, purché formula_68 sia una funzione biiettiva. Gli stimatori di massima verosimiglianza, come illustrato negli esempi, possono essere distorti (cioè non corretti o all'inglese "biased"), anche in maniera consistente. D'altra parte essi sono asintoticamente corretti. Gli stimatori di massima verosimiglianza non conseguono in generale il limite inferiore per la varianza stabilito dal risultato di Cramér-Rao, lo conseguono però asintoticamente, cioè la varianza si discosta dal limite inferiore di Cramér-Rao per una quantità infinitesima al crescere di "n". Gli stimatori di massima verosimiglianza sono inoltre asintoticamente normalmente distribuiti.

Metodo della massima verosimiglianza

Nell'ambito dell'inferenza statistica bayesiana, una distribuzione di probabilità a priori, detta spesso anche distribuzione a priori, di una quantità incognita "p" (per esempio, supponiamo "p" essere la proporzione di votanti che voteranno per il politico Rossi in un'elezione futura) è la distribuzione di probabilità che esprimerebbe l'incertezza di "p" prima che i "dati" (per esempio, un sondaggio di opinione) siano presi in considerazione. Il proposito è di attribuire incertezza piuttosto che casualità a una quantità incerta. La quantità incognita può essere un parametro o una variabile latente. Si applica il teorema di Bayes, moltiplicando la distribuzione a priori per la funzione di verosimiglianza e quindi normalizzando, per ottenere la distribuzione di probabilità a posteriori, la quale è la distribuzione condizionata della quantità incerta una volta ottenuti i dati. Spesso una distribuzione a priori è l'accertamento soggettivo (elicitazione) di una persona esperta. Quando possibile, alcuni sceglieranno una "distribuzione a priori coniugata" per rendere più semplice il calcolo della distribuzione a posteriori. I parametri di una distribuzione a priori sono chiamati "iperparametri", per distinguerli dai parametri del modello dei dati sottostanti. Per esempio, se si sta usando una distribuzione beta per modellare la distribuzione di un parametro "p" di una distribuzione di Bernoulli, allora: Una "distribuzione a priori informativa" esprime una specifica, definita informazione circa una variabile. Un esempio è la distribuzione a priori per la temperatura di domattina. Un approccio ragionevole è costruire la distribuzione a priori come una distribuzione normale con valore atteso uguale alla temperatura mattutina di oggi, con una varianza uguale alla varianza giorno per giorno della temperatura atmosferica, oppure come una distribuzione della temperatura per quel tal giorno dell'anno. Questo esempio ha una proprietà in comune con molte distribuzioni a priori, ovvero che la distribuzione a posteriori di un problema (temperatura odierna) diventa la distribuzione a priori per un altro problema (temperatura di domani); l'evidenza preesistente, che è già stata tenuta in conto, è parte della distribuzione a priori e come ulteriore evidenza viene accumulata. La distribuzione a priori è largamente determinata dall'evidenza piuttosto che da qualche assunzione originale, sempre che l'assunzione originale ammetta la possibilità (ossia sia compatibile) con quello che l'evidenza suggerisce. I termini "a priori" e "a posteriori" sono generalmente relativi a un dato o un'osservazione specifica. Una "distribuzione a priori non informativa" esprime vaghezza o informazione a carattere generale circa una variabile. Il termine "non informativa" può essere un po' fuorviante; spesso, tale tipo di distribuzione è chiamata "a priori non molto informativa", oppure "a priori oggettiva", cioè una distribuzione che non è soggettivamente esplicitata. Le distribuzioni a priori non informative possono esprimere informazione "oggettiva" come ad esempio "la variabile è positiva" oppure "la variabile è minore di tal limite". La più semplice e vecchia regola per determinare una distribuzione a priori non informativa è il principio d'indifferenza, il quale assegna a tutti gli eventi uguale probabilità. In problemi di stima parametrica, l'uso di una distribuzione a priori non informativa dà risultati che sono non troppo differenti dall'analisi statistica convenzionale. Questo accade in quanto la funzione di verosimiglianza fornisce la parte maggiore dell'informazione rispetto a quella fornita dalla distribuzione a priori non informativa nel determinare una distribuzione a posteriori. Vari tentativi sono stati fatti per trovare probabilità a priori, cioè distribuzioni di probabilità in un certo senso logicamente richieste dalla natura di uno stato di incertezza; queste sono soggette a controversia filosofica, con i sostenitori del metodo bayesiano approssimativamente divisi in due scuole: i "bayesiani oggettivistici", che credono che tali distribuzioni a priori esistano in molte situazioni, e i "bayesiani soggettivisti" che credono che in pratica le distribuzioni a priori rappresentino giudizi di opinione che non possono essere rigorosamente giustificati. Per la maggiore le più forti argomentazioni a favore della scuola oggettivistica furono date da Edwin T. Jaynes. Come esempio di una distribuzione a priori, dovuta a, consideriamo una situazione in cui sappiamo che una pallina è nascosta sotto una di tre tazze rovesciate, A, B o C, ma nessun'altra informazione è disponibile circa la sua posizione. In questo caso una distribuzione a priori uniforme di formula_1 sembra intuitivamente verosimile la sola scelta ragionevole. Più formalmente, noi possiamo vedere che il problema rimane lo stesso se scambiamo le lettere identificative "A", "B" e "C" delle tazze. Sarebbe perciò strano scegliere una distribuzione a priori per la quale una permutazione delle lettere causerebbe un cambio nella nostra predizione circa la posizione dove la pallina sarà trovata; la distribuzione a priori uniforme è la sola che preserva questa invarianza. Se si accetta questo principio di invarianza allora si può vedere che la distribuzione a priori uniforme è la distribuzione logicamente corretta che rappresenta questo stato di conoscenza a priori. Si avrà notato che questa distribuzione a priori è "oggettiva" nel senso di essere la scelta corretta per rappresentare un particolare stato di conoscenza, ma non è oggettiva nel senso di essere una caratteristica del sistema osservato indipendente dall'osservatore: in realtà la pallina esiste sotto una specifica tazza e in questa situazione ha solo senso parlare di probabilità se c'è un osservatore con una conoscenza limitata del sistema ossia della posizione della pallina sotto le tazze. Come esempio più controverso, Jaynes pubblicò un argomento basato sui gruppi di Lie suggerente che la distribuzione a priori rappresentante in maniera completa l'incertezza sarebbe la distribuzione a priori di Haldane "p"(1 − "p"). L'esempio fornito da Jaynes è quello di trovare un chimico in un laboratorio e di chiedergli di eseguire ripetutamente degli esperimenti di dissoluzione in acqua. La distribuzione a priori di Haldane da prevalentemente la maggiore probabilità agli eventi formula_2 and formula_3, indicando che il campione ogni volta si scioglierà oppure no, con uguale probabilità. Tuttavia se sono stati osservati campioni non disciogliersi in un esperimento e disciogliersi in un altro, allora questa distribuzione a priori è aggiornata alla distribuzione uniforme sull'intervallo [0, 1]. Questo risultato si ottiene applicando il teorema di Bayes all'insieme di dati consistente in un'osservazione di dissoluzione e una di non dissoluzione, usando la distribuzione a priori precedente. sulla base che essa fornisce una distribuzione a posteriori impropria che pone il 100% del contenuto di probabilità sia a "p" = 0 o a "p" = 1 se un numero finito di esperimenti ha dato lo stesso risultato (ad esempio il discioglimento). La distribuzione a priori di Jeffreys "p"(1 − "p") è perciò preferita ("cfr." sotto). Se lo spazio parametrico X è dotato di una struttura di gruppo naturale che lascia invariato il nostro stato di conoscenza bayesiano, allora la distribuzione a priori può essere costruita proporzionale alla Misura di Haar. Questo può essere visto come una generalizzazione del principio di invarianza che giustificava la distribuzione a priori uniforme dell'esempio delle tre tazze visto sopra. Per esempio, in fisica ci si aspetta che un esperimento dia i medesimi risultati indipendentemente dalla scelta dell'origine del sistema di coordinate. Questo induce la struttura gruppale del gruppo delle traslazioni su "X", il quale determina la distribuzione di probabilità a priori come una distribuzione a priori impropria costante. Analogamente alcuni sistemi fisici presentano un'invarianza di scala (ossia i risultati sperimentali sono indipendenti dal fatto che, ad esempio, usiamo centimetri o pollici). In tal caso il gruppo di scala è la struttura di gruppo naturale, e la corrispondente distribuzione a priori su "X" è proporzionale a 1/"x". Qualche volta risulta importante se viene usata la misura di Haar invariante a sinistra piuttosto che quella invariante a destra. Per esempio, le misure di Haar invarianti a destra e a sinistra sul gruppo affine non sono uguali. Berger (1985, p. 413) arguisce che la scelta corretta è la misura di Haar invariante a destra. Un'altra idea, supportata da Edwin T. Jaynes, è di usare il principio di massima entropia (MAXENT). La motivazione è che l'entropia di Shannon di una distribuzione di probabilità misura l'ammontare di informazione contenuta nella distribuzione. Maggiore è l'entropia, minore è l'informazione fornita dalla distribuzione. Perciò, mediante la massimizzazione dell'entropia sopra un adeguato insieme di distribuzioni di probabilità su "X", si trova la distribuzione che è meno informativa nel senso che essa contiene il minore ammontare di informazione consistente con le costrizioni definite dall'insieme scelto. Per esempio, la distribuzione a priori di massima entropia su uno spazio discreto, dato solo il fatto che la probabilità è normalizzata a 1, è la distribuzione a priori che assegna uguale probabilità ad ogni stato. Mentre nel caso continuo, la distribuzione a priori di massima entropia con densità normalizzata, media nulla e varianza unitaria, è la ben nota distribuzione normale. Il principio di minima entropia incrociata generalizza il principio di massima entropia al caso di "aggiornamento" di una distribuzione a priori arbitraria con adeguate costrizioni nel senso di massima entropia. Un'idea collegata, la distribuzione a priori di riferimento, fu introdotta da José-Miguel Bernardo. Qui l'idea è di massimizzare il valore atteso della divergenza di Kullback–Leibler della distribuzione a posteriori rispetto alla distribuzione a priori. Questo massimizza l'informazione attesa riguardante "X" quando la densità a priori è "p"("x"); perciò, in un certo senso, "p"("x") è la distribuzione a priori "meno informativa" riguardo X. La distribuzione a priori di riferimento è definita nel limite asintotico, cioè si considera il limite delle distribuzioni a priori così ottenute come il numero di dati va all'infinito. Nei problemi multivariati spesso vengono scelte come distribuzioni a priori oggettive le distribuzioni a priori di riferimento, dato che altre scelte (ad esempio la regola di Jeffreys possono portare a distribuzioni a priori dal comportamento problematico. Distribuzioni a priori oggettive possono anche essere derivate da altri principi, come le teorie dell'informazione o le teorie della codifica (vedi ad esempio lunghezza di descrizione minima) oppure della statistica frequentista. Problemi filosofici legati alle distribuzioni a priori non informative sono associati alla scelta di una metrica appropriata o scala di misurazione. Supponiamo di volere una distribuzione a priori per la valocità di un corridore a noi sconosciuto. Potremmo specificare, diciamo, per la sua velocità una distribuzione a priori di tipo normale, ma in alternativa potremmo specificare una distribuzione a priori normale per il tempo impiegato a percorrere 100 metri, il quale è proporzionale al reciproco della prima distribuzione a priori. Queste due distribuzioni a priori sono effettivamente differenti, ma non è chiaro quale delle due preferire. Il metodo, spesso sopravvalutato, di trasformazione dei gruppi di Jaynes può rispondere a tale questione in varie situazioni. In maniera simile, se ci è chiesto di stimare una proporzione incognita tra 0 e 1, noi possiamo affermare che tutte le proporzioni sono ugualmente probabili ed usare una distribuzione a priori uniforme. Alternativamente, potremmo dire che tutti gli ordini di grandezza per la proporzione sono ugualmente probabili, e scegliere la distribuzione a priori logaritmica, la quale è la distribuzione a priori uniforme sul logaritmo della proporzione. La distribuzione a priori di Jeffreys tenta di risolvere questo problema calcolando una distribuzione a priori che esprime la medesima credenza indipendentemente dalla metrica utilizzata. La distribuzione a priori di Jeffreys per una proporzione incognita "p" è "p"(1 − "p"), che differisce da quella raccomandata da Jaynes. Distribuzioni a priori basate sulla nozione di probabilità algoritmica vengono impiegate nel campo dell'inferenza induttiva come base induttiva in configurazioni del tutto generali. Problemi pratici associati con le distribuzioni a priori non informative includono il requisito che la distribuzione a posteriori sia propria. Le distribuzioni a priori non informative su variabili continue, non limitate sono improprie. Questo non è necessariamente un problema se la distribuzione a posteriori è propria. Un altro argomento importante è quello in cui se una distribuzione a priori non informativa viene usata in maniera regolare, cioè con svariati insiemi di dati, allora essa avrebbe buone proprietà frequentiste. Normalmente un bayesiano non dovrebbe porsi questo problema, ma potrebbe essere importante farlo in questa situazione. Per esempio, uno potrebbe volere che qualsiasi regola di decisione basata sulla distribuzione a posteriori sia ammissibile sotto la funzionedi perdita adottata. Sfortunatamente, l'ammissibilità è difficile da verificare, nonostante vari risultati siano noti ("cfr." ad esempio, Berger and Strawderman, 1996). Il problema è particolarmente acuto con i modelli di Bayes gerarchici; le distribuzioni a priori usuali (ad esempio la distribuzione a priori di Jeffreys) possono dare regole di decisione praticamente inammissibili se impiegate ai livelli gerarchici più elevati. Se il teorema di Bayes viene scritto come allora è chiaro che si otterrebbe il medesimo risultato se tutte le probabilità a priori "P"("A") e "P"("A") fossero moltiplicate per una data costante; lo stesso sarebbe vero per una variabile casuale continua. Se la sommatoria al denominatore converge, le probabilità a posteriori sommeranno (o integreranno) ancora a 1 anche se i valori della distribuzione a priori non lo fanno, e in tal modo può solo essere necessario richiedere alle distribuzioni a priori di essere specificate nella proporzione corretta. Spingendo oltre questa idea, in molti casi non è neanche richiesto che la somma o l'integrale dei valori della distribuzione a priori sia finita per ottenere risposte significative circa le probabilità a posteriori. Quando questo è il caso, la distribuzione a priori è chiamata distribuzione a priori impropria. Tuttavia, se la distribuzione a priori è impropria, allora non è necessario che la distribuzione a posteriori sia propria. Questo è chiaro nella situazione in cui l'evento "B" è indipendente da tutti gli altri eventi "A". Vari statistici usano le distribuzioni a priori improprie come distribuzioni a priori non informative. Per esempio, se hanno bisogno di una distribuzione a priori per la media e la varianza di una variabile casuale, allora essi assumono "p"("m", "v") ~ 1/"v" (per "v" > 0) il che suggerirebbe che qualsiasi valore per la media è "ugualmente probabile" e che un valore per la varianza positiva diventa "meno probabile" in proporzione inversa al suo valore. Molti autori (Lindley, 1973; De Groot, 1937; Kass and Wasserman, 1996) mettono in guardia contro il pericolo di sovra-interpretare tali distribuzioni a priori poiché non sono densità di probabilità. La loro sola rilevanza che esse hanno si trova nella distribuzione a posteriori corrispondente, fintanto che questa è ben definita per tutte le osservazioni. (La distribuzione a priori di Haldane è un tipico controesempio.) Esempi di distribuzioni a priori includono: Il concetto di probabilità algoritmica fornisce una via per specificare la probabilità delle distribuzioni a priori basata sulla complessità relativa di modelli presi in considerazione e tra loro alternativi.

Distribuzione di probabilità a priori

In ottimizzazione e analisi numerica il metodo di discesa del gradiente (detto anche "metodo del gradiente", "metodo steepest descent" o "metodo di discesa più ripida") è una tecnica che consente di determinare i punti di massimo e minimo di una funzione di più variabili. Il metodo è stato sviluppato - e pubblicato nel 1847 - dal matematico francese Augustin-Louis Cauchy nel tentativo di risolvere il problema di determinare l'orbita di un corpo celeste a partire dalle sue equazioni del moto. Si supponga di voler minimizzare la funzioneformula_1 e si scelga come soluzione iniziale il vettore formula_2. Allora e, muovendosi in un intorno di formula_4: Questi calcoli mostrano che, per individuare dei punti - "vicini" a formula_4 - in corrispondenza dei quali la funzione assuma un valore minore di formula_7, conviene spostarsi lungo direzioni che abbiano la prima e la terza componente formula_8 più piccole o seconda componente formula_9 più grande. Inoltre esistono delle direzioni "preferenziali" lungo le quali la funzione formula_10 decresce più velocemente (ad esempio scegliere una coordinata formula_11 più piccola è preferibile, ad esempio, rispetto a far diminuire formula_12). La procedura può essere iterata partendo da un nuovo punto, ad esempio formula_13, fino ad individuare un minimo per formula_10. L'esempio mostra che una procedura che aggiorni la soluzione in modo iterativo sulla base delle informazioni disponibili "localmente" può portare ad individuare un punto di minimo per la funzione assegnata. Si voglia risolvere il seguente problema di ottimizzazione non vincolata nello spazio formula_15-dimensionale formula_16 La tecnica di discesa secondo gradiente si basa sul fatto che, per una data funzione formula_18, la direzione di massima discesa in un assegnato punto formula_19 corrisponde a quella determinata dall'opposto del suo gradiente in quel punto formula_20. Questa scelta per la direzione di discesa garantisce che la soluzione tenda a un punto di minimo di formula_10. Il metodo del gradiente prevede dunque di partire da una soluzione iniziale formula_4 scelta arbitrariamente e di procedere iterativamente aggiornandola come dove formula_24 corrisponde alla lunghezza del passo di discesa, la cui scelta diventa cruciale nel determinare la velocità con cui l'algoritmo convergerà alla soluzione richiesta. Si parla di metodo "stazionario" nel caso in cui si scelga un passo formula_25 costante per ogni formula_26, viceversa il metodo si definisce "dinamico". In quest'ultimo caso una scelta conveniente, ma computazionalmente più onerosa rispetto a un metodo stazionario, consiste nell'ottimizzare, una volta determinata la direzione di discesa formula_27, la funzione di una variabile formula_28 in maniera analitica o in maniera approssimata. Si noti che, a seconda della scelta del passo di discesa, l'algoritmo potrà convergere a uno qualsiasi dei minimi della funzione formula_10, sia esso locale o globale. Lo schema generale per l'ottimizzazione di una funzione formula_18 mediante metodo del gradiente è il seguente: Un caso particolare di applicazione del metodo del gradiente consiste nella risoluzione di sistemi lineari della forma dove formula_33 è una matrice simmetrica e definita positiva. Per le proprietà di formula_33 la soluzione di tale problema è equivalente alla procedura di minimizzazione della forma quadratica associata: Infatti: da cui Per la funzione formula_38 si ha che la direzione di massima discesa nel punto formula_39 è: coincidente con il residuo formula_41 del sistema lineare. Dunque la direzione di discesa scelta a ogni iterazione è formula_42. Inoltre vale la seguente relazione: che permette di calcolare analiticamente il passo formula_44 ottimale. Infatti, imponendo la condizione di stazionarietà si ricava L'algoritmo del metodo del gradiente per la risoluzione di sistemi lineari è dunque In aritmetica floating point la condizione del ciclo while può essere valutata verificando che la norma del residuo formula_48 non sia più piccola di una tolleranza impostata dall'utente. In molti casi è possibile accelerare la velocità di convergenza dell'algoritmo migliorando le proprietà di condizionamento della matrice formula_33. Si introduca a tal fine una matrice di precondizionamento formula_50 simmetrica e definita positiva. Lo schema risolutivo in questo caso diventa: Il metodo del gradiente coniugato costituisce una variante del metodo del gradiente in cui viene effettuata una scelta diversa, ma particolarmente conveniente nel caso di sistemi lineari simmetrici e definiti positivi, per le direzioni di discesa formula_27. Tale scelta garantisce la convergenza del metodo (in aritmetica esatta) in un numero di iterazioni pari al più alla dimensione del sistema da risolvere. È possibile dimostrare che l'errore commesso alla formula_26-esima iterazione del metodo del gradiente soddisfa la seguente stima: dove formula_56 indica il numero di condizionamento in norma formula_57 di formula_33 e formula_59 è la norma indotta da formula_33. Nel caso precondizionato vale la stessa stima con Si riporta un esempio di possibile implementazione del metodo del gradiente nella versione precondizionata compatibile con i linguaggi di programmazione Octave e MATLAB. Quando la funzione obiettivo è troppo costosa da calcolare ad ogni iterazione, ma può essere scomposta in una somma di molti addendi (ad esempio, la somma del costo calcolato su ogni singolo record in un dataset), il gradiente può essere approssimato stocasticamente restringendo la somma su un sottinsieme di addendi ad ogni iterazione, metodo noto come discesa stocastica del gradiente. La discesa del gradiente è ampiamente utilizzata in statistica e apprendimento automatico per l'addestramento tramite apprendimento supervisionato di modelli come reti neurali artificiali e modelli grafici. Il principio è noto come regola delta, e consiste nel valutare il modello su un input il cui corrispondente output esatto sia noto, e correggere ciascun parametro del modello in una quantità proporzionale (ma di segno opposto) rispetto al suo contributo all'errore sul risultato. L'algoritmo usato nelle reti neurali per implementare questo principio è noto come retropropagazione dell'errore, che consiste in un'applicazione della discesa del gradiente, essendo il contributo di ciascun parametro all'errore del modello dato dalla derivata parziale della funzione di perdita rispetto al parametro stesso. La regola, classificabile fra i metodi per l'apprendimento supervisionato, può essere applicata a reti neurali di tipo "in avanti" (cioè con propagazione unidirezionale dei segnali, in inglese: "feedforward") e permette di calcolare la differenza tra i valori di output che la rete ottiene e quelli che invece dovrebbe apprendere. La regola deve essere applicata a reti che usano unità di output ad attivazione continua e differenziabile ed è l'elemento fondamentale dell'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation"), alla base dell'approccio connessionista. Data una rete "in avanti" con le proprietà sopra descritte, l'obiettivo che ci si prefigge è minimizzare la diversità tra i valori di attivazione delle unità di output formula_62 della rete (ottenuti sommando i segnali provenienti dalle diverse unità di input formula_63 moltiplicati per l'efficacia, o "pesi sinaptici" formula_64 delle connessioni in ingresso), e i valori formula_65 della risposta desiderata. Tale diversità viene quantificata attraverso una funzione di perdita. La funzione obiettivo che si vuole minimizzare è il valore atteso della perdita (in pratica la perdita media sui dati). Per applicare il metodo del gradiente, la funzione di perdita deve essere derivabile rispetto ai valori di output formula_62. Una scelta adatta a problemi di regressione è lo scarto quadratico medio tra formula_62 e formula_65 (valutato per tutte le unità di output e per tutti i pattern d'apprendimento); per problemi di classificazione si può utilizzare la divergenza di Kullback-Leibler o equivalentemente l'entropia incrociata. Nella fase di addestramento, variando i pesi sinaptici formula_64 (parametri del modello) si può aumentare o diminuire la funzione obiettivo; la "prestazione" della rete sarà funzione delle variabili formula_64, e sarà massima quando si raggiunge il minimo della funzione obiettivo, il che si ottiene applicando il metodo del gradiente e aggiornando iterativamente i valori dei pesi sinaptici. Poiché nelle applicazioni pratiche le dimensioni dei modelli e dei relativi dataset usati nell'addestramento sono molto grandi, in pratica si fa generalmente uso della discesa stocastica del gradiente per l'addestramento delle reti neurali e di altri modelli statistici e di apprendimento automatico.

Discesa del gradiente

Nel campo dell'apprendimento automatico, una rete neurale artificiale (in inglese "artificial neural network", abbreviato in ANN o anche come NN) è un modello computazionale composto di "neuroni" artificiali, ispirato vagamente dalla semplificazione di una rete neurale biologica. Questi modelli matematici sono troppo semplici per ottenere una comprensione delle reti neurali biologiche, ma sono utilizzati per tentare di risolvere problemi ingegneristici di intelligenza artificiale come quelli che si pongono in diversi ambiti tecnologici (in elettronica, informatica, simulazione, e altre discipline). Una rete neurale artificiale può essere realizzata sia da programmi software che da hardware dedicato (DSP, "Digital Signal Processing"). Questa branca può essere utilizzata in congiunzione alla logica fuzzy. L'ampia varietà di modelli non può prescindere dal costituente di base, il neurone artificiale proposto da W.S. McCulloch e Walter Pitts in un famoso lavoro del 1943: ""A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity"", il quale schematizza un combinatore lineare a soglia, con dati binari multipli in entrata e un singolo dato binario in uscita: un numero opportuno di tali elementi, connessi in modo da formare una rete, è in grado di calcolare semplici funzioni booleane. Le prime ipotesi di apprendimento furono introdotte da D. O. Hebb nel libro del 1949: ""The organization of behavior"", nel quale vengono proposti collegamenti con i modelli complessi del cervello. Nel 1958, J. Von Neumann nella sua opera ""The computer and the brain"" esamina le soluzioni proposte dai precedenti autori sottolineando la scarsa precisione che queste strutture possedevano per potere svolgere operazioni complesse. Nello stesso anno, Frank Rosenblatt nel libro "Psychological review" introduce il primo schema di rete neurale, detto "Perceptron" (percettrone), antesignano delle attuali reti neurali, per il riconoscimento e la classificazione di forme, allo scopo di fornire un'interpretazione dell'organizzazione generale dei sistemi biologici. Il modello probabilistico di Rosenblatt è quindi mirato all'analisi, in forma matematica, di funzioni quali l'immagazzinamento delle informazioni, e della loro influenza sul riconoscimento dei pattern; esso costituisce un progresso decisivo rispetto al modello binario di McCulloch e Pitts, perché i suoi pesi sinaptici sono variabili e quindi il percettrone è in grado di apprendere. L'opera di Rosenblatt stimola una quantità di studi e ricerche che dura per un decennio, e suscita un vivo interesse e notevoli aspettative nella comunità scientifica, destinate tuttavia ad essere notevolmente ridimensionate allorché nel 1969 Marvin Minsky e Seymour A. Papert, nell'opera ""An introduction to computational geometry"", mostrano i limiti operativi delle semplici reti a due strati basate sul percettrone, e dimostrano l'impossibilità di risolvere per questa via molte classi di problemi, ossia tutti quelli non caratterizzati da separabilità lineare delle soluzioni: questo tipo di rete neurale non è abbastanza potente: non è infatti neanche in grado di calcolare la funzione "or esclusivo" (XOR). A causa di queste limitazioni, al periodo di euforia dovuto ai primi risultati della cibernetica (come veniva chiamata negli anni sessanta) segue un periodo di diffidenza durante il quale tutte le ricerche in questo campo non ricevono più alcun finanziamento dal governo degli Stati Uniti d'America; le ricerche sulle reti tendono, di fatto, a ristagnare per oltre un decennio, e l'entusiasmo iniziale risulta fortemente ridimensionato. Il contesto matematico per addestrare le reti MLP ("Multi-Layers Perceptron", ossia percettrone multistrato) fu stabilito dal matematico americano Paul Werbos nella sua tesi di dottorato (Ph.D.) del 1974. Non fu dato molto peso al suo lavoro tanto fu forte la confutazione dimostrata da Minsky e Papert anni prima, e solo l'intervento di J. J. Hopfield, nel 1982, che in un suo lavoro studia dei modelli di riconoscimento di pattern molto generali, si oppose in modo diretto alla confutazione di Minsky riaprendo così degli spiragli per la ricerca in questo campo. Uno dei metodi più noti ed efficaci per l'addestramento di tale classe di reti neurali è il cosiddetto algoritmo di retropropagazione dell'errore (error backpropagation), proposto nel 1986 da David E. Rumelhart, G. Hinton e R. J. Williams, il quale modifica sistematicamente i pesi delle connessioni tra i nodi, così che la risposta della rete si avvicini sempre di più a quella desiderata. Tale lavoro fu prodotto riprendendo il modello creato da Werbos. L'algoritmo di retropropagazione ("backpropagation" o BP) è una tecnica d'apprendimento tramite esempi, costituente una generalizzazione dell'algoritmo d'apprendimento per il percettrone sviluppato da Rosenblatt nei primi anni '60. Mediante questa tecnica era possibile, come detto, trattare unicamente applicazioni caratterizzabili come funzioni booleane linearmente separabili. L'algoritmo di apprendimento si basa sul metodo della discesa del gradiente che permette di trovare un minimo locale di una funzione in uno spazio a N dimensioni. I pesi associati ai collegamenti tra gli strati di neuroni si inizializzano a valori piccoli (ovvero molto inferiori ai valori reali che poi assumeranno) e casuali e poi si applica la regola di apprendimento presentando alla rete dei pattern di esempio. Queste reti neurali sono poi capaci di generalizzare in modo appropriato, cioè di dare risposte plausibili per input che non hanno mai visto. L'addestramento di une rete neurale di tipo BP avviene in due diversi stadi: "forward-pass" e "backward-pass". Nella prima fase i vettori in input sono applicati ai nodi in ingresso con una propagazione in avanti dei segnali attraverso ciascun livello della rete ("forward-pass"). Durante questa fase i valori dei pesi sinaptici sono tutti fissati. Nella seconda fase la risposta della rete viene confrontata con l'uscita desiderata ottenendo il segnale d'errore. L'errore calcolato è propagato nella direzione inversa rispetto a quella delle connessioni sinaptiche. I pesi sinaptici infine sono modificati in modo da minimizzare la differenza tra l'uscita attuale e l'uscita desiderata ("backward-pass"). Tale algoritmo consente di superare le limitazioni del percettrone e di risolvere il problema della separabilità non lineare (e quindi di calcolare la funzione XOR), segnando il definitivo rilancio delle reti neurali, come testimoniato anche dall'ampia varietà d'applicazioni commerciali: attualmente la BP rappresenta un algoritmo di largo uso in molti campi applicativi. Una rete neurale artificiale (ANN ""Artificial Neural Network"" in inglese), normalmente chiamata solo "rete neurale" (NN ""Neural Network"" in inglese), è un modello matematico/informatico di calcolo basato sulle reti neurali biologiche. Tale modello è costituito da un gruppo di interconnessioni di informazioni costituite da neuroni artificiali e processi che utilizzano un approccio di connessionismo di calcolo. Nella maggior parte dei casi una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la propria struttura in base a informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete stessa durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Una rete neurale artificiale riceve segnali esterni su uno strato di nodi (unità di elaborazione) d'ingresso, ciascuno dei quali è collegato con numerosi nodi interni, organizzati in più livelli. Ogni nodo elabora i segnali ricevuti e trasmette il risultato a nodi successivi. Il concetto di rete neurale si pone perché una funzione formula_1 è definita come una composizione di altre funzioni formula_2, che possono a loro volta essere ulteriormente definite come composizione di altre funzioni. Questo può essere comodamente rappresentato come una struttura di reti, con le frecce raffiguranti le dipendenze tra variabili. Una rappresentazione ampiamente utilizzata è la somma ponderata non lineare, dove formula_3, dove formula_4 è una funzione predefinita, come ad esempio la tangente iperbolica. Sarà conveniente per le seguenti far riferimento ad un insieme di funzioni come un vettore formula_5. La Figura 1 esemplifica una decomposizione della funzione formula_6, con dipendenze tra le variabili indicate dalle frecce. Queste possono essere interpretate in due modi: I due punti di vista sono in gran parte equivalenti. In entrambi i casi, per questa particolare architettura di rete, i componenti dei singoli strati sono indipendenti l'uno dall'altro (ad esempio, le componenti di formula_8 sono indipendenti l'una dall'altra, dato il loro ingresso formula_15). Questo, naturalmente, permette un certo grado di parallelismo nella costruzione del sistema. Reti, come ad esempio quelle precedenti vengono comunemente chiamate ""feedforward"", perché il loro è un grafico aciclico diretto. Reti con cicli al loro interno sono comunemente chiamati reti ricorrenti. Tali reti sono comunemente raffigurate nel modo indicato nella parte superiore della Figura 2, dove la funzione formula_6 è mostrata come dipendente su se stessa. Tuttavia, vi è una dipendenza temporale implicita che non è possibile dimostrare. Questo significa in pratica che il valore di formula_6 ad un certo punto nel tempo formula_18 dipende dai valori di formula_6 al tempo zero o su uno o più altri punti temporali. Il modello del grafico nella parte inferiore della Figura 2 illustra il caso in cui il valore di formula_6 al tempo formula_18 dipende solo dal suo valore finale. Tuttavia la funzionalità più interessante di queste funzioni, ciò che ha attirato l'interesse e lo studio per la maggior parte delle reti neurali, è la possibilità di apprendimento, che in pratica significa la seguente: Ciò comporta la definizione di una funzione di costo formula_24 tale che, per la soluzione ottimale formula_25 formula_26 nessuna soluzione ha un costo inferiore al costo della soluzione ottimale. La funzione di costo formula_27 è un concetto importante nell'apprendimento, poiché si tratta di una misura di quanto è lontana da noi la soluzione ottimale del problema che vogliamo risolvere. Quindi vi sono una serie di algoritmi di apprendimento che cercano nello spazio delle soluzioni al fine di trovare una funzione che abbia il minor costo possibile. Per applicazioni in cui la soluzione dipende da alcuni dati, il costo deve essere necessariamente funzione delle osservazioni. Mentre è possibile definire per alcune reti una funzione di costo ad hoc, spesso si può utilizzare una particolare funzione di costo poiché gode delle proprietà desiderate (ad esempio, la convessità), o perché proviene da una particolare formulazione del problema (vale a dire, in una formulazione probabilistica, la probabilità a posteriori del modello può essere utilizzata come l'inverso del costo). In ultima analisi, la funzione di costo dipenderà dal compito. Vi sono tre grandi paradigmi di apprendimento, ciascuno corrispondente ad un particolare compito astratto di apprendimento. Si tratta dell'apprendimento supervisionato, apprendimento non supervisionato e l'apprendimento per rinforzo. Di solito un tipo di architettura di rete può essere impiegato in qualsiasi di tali compiti. L'algoritmo di apprendimento hebbiano (1984) si basa sul semplice principio che se due neuroni si attivano contemporaneamente, la loro interconnessione deve essere rafforzata. formula_28 dove formula_29, dove formula_30 è l'formula_31 ingresso e formula_32 è il tasso di apprendimento formula_33. La regola di Hebb è la seguente: l'efficacia di una particolare sinapsi cambia se e solo se c'è un'intensa attività simultanea dei due neuroni, con un'alta trasmissione di input nella sinapsi in questione. Esempio di procedura: In questo modo le connessioni possono solo irrobustirsi. Le connessioni si considerano irrobustite quando le unità presinaptica e postsinaptica sono d'accordo, altrimenti si indeboliscono. Si considerano funzioni bipolari (-1,1) invece che booleane (0,1). Le reti neurali si basano principalmente sulla simulazione di neuroni artificiali opportunamente collegati. Il modello rappresentato in figura è quello proposto da McCulloch e Pitts. I suddetti neuroni ricevono in ingresso degli stimoli e li elaborano. L'elaborazione può essere anche molto sofisticata ma in un caso semplice si può pensare che i singoli ingressi vengano moltiplicati per un opportuno valore detto peso, il risultato delle moltiplicazioni viene sommato e se la somma supera una certa soglia il neurone si attiva attivando la sua uscita. Il peso indica l'efficacia sinaptica della linea di ingresso e serve a quantificarne l'importanza, un ingresso molto importante avrà un peso elevato, mentre un ingresso poco utile all'elaborazione avrà un peso inferiore. Si può pensare che se due neuroni comunicano fra loro utilizzando maggiormente alcune connessioni allora tali connessioni avranno un peso maggiore, fino a che non si creeranno delle connessioni tra l'ingresso e l'uscita della rete che sfruttano "percorsi preferenziali". Tuttavia è sbagliato pensare che la rete finisca col produrre un unico percorso di connessione: tutte le combinazioni infatti avranno un certo peso, e quindi contribuiscono al collegamento ingresso/uscita. Il modello in figura rappresenta una classica rete neurale pienamente connessa. I singoli neuroni vengono collegati alla schiera di neuroni successivi, in modo da formare una rete di neuroni. Normalmente una rete è formata da tre strati. Nel primo abbiamo gli ingressi (I), questo strato si preoccupa di trattare gli ingressi in modo da adeguarli alle richieste dei neuroni. Se i segnali in ingresso sono già trattati può anche non esserci. Il secondo strato è quello nascosto (H, "hidden"), si preoccupa dell'elaborazione vera e propria e può essere composto anche da più colonne di neuroni. Il terzo strato è quello di uscita (O) e si preoccupa di raccogliere i risultati ed adattarli alle richieste del blocco successivo della rete neurale. Queste reti possono essere anche molto complesse e coinvolgere migliaia di neuroni e decine di migliaia di connessioni. Per costruire la struttura di una rete neurale multistrato si possono inserire formula_38 strati "hidden." L'efficacia di generalizzare di una rete neurale multistrato dipende ovviamente dall'addestramento che ha ricevuto e dal fatto di essere riuscita o meno ad entrare in un minimo locale buono. L'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation") è utilizzato nell'apprendimento con supervisione. Esso permette di modificare i pesi delle connessioni in modo tale che si minimizzi una certa funzione errore E. Tale funzione dipende dal vettore h-esimo di output formula_39 restituito dalla rete, dato il vettore h-esimo di ingresso formula_40 e dal vettore h-esimo di output formula_41che noi desideriamo (che fa parte del training set). Il training set è dunque un insieme di N coppie di vettori formula_42, con formula_43. La funzione errore che si deve minimizzare si può scrivere come: formula_44 dove l'indice k rappresenta il valore corrispondente al k-esimo neurone di output. E(w) è una funzione dipendente dai pesi (che in generale variano nel tempo), per minimizzarla si può usare l'algoritmo della discesa del gradiente ("gradient descent"). L'algoritmo parte da un punto generico formula_45 e calcola il gradiente formula_46. Il gradiente dà la direzione verso cui muoversi lungo la quale si ha il massimo incremento (o decremento se considero formula_47). Definita la direzione ci si muove di una distanza formula_32 predefinita a priori e si trova un nuovo punto formula_49 sul quale è calcolato nuovamente il gradiente. Si continua iterativamente finché il gradiente non è nullo. L'algoritmo di backpropagation può essere diviso in due passi: I passi logici per addestrare una rete neurale con apprendimento supervisionato sono i seguenti: Per l'addestramento di reti neurali profonde, impiegando dataset molto vasti, la discesa del gradiente classica risulta computazionalmente proibitiva, per cui nell'ottimizzare i parametri del modello si fa tipicamente uso dell'algoritmo di discesa stocastica del gradiente. Nel 1982, il fisico John J. Hopfield pubblica un articolo fondamentale in cui presenta un modello matematico comunemente noto appunto come rete di Hopfield: tale rete si distingue per "l'emergere spontaneo di nuove capacità computazionali dal comportamento collettivo di un gran numero di semplici elementi d'elaborazione". Le proprietà collettive del modello producono una memoria associativa per il riconoscimento di configurazioni corrotte e il recupero di informazioni mancanti. Inoltre, Hopfield ritiene che ogni sistema fisico possa essere considerato come un potenziale dispositivo di memoria, qualora esso disponga di un certo numero di stati stabili, i quali fungano da attrattore per il sistema stesso. Sulla base di tale considerazione, egli si spinge a formulare la tesi secondo cui la stabilità e la collocazione di tali attrattori sono proprietà spontanee di sistemi costituiti, come accennato, da considerevoli quantità di neuroni reciprocamente interagenti. Le applicazioni delle reti di Hopfield riguardano principalmente la realizzazione di memorie associative, resistenti all'alterazione delle condizioni operative, e la soluzione di problemi d'ottimizzazione combinatoriale. Da un punto di vista strutturale, la rete di Hopfield costituisce una rete neurale ricorrente simmetrica, di cui è garantita la convergenza. Una rete ricorrente è un modello neurale in cui è presente un flusso bidirezionale d'informazioni; in altri termini, mentre nelle reti di tipo feedforward la propagazione dei segnali avviene unicamente, in maniera continua, nella direzione che conduce dagli ingressi alle uscite, nelle reti ricorrenti tale propagazione può anche manifestarsi da uno strato neurale successivo ad uno precedente, oppure tra neuroni appartenenti ad uno stesso strato, e persino tra un neurone e sé stesso. Un significativo e noto esempio di semplice rete ricorrente è dovuto a Jeffrey L. Elman (1990). Essa costituisce una variazione sul tema del percettrone multistrato, con esattamente tre strati e l'aggiunta di un insieme di neuroni "contestuali" nello strato d'ingresso. Le connessioni retroattive si propagano dallo strato intermedio (e nascosto) a tali unità contestuali, alle quali si assegna peso costante e pari all'unità. In ciascun istante, gli ingressi si propagano nel modo tradizionale e tipico delle reti feedforward, compresa l'applicazione dell'algoritmo d'apprendimento (solitamente la "backpropagation"). Le connessioni retroattive fisse hanno come effetto quello di mantenere una copia dei precedenti valori dei neuroni intermedi, dal momento che tale flusso avviene sempre prima della fase d'apprendimento. In questo modo la rete di Elman tiene conto del suo stato precedente, cosa che le consente di svolgere compiti di previsione di sequenze temporali che sono difficilmente alla portata dei percettroni multistrato convenzionali. Infine, un ultimo interessante tipo di rete è costituita dalla cosiddetta mappa auto-organizzante o rete SOM ("Self-Organizing Map"). Tale innovativo tipo di rete neurale è stata elaborata da Teuvo Kohonen dell'Università Tecnologica di Helsinki; il suo algoritmo d'apprendimento è senza dubbio una brillante formulazione di apprendimento non supervisionato, e ha dato luogo a un gran numero di applicazioni nell'ambito dei problemi di classificazione. Una mappa o rete SOM è basata essenzialmente su un reticolo o griglia di neuroni artificiali i cui pesi sono continuamente adattati ai vettori presentati in ingresso nel relativo insieme di addestramento. Tali vettori possono essere di dimensione generica, anche se nella maggior parte delle applicazioni essa è piuttosto alta. Per ciò che riguarda le uscite della rete, al contrario, ci si limita di solito ad una dimensione massima pari a tre, il che consente di dare luogo a mappe 2D o 3D. In termini più analitici, l'algoritmo può essere agevolmente descritto, come accennato, nei termini di un insieme di neuroni artificiali, ciascuno con una precisa collocazione sulla mappa rappresentativa degli "output", che prendono parte ad un processo noto come "winner takes all" ("Il vincitore piglia tutto"), al termine del quale il nodo avente un vettore di pesi più vicino ad un certo "input" è dichiarato vincitore, mentre i pesi stessi sono aggiornati in modo da avvicinarli al vettore in ingresso. Ciascun nodo ha un certo numero di nodi adiacenti. Quando un nodo vince una competizione, anche i pesi dei nodi adiacenti sono modificati, secondo la regola generale che più un nodo è lontano dal nodo vincitore, meno marcata deve essere la variazione dei suoi pesi. Il processo è quindi ripetuto per ogni vettore dell'insieme di "training", per un certo numero, solitamente grande, di cicli. Va da sé che ingressi diversi producono vincitori diversi. Operando in tal modo, la mappa riesce alfine ad associare i nodi d'uscita con i gruppi o schemi ricorrenti nell'insieme dei dati in ingresso. Se questi schemi sono riconoscibili, essi possono essere associati ai corrispondenti nodi della rete addestrata. In maniera analoga a quella della maggioranza delle reti neurali artificiali, anche la mappa o rete SOM può operare in due distinte modalità: In generale una ANN ("Attractor Neural Network") è una rete di nodi (es: biologicamente ispirati), spesso interconnessi in modo ricorsivo, la cui dinamica nel tempo stabilisce un assestamento in un particolare modo di oscillazione. Questo modo di oscillazione può essere stazionario, variante nel tempo o di tipo stocastico ed è chiamato il suo 'attrattore'. In neuroscienza teorica diversi tipi di reti ad attrattori sono state associate a differenti funzioni, come: memoria, attenzione, condotta del moto e classificazione. Più precisamente, una rete ad attrattori è una rete di N nodi connessi in modo che la loro intera dinamica diventi stabile in uno spazio D dimensionale, dove solitamente N»D. Ciò assume che non vi sia più input dall'esterno del sistema. La stabilità nello stato ad attrattore indica l'esistenza di uno stato stabile in una qualche varietà algebrica (es: linea, cerchio, piano, toroide). L'utilità dei modelli di rete neurale sta nel fatto che queste possono essere usate per comprendere una funzione utilizzando solo le osservazioni sui dati. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni in cui la complessità dei dati o la difficoltà di elaborazione rende la progettazione di una tale funzione impraticabile con i normali procedimenti di analisi manuale. I compiti a cui le reti neurali sono applicate possono essere classificate nelle seguenti grandi categorie di applicazioni: Le aree di applicazione includono i sistemi di controllo (controllo di veicoli, controllo di processi), simulatori di giochi e processi decisionali (backgammon, scacchi), riconoscimento di pattern (sistemi radar, identificazione di volti, riconoscimento di oggetti, ecc), riconoscimenti di sequenze (riconoscimento di gesti, riconoscimento vocale, OCR), diagnosi medica, applicazioni finanziarie, data mining, filtri spam per e-mail. Le reti neurali per come sono costruite lavorano in parallelo e sono quindi in grado di trattare molti dati. Si tratta in sostanza di un sofisticato sistema di tipo statistico dotato di una buona immunità al rumore; se alcune unità del sistema dovessero funzionare male, la rete nel suo complesso avrebbe delle riduzioni di prestazioni ma difficilmente andrebbe incontro ad un blocco del sistema. I software di ultima generazione dedicati alle reti neurali richiedono comunque buone conoscenze statistiche; il grado di apparente utilizzabilità immediata non deve trarre in inganno, pur permettendo all'utente di effettuare subito previsioni o classificazioni, seppure con i limiti del caso. Da un punto di vista industriale, risultano efficaci quando si dispone di dati storici che possono essere trattati con gli algoritmi neurali. Ciò è di interesse per la produzione perché permette di estrarre dati e modelli senza effettuare ulteriori prove e sperimentazioni. I modelli prodotti dalle reti neurali, anche se molto efficienti, non sono spiegabili in linguaggio simbolico umano: i risultati vanno accettati "così come sono", da cui anche la definizione inglese delle reti neurali come "black box": in altre parole, a differenza di un sistema algoritmico, dove si può esaminare passo-passo il percorso che dall'input genera l'output, una rete neurale è in grado di generare un risultato valido, o comunque con una alta probabilità di essere accettabile, ma non è possibile spiegare come e perché tale risultato sia stato generato. Come per qualsiasi algoritmo di modellazione, anche le reti neurali sono efficienti solo se le variabili predittive sono scelte con cura. Non sono in grado di trattare in modo efficiente variabili di tipo categorico (per esempio, il nome della città) con molti valori diversi. Necessitano di una fase di addestramento del sistema che fissi i pesi dei singoli neuroni e questa fase può richiedere molto tempo, se il numero dei record e delle variabili analizzate è molto grande. Non esistono teoremi o modelli che permettano di definire la rete ottima, quindi la riuscita di una rete dipende molto dall'esperienza del creatore. Le reti neurali vengono solitamente usate in contesti dove i dati possono essere parzialmente errati oppure dove non esistano modelli analitici in grado di affrontare il problema. Un loro tipico utilizzo è nei software di OCR, nei sistemi di riconoscimento facciale e più in generale nei sistemi che si occupano di trattare dati soggetti a errori o rumore. Esse sono anche uno degli strumenti maggiormente utilizzati nelle analisi di Data mining. Le reti neurali vengono anche utilizzate come mezzo per previsioni nell'analisi finanziaria o meteorologica. Negli ultimi anni è aumentata notevolmente la loro importanza anche nel campo della bioinformatica nel quale vengono utilizzate per la ricerca di pattern funzionali e/o strutturali in proteine e acidi nucleici. Mostrando opportunamente una lunga serie di input (fase di training o apprendimento), la rete è in grado di fornire l'output più probabile. Negli ultimi anni inoltre sono in corso studi per il loro utilizzo nella previsione degli attacchi Epilettici (Analisi dei Dati provenienti dall' EEG). Recenti studi hanno dimostrato buone potenzialità delle reti neurali in sismologia per la localizzazione di epicentri di terremoti e predizione della loro intensità.

Rete neurale artificiale

In informatica un linguaggio di interrogazione (o in inglese query language o data query language DQL) è un linguaggio usato per creare query sui database e sui sistemi informativi da parte degli utenti. Serve per rendere possibile l'estrazione di informazioni dal database, attraverso il relativo DBMS, interrogando la base dei dati e interfacciandosi dunque con l'utente e le sue richieste di servizio. Alcuni esempi di linguaggi di interrogazione sono: IL DQL ("data query language" – linguaggio di interrogazione dei dati) secondo lo standard SQL comprende i comandi per leggere ed elaborare i dati presenti in un database, strutturato secondo il modello relazionale. Questi dati devono essere stati precedentemente inseriti attraverso il Data Manipulation Language (DML) in strutture o tabelle create con il Data Definition Language (DDL), mentre il Data Control Language (DCL) stabilisce se l'utente può accedervi. Col comando "select" abbiamo la possibilità di estrarre i dati, in modo mirato, dal database. dove: Di default il comando "select" agisce con il metodo "all", ma specificando "distinct" è possibile eliminare dai risultati le righe duplicate. La clausola "ORDER BY" serve per ordinare i risultati in base a uno o più campi. "Limit" (o "top", a seconda delle implementazioni) limita il numero delle righe fornite: LIMIT 10 prende le prime 10 righe della mia tabella. È anche possibile scartare un certo numero di righe all'inizio dei risultati aggiungendo un parametro a "LIMIT" o la clausola "OFFSET". L'SQL standard non prevede alcun ordinamento se non si specifica la clausola "ORDER BY", pertanto senza di essa anche "LIMIT" ha un effetto imprevedibile. Un esempio è il seguente: Questa "query" estrae l'elenco di tutti gli utenti maggiorenni ordinando l'output in base al cognome. La definizione di "select" è comunque molto più ampia, prevede molte altre opzioni ma in linea di massima con queste opzioni si compongono la maggior parte delle interrogazioni. l'asterisco permette di includere nella selezione tutte le colonne della tabella "utenti" Con le select è possibile anche eseguire dei calcoli: questo produce dati estratti ma anche dati calcolati. La clausola AS serve per dare un nome alla nuova colonna nella nuova tabella che creerà la select. Molti DBMS supportano la clausola non standard LIMIT, che deve essere posta per ultima e può avere tre forme: "numero_risultati" è il numero delle righe da estrarre. "pos_primo_risultato" è l'indice della prima riga da estrarre. Insieme, possono essere utilizzati per suddividere i risultati in blocchi e leggerli un po' alla volta (per esempio per comodità del DBA, o per la paginazione dei risultati mostrati da una applicazione web). Una forma di select composto tra più tabelle con uno o più campi comuni si ottiene attraverso la clausola Join. Le subquery possono essere inserite ovunque il linguaggio SQL ammetta un'espressione che restituisce un singolo valore e nella clausola FROM. In questo secondo caso, le subquery sono chiamate anche "tabelle derivate" (derived table). Le subquery propriamente dette possono restituire un singolo valore, oppure un insieme di risultati, a seconda dei casi. Un esempio piuttosto semplice è quello in cui si vogliono estrarre da una tabella i valori numerici superiori alla media. Una sola Select non può leggere la media e al contempo i valori che la superano. A questo scopo si avrà una select che legge la media: Questa query verrà inserita nella clausola WHERE della query più esterna; la subquery viene eseguita per prima: Come si vede, da un punto di vista sintattico è necessario porre le subquery tra parentesi. Le tabelle derivate sono un caso particolare di subquery: una Select interna estrae i dati che verranno poi interrogati dalla Select esterna. L'esempio seguente viene utilizzato a scopo didattico, ma non rappresenta un approccio ottimale. Si supponga comunque di voler estrarre i record per i quali il campo mail non è vuoto, scegliendoli tra gli utenti la cui registrazione è stata confermata. Ecco come ottenere questo risultato con una tabella derivata: In realtà le tabelle derivate sono utili laddove non vi sono altri approcci possibili, il che accade quando la query esterna contiene una JOIN.

Linguaggio di interrogazione

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

In statistica per popolazione (o collettivo statistico o aggregato) si intende l'insieme degli elementi che sono oggetto di studio, ovvero l'insieme delle unità (dette "unità statistiche") sulle quali viene effettuata la rilevazione delle modalità con le quali il fenomeno studiato si presenta. Tali unità presentano tutte almeno una caratteristica comune, che viene accuratamente definita al fine di delimitare il loro insieme; ad esempio con "italiani" si può intendere sia le persone di nazionalità italiana, anche se residenti all'estero, sia le persone residenti in Italia, indipendentemente da quale sia la loro nazionalità. Una popolazione statistica va definita anche rispetto al tempo; ad esempio si possono considerare gli italiani che risultano residenti in Italia alle ore 12 di un dato giorno (popolazione definita secondo una caratteristica riferita ad un "istante" di tempo), oppure quelli nati dal 1º gennaio al 31 dicembre di un dato anno (popolazione definita secondo una caratteristica riferita ad un "periodo" di tempo). Una popolazione statistica, peraltro, non è sempre un insieme biologico; costituisce una popolazione anche l'insieme delle lampadine prodotte da un'azienda in un dato periodo di tempo, l'insieme delle nazioni del continente europeo in un dato anno o l'insieme degli anni di un dato secolo. I collettivi statistici, o popolazioni, possono essere distinti in: oppure in: o ancora tra:

Popolazione statistica

Il DBSCAN ("Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise") è un metodo di clustering proposto nel 1996 da Martin Ester, Hans-Peter Kriegel, Jörg Sander and Xiaowei Xu. È basato sulla densità perché connette regioni di punti con densità sufficientemente alta. DBSCAN è l'algoritmo più comunemente usato ed è anche il più citato nella letteratura scientifica. DBSCAN usa una definizione di cluster basata sulla nozione di "density-reachability". Un punto formula_1 è direttamente raggiungibile da un punto formula_2 se la loro distanza è minore di un assegnato formula_3 (cioè, è parte del suo formula_3-vicinato) e se formula_2 è circondato da un sufficiente numero di punti, allora formula_2 e formula_1 possono essere considerati parti di un cluster. Il punto formula_1 è "density-reachable" da formula_2 se c'è una sequenza formula_10 di punti con formula_11 e formula_12 dove ogni formula_13 è density-reachable direttamente da formula_14. Si osservi che la relazione density-reachable non è simmetrica dato che formula_1 potrebbe situarsi su una periferia del cluster, avendo un numero insufficiente di vicini per considerarlo un elemento genuino del cluster. Di conseguenza la nozione "density-connected" diventa: due punti formula_2 e formula_1 sono density-connected se c'è un punto formula_18 tale che sia formula_18 e formula_2 sia formula_18 e formula_1 sono density-reachable. Un cluster, che è un sotto-insieme dei punti del database, soddisfa due proprietà: DBSCAN necessita di due parametri: formula_3 (eps) e del numero minimo di punti richiesti per formare un cluster (minPts). Si comincia con un punto casuale che non è stato ancora visitato. Viene calcolato il suo formula_3-vicinato e se contiene un numero sufficiente di punti viene creato un nuovo cluster. Se ciò non avviene il punto viene etichettato come rumore e successivamente potrebbe essere ritrovato in un formula_3-vicinato sufficientemente grande riconducibile ad un punto differente entrando a far parte di un cluster. Se un punto è associato ad un cluster anche i punti del suo formula_3-vicinato sono parte del cluster. Conseguentemente tutti i punti trovati all'interno del suo formula_3-vicinato sono aggiunti al cluster, così come i loro formula_3-vicinati. Questo processo continua fino a quando il cluster viene completato. Il processo continua fino a quando non sono stati visitati tutti i punti. DBSCAN(D, eps, MinPts) DBSCAN visita ogni punto del database, anche più volte nel caso di punti candidati a cluster differenti. Tuttavia per considerazioni pratiche la complessità temporale è per lo più governata dal numero di invocazioni a getVicini, in riferimento allo pseudo codice di cui sopra. DBSCAN esegue esattamente una invocazione per ogni punto e se viene utilizzata una struttura indicizzata che esegue un'interrogazione del vicinato in formula_29, si ottiene un tempo globale di esecuzione pari a formula_30. Senza l'uso di strutture indicizzate, il tempo di esecuzione è pari a formula_31. Spesso la matrice delle distanze di dimensione formula_32 viene creata per evitare appunto il ricalcolo delle distanze riducendo il tempo di elaborazione a spese della memoria utilizzata pari a formula_31. DBSCAN presenta i seguenti vantaggi: Il rilevamento del vicinato più vicino avviene nella funzione getVicini(P,epsilon). Per ogni punto P vengono determinati tutti gli altri punti che sono all'interno dell'intervallo epsilon, basandosi sulla funzione della distanza usata nell'algoritmo. L'analisi richiede che sia calcolata una matrice delle distanze per l'intero data set. La generazione della matrice delle distanze ha una complessità di formula_34dato che è necessaria solo una matrice triangolare superiore. All'interno della matrice delle distanze il vicinato più vicino può essere calcolato selezionando la tupla che ha come valori il minimo delle funzioni su riga e colonna. La ricerca ha spinto il rilevamento del vicinato, nei database tradizionali, per migliorare la velocità. Questi ultimi risolvono il problema utilizzando indici specificamente progettati per questo tipo di applicazioni. Ogni processo di data mining ha il problema dei parametri. Ogni parametro influenza l'algoritmo in modo specifico. Per il DBSCAN i parametri epsilon e MinPnts sono necessari. I parametri devono essere specificati dall'utente dato che ogni data set richiede parametri differenti. Un valore iniziale per formula_3 può essere determinato come un k-distance graph. Come per le regole del pollice, formula_36 può essere derivato dal numero di dimensioni nel data set formula_37 come formula_38. Tuttavia valori maggiori sono usualmente migliori per data set con rumore. Anche se questa stima dei parametri restituisce un insieme sufficiente di parametri, la classificazione risultante può rivelarsi diversa da ciò che si aspetta, pertanto la ricerca ha realizzato un'incrementale ottimizzazione dei parametri su particolari valori. Per ogni oggetto vengono trovati i vicini che ricadono in un raggio dato come parametro in ingresso; se il numero di questi vicini è superiore ad un fattore di soglia, anch'esso fornito in input all'algoritmo, allora questi punti fanno parte del medesimo cluster di quello dell'oggetto che si sta osservando e in questo caso il punto è denominato core point. Al termine dell'algoritmo ci potrebbero essere alcuni punti non appartenenti a cluster catalogati come "rumore". Se c'è una catena di oggetti da attraversare (con i consueti vincoli) per raggiungere un punto "q" da uno "p", allora "q" sarà detto semplicemente rintracciabile. Ultimo caso è quello in cui due oggetti "p" e "q" sono detti connessi: per essere definiti in tal modo, deve esistere un terzo punto "o", per cui "p" e "q" sono entrambi rintracciabili.

Dbscan

è un termine utilizzato in statistica per definire, in un insieme di osservazioni, un valore anomalo e aberrante. Un valore quindi chiaramente distante dalle altre osservazioni disponibili. In statistica viene definito outlier un valore al di fuori dall'intervallo: Dove formula_2 e formula_3 sono rispettivamente primo e terzo quartile. formula_4 è una costante che regola l'ampiezza dell'intervallo. Normalmente assume il valore unitario. Gli outlier sono valori numericamente distanti dal resto dei dati raccolti (ad esempio, in un campionamento). Le statistiche che derivano da campioni contenenti outlier possono essere fuorvianti. Per esempio, se misurassimo la temperatura di dieci oggetti presenti in una stanza, la maggior parte dei quali risultasse avere una temperatura compresa fra 20 e 25 gradi Celsius, allora il forno acceso, avente una temperatura di 350 gradi, sarebbe un dato aberrante. La mediana dei valori sarebbe circa 23, mentre la temperatura media salirebbe a circa 55 gradi: un indice chiaramente non rappresentativo della maggioranza dei valori di temperatura riscontrati nella stanza. In questo caso, la mediana rifletterebbe meglio della media aritmetica le misure della temperatura degli oggetti. Gli outliers possono essere indicativi del fatto che, in un dato campione, alcuni dati appartengono ad una popolazione differente rispetto a quella del resto del campione. Nella maggioranza dei grandi campioni, alcuni dati saranno più lontani dalla media del campione di quanto sarebbe logico aspettarsi. Ciò può essere dovuto ad un errore sistematico che si è verificato nella raccolta dei dati, oppure a una fallacia nella teoria che ha orientato l'assunzione di una data distribuzione campionaria di probabilità, ma potrebbe anche essere semplicemente dovuto al caso, che ha fatto sì che nella raccolta dei dati alcune osservazioni abbiano prodotto dati molto lontani dai valori medi del campione. Inoltre, gli outliers potrebbero essere indicativi di dati errati, procedure erronee o aree sperimentali in cui alcune teorie potrebbero non essere valide. Tuttavia, un piccolo numero di dati aberranti non dovuti a condizioni anomale è dato per scontato nei grandi campioni. Stimatori poco influenzati dai dati aberranti sono detti robusti.

Outlier

In informatica e in data mining, l'algoritmo Apriori è un classico algoritmo di ricerca delle associazioni. È utilizzato per la generazione degli itemset frequenti, per approssimazioni successive, a partire dagli itemset con un solo elemento. In sintesi, il presupposto teorico su cui si basa l'algoritmo parte dalla considerazione che se un insieme di oggetti (itemset) è frequente, allora anche tutti i suoi sottoinsiemi sono frequenti, ma se un itemset non è frequente, allora neanche gli insiemi che lo contengono sono frequenti (principio di anti-monotonicità). Un ambito dove questo algoritmo trova grande applicabilità è il "market/basket problem". Per ricavare le associazioni viene impiegato un approccio "bottom up", dove i sottoinsiemi frequenti sono costruiti aggiungendo un item per volta (generazione dei candidati); i gruppi di candidati sono successivamente verificati sui dati e l'algoritmo termina quando non ci sono ulteriori estensioni possibili. In questo processo, il numero delle iterazioni è formula_1, dove formula_2 indica la cardinalità massima di un itemset frequente. Vi sono altri algoritmi con finalità analoghe (Winepi e Minepi), e che tuttavia sono più diffusi in ambiti dove i dati sono privi di timestamp (ad esempio le sequenze di DNA). Apriori, anche se storicamente significativo, soffre di alcune inefficienze. In particolare, la generazione dei candidati crea molti sottoinsiemi. Nel processo vengono individuati i sottoinsiemi significativi solo dopo aver trovato tutti i formula_3 sottoinsiemi propri, dove S è il gruppo di elementi specifico (Supporto) in cui un particolare sottoinsieme di oggetti compare. I passi dell'algoritmo per trovare gli insiemi frequenti formula_4 nel Database formula_5: dove formula_7 è il candidato itemset di grandezza formula_12 e dove inoltre formula_13 è l'itemset frequente di grandezza formula_12 Questo esempio mostra il processo di selezione ovvero generazione di una lista ordinata di itemset candidati. Il compito consiste nella costruzione di un insieme ordinato di formula_12 nodi, in modo seriale, a partire da itemset di grandezza formula_16. Ad esempio, con formula_17, supponiamo che ci siano due di tali insiemi di grandezza formula_16 e ebbene i due itemset candidati generati saranno e "Apriori" formula_23

Algoritmo apriori

In teoria della probabilità la probabilità condizionata di un evento "A" rispetto a un evento "B" è la probabilità che si verifichi "A", sapendo che "B" è verificato. Questa probabilità, indicata formula_1 o formula_2, esprime una "correzione" delle aspettative per "A", dettata dall'osservazione di "B". Poiché, come si vedrà nella successiva definizione, formula_3 compare al denominatore, formula_1 ha senso solo se "B" ha una probabilità non nulla di verificarsi. È utile osservare che la notazione con il simbolo "Barra verticale" è comune con la definizione del connettivo logico NAND. Per esempio, la probabilità di ottenere "4" con il lancio di un dado a sei facce (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa Si consideri questo secondo esempio, la probabilità di ottenere "1" con il lancio di un comune dado (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa La probabilità di "A" condizionata da "B" è dove formula_8 è la probabilità congiunta dei due eventi, ovvero la probabilità che si verifichino entrambi. In termini più rigorosi, dato uno spazio misurabile formula_9 di misura "P", ogni evento "B" eredita una struttura di spazio misurato formula_10, restringendo gli insiemi misurabili a quelli contenuti in "B", ed induce una nuova misura formula_11 su formula_9, con formula_13. Se formula_14 è uno spazio probabilizzato (formula_15) e "B" non è trascurabile (formula_16), allora riscalando formula_17 a formula_18 si ottiene lo spazio probabilizzato formula_19 delle probabilità condizionate da "B". La formula della probabilità condizionata permette di descrivere la probabilità congiunta come Ovvero, la probabilità che si verifichino sia "A" sia "B" è pari alla probabilità che si verifichi "B" moltiplicata per la probabilità che si verifichi "A" supponendo che "B" sia verificato. Due eventi "A" e "B" sono indipendenti quando vale una delle tre equazioni equivalenti Per trovare la probabilità dell'evento a destra negato si può usare la seguente formula: formula_24. Se "A" e "B" sono eventi disgiunti, cioè se formula_25, le loro probabilità condizionate sono nulle: sapendo che uno dei due eventi si è verificato, è impossibile che si sia verificato "anche" l'altro. Se l'evento "A" implica l'evento "B", cioè se formula_26, allora la loro intersezione è "A", per cui formula_27 e: Nel caso di una misura di probabilità uniforme su uno spazio Ω finito, questa formula per "P(A|B)" esprime la definizione classica di probabilità come "casi favorevoli ("A") su casi possibili ("B")". Invece, per "P(B|A)" otteniamo il valore 1 che, per un numero finito di valori lo stesso Bayes interpretò in senso lato come la certezza che il tutto sia condizionato dalla parte. La speranza condizionata formula_30 di una variabile aleatoria "X" ad un evento "B" è la speranza di "X" calcolata sulle probabilità formula_31 (condizionate da "B"). La probabilità di un evento "A" può essere condizionata da una variabile aleatoria discreta "X", originando una nuova variabile aleatoria, formula_32, che per "X=x" assume il valore formula_33. Il teorema di Bayes esprime l'uguaglianza simmetrica formula_34 del teorema della probabilità composta come Questo teorema è alla base dell'inferenza bayesiana in statistica, dove "P" è detta "probabilità "a priori" di "B"" e "P" "probabilità "a posteriori" di "B"". Molti paradossi sono legati alla probabilità condizionata e derivano sia da un'errata formulazione del problema sia dalla confusione di "P(A|B)" con "P(A)" o con "P(B|A)". Esempi particolari sono il paradosso delle due buste, il paradosso dei due bambini, il problema di Monty Hall e il paradosso di Simpson.

Probabilità condizionata

è un termine utilizzato in statistica per definire, in un insieme di osservazioni, un valore anomalo e aberrante. Un valore quindi chiaramente distante dalle altre osservazioni disponibili. In statistica viene definito outlier un valore al di fuori dall'intervallo: Dove formula_2 e formula_3 sono rispettivamente primo e terzo quartile. formula_4 è una costante che regola l'ampiezza dell'intervallo. Normalmente assume il valore unitario. Gli outlier sono valori numericamente distanti dal resto dei dati raccolti (ad esempio, in un campionamento). Le statistiche che derivano da campioni contenenti outlier possono essere fuorvianti. Per esempio, se misurassimo la temperatura di dieci oggetti presenti in una stanza, la maggior parte dei quali risultasse avere una temperatura compresa fra 20 e 25 gradi Celsius, allora il forno acceso, avente una temperatura di 350 gradi, sarebbe un dato aberrante. La mediana dei valori sarebbe circa 23, mentre la temperatura media salirebbe a circa 55 gradi: un indice chiaramente non rappresentativo della maggioranza dei valori di temperatura riscontrati nella stanza. In questo caso, la mediana rifletterebbe meglio della media aritmetica le misure della temperatura degli oggetti. Gli outliers possono essere indicativi del fatto che, in un dato campione, alcuni dati appartengono ad una popolazione differente rispetto a quella del resto del campione. Nella maggioranza dei grandi campioni, alcuni dati saranno più lontani dalla media del campione di quanto sarebbe logico aspettarsi. Ciò può essere dovuto ad un errore sistematico che si è verificato nella raccolta dei dati, oppure a una fallacia nella teoria che ha orientato l'assunzione di una data distribuzione campionaria di probabilità, ma potrebbe anche essere semplicemente dovuto al caso, che ha fatto sì che nella raccolta dei dati alcune osservazioni abbiano prodotto dati molto lontani dai valori medi del campione. Inoltre, gli outliers potrebbero essere indicativi di dati errati, procedure erronee o aree sperimentali in cui alcune teorie potrebbero non essere valide. Tuttavia, un piccolo numero di dati aberranti non dovuti a condizioni anomale è dato per scontato nei grandi campioni. Stimatori poco influenzati dai dati aberranti sono detti robusti.

Outlier

è un algoritmo di clustering partizionale correlato all'algoritmo K-means. Prevede in input un insieme di n oggetti e un numero k che determina quanti cluster si vogliono in output. Entrambi gli algoritmi sono partizionali (suddividendo il dataset in gruppi) ed entrambi cercano di minimizzare l'errore quadratico medio, la distanza tra punti di un cluster e il punto designato per esserne il centro. In K-means il punto è "artificiale" — è la pura media di tutti i punti nel cluster. Nel K-medoids è usato il punto collocato più centralmente, in questo modo il centro è uno dei datapoint attuali. K-medoids è più robusto al rumore e agli outlier rispetto al k-means. Un medoid può essere definito come un oggetto di un cluster la cui dissimilarità media rispetto a tutti gli oggetti nel cluster è minima, in questo modo esso sarà il punto più centrale di un dato dataset. L'algoritmo di clustering è il seguente: Si deve clusterizzare il seguente data set di 10 oggetti in 2 cluster, quindi n è 10 e k è 2: Si inizializzano i k centri. Assumiamo che C1=(3,4) e C2=(7,4) siano i nostri medoid iniziali. Calcoliamo la distanza così da associare ogni data object al suo medoid più vicino. Iniziamo quindi il clustering: Essendo (3,4) (2,6) (3,8) e (4,7) punti vicini a c1 essi formeranno un cluster mentre i punti rimanenti ne formeranno un altro. Il costo totale sarà 20. Il costo tra 2 punti qualsiasi è trovato usando la formula formula_1 Il costo totale è la somma dei costi per gli oggetti dal proprio medoid. Costo totale= {cost((3,4),(2,6)) + cost((3,4),(3,8)) + cost((3,4),(4,7))} + {cost((7,4),(6,2)) + cost((7,4),(6,4)) + cost((7,4),(7,3)) + cost((7,4),(8,5)) + cost((7,4),(7,6))} = 3 + 4 + 4 + 3 + 1 + 1 + 2 + 2 = 20 Selezione di un nonmedoid O' in modo casuale. Assumiamo O'=(7,3) I medoid sono quindi c1(3,4) e O'(7,3). Se c1 e O' sono nuovi medoid, si calcola il costo totale usando la formula al passo 1. Costo totale = 3 + 4 + 4 + 2 + 2 + 1 + 3 + 3 = 22 Così il costo per cambiare il medoid da c2 a O' sarà: S = Costo totale attuale – Costo totale precedente = 22 - 20 = 2 > 0 Quindi cambiare medoid in O' non è una buona idea, la scelta precedente è stata buona e l'algoritmo termina in questo punto (in quanto non ci sono cambiamenti per i medoid). Può accadere che qualche data point possa migrare da un cluster ad un altro, ciò dipende dalla vicinanza rispetto al nuovo medoid scelto.

K-medoids

statistica, quando si stima un parametro, la semplice individuazione di un singolo valore è spesso non sufficiente. È opportuno allora accompagnare la stima di un parametro con un intervallo di valori plausibili per quel parametro, che viene definito intervallo di confidenza (o intervallo di fiducia). Se formula_1 e formula_2 sono variabili casuali con distribuzioni di probabilità che dipendono da qualche parametro formula_3 e formula_4 (dove formula_5 è un numero tra 0 e 1), allora l'intervallo casuale formula_6 è un intervallo di confidenza al formula_7 per formula_8. I valori estremi dell'intervallo di confidenza si chiamano "limiti di confidenza". Ad esso si associa quindi un valore di probabilità cumulativa che caratterizza, indirettamente in termini di probabilità, la sua ampiezza rispetto ai valori massimi assumibili dalla variabile aleatoria misurando cioè la probabilità che l'evento casuale descritto dalla variabile aleatoria in oggetto cada all'interno di tale intervallo, graficamente pari all'area sottesa dalla curva di distribuzione di probabilità della variabile aleatoria nell'intervallo considerato. È bene non confondere l'intervallo di confidenza con la probabilità. Data l'espressione "vi è un livello di confidenza del 95% che formula_9 sia nell'intervallo", nulla si può dire sulla probabilità che l'intervallo ottenuto contenga formula_10 Si ipotizzi di voler calcolare l'età media degli abitanti di un luogo. Supponiamo che non si conosca l'età per ogni singolo abitante. Viene allora estratto un campione casuale di abitanti di cui è possibile sapere l'età, e dal campione si tenta di inferire ("predire") l'età media per tutta la popolazione residente e la variabilità di tale dato. Questo può essere fatto calcolando, ad esempio, l'età media delle persone presenti nel campione e ipotizzando che questo valore coincida con l'età media di tutta la popolazione inclusa quella non scelta nel campione. In questo caso si è fatta una "stima puntuale". Alternativamente, a partire dalle età delle persone nel campione, si può calcolare un intervallo di valori entro il quale si ritenga ci sia il valore della media di tutta la popolazione e, se la procedura è fatta in modo rigoroso e statisticamente corretto, è possibile stabilire un valore di "confidenza" di quanto sia "credibile" che l'intervallo ottenuto contenga effettivamente il valore cercato. In questo caso si è fatta una "stima per intervalli" e l'intervallo ottenuto è detto "intervallo di confidenza". Riassumendo: la stima puntuale fornisce un valore singolo che varia a seconda del campione, e difficilmente coincide con il valore vero della popolazione; la stima per intervalli fornisce un insieme di valori (intervallo) che con una certa "confidenza" contiene il valore vero della popolazione. Se formula_11 è una variabile aleatoria di media formula_9 e varianza formula_13 con formula_14 si indica la variabile campionaria corrispondente che ha media aritmetica degli formula_15 dati osservati nel campione e deviazione standard Il livello di confidenza è fissato dal ricercatore. Il valore scelto più di frequente è 95%. Tuttavia, meno di frequente, viene scelto anche un livello di confidenza del 90%, oppure del 99%. Se il valore di formula_18 non differisce molto dalla variabilità formula_19 della popolazione, può essere assunto come suo stimatore (ad esempio con un numero di soggetti osservati e replicazioni complessivamente maggiore di 60; in alternativa si ipotizza una distribuzione t di Student caratterizzata da una maggiore dispersione rispetto alla normale standard). In questa prima ipotesi, l'intervallo di confidenza per la media formula_9 ("vera media", della popolazione) al 99% (al livello formula_21), è dato da: Al 95% è dato da: Prima della diffusione dei computer si cercava di utilizzare l’approssimazione normale ogni qualvolta possibile. Adesso non è più strettamente necessario, e nella formula possono essere utilizzati percentili di altre distribuzioni, facendo rifierimento a campioni di dimensione più ridotta). Dalle formule risulta che i due intervalli di confidenza possono essere scritti in funzione dei "soli dati campionari" formula_24. Oltre a diminuire con il livello di confidenza, l'ampiezza dell'intervallo dipende dall'errore della stima formula_25 e diminuisce se: Qualora la popolazione non segua il modello gaussiano, se il campione è grande a sufficienza, la variabile campionaria tende a seguire comunque una legge normale (teorema centrale del limite). In altre parole, le due formule precedenti per l'intervallo di confidenza si possono usare anche nel caso in cui non è nota la sua legge di probabilità. Il livello di confidenza o copertura è il complemento a uno del livello di significatività formula_27: ad esempio, un intervallo di confidenza al formula_28 corrisponde a un livello di significatività di formula_29. Gli intervalli di confidenza sono spesso confusi con altri concetti della statistica, e talora oggetto di errate interpretazioni anche da parte di ricercatori professionisti. Alcuni errori comuni: Gli intervalli di confidenza furono introdotti da Jerzy Neyman in un articolo pubblicato nel 1937. C'è un metodo agevole per il calcolo degli intervalli di confidenza attraverso il test di verifica d'ipotesi (secondo l'impostazione di Neyman). Un intervallo di confidenza al 95% si può quindi ricavare da un test di verifica d'ipotesi di significatività 5%.

Intervallo di confidenza

L'analisi della regressione è una tecnica usata per analizzare una serie di dati che consistono in una variabile dipendente e una o più variabili indipendenti. Lo scopo è stimare un'eventuale relazione funzionale esistente tra la variabile dipendente e le variabili indipendenti. La variabile dipendente nell'"equazione di regressione" è una funzione delle variabili indipendenti più un "termine d'errore". Quest'ultimo è una variabile casuale e rappresenta una variazione non controllabile e imprevedibile nella variabile dipendente. I parametri sono stimati in modo da descrivere al meglio i dati. Il metodo più comunemente utilizzato per ottenere le migliori stime è il metodo dei "minimi quadrati" (OLS), ma sono utilizzati anche altri metodi. Il "data modeling" può essere usato senza alcuna conoscenza dei processi sottostanti che hanno generato i dati; in questo caso il modello è un modello empirico. Inoltre, nella modellizzazione, non è richiesta la conoscenza della distribuzione di probabilità degli errori. L'analisi della regressione richiede ipotesi riguardanti la distribuzione di probabilità degli errori. Test statistici vengono effettuati sulla base di tali ipotesi. Nell'analisi della regressione il termine "modello" comprende sia la funzione usata per modellare i dati che le assunzioni concernenti la distribuzione di probabilità. L'analisi della regressione può essere usata per effettuare previsioni (ad esempio per prevedere dati futuri di una serie temporale), inferenza statistica, per testare ipotesi o per modellare delle relazioni di dipendenza. Questi usi della regressione dipendono fortemente dal fatto che le assunzioni di partenza siano verificate. L'uso dell'analisi della regressione è stato criticato in diversi casi in cui le ipotesi di partenza non possono essere verificate. Un fattore che contribuisce all'uso improprio della regressione è che richiede più competenze per criticare un modello che per adattarlo. La prima forma di regressione fu il metodo dei minimi quadrati, pubblicato da Legendre nel 1805, e da Gauss nel 1809. Il termine “minimi quadrati” deriva da quello usato da Legendre: "moindres carrés". Tuttavia, Gauss affermò di essere a conoscenza di questo metodo fin dal 1795. Legendre e Gauss applicarono entrambi il metodo al problema di determinare, a partire da osservazioni astronomiche, l'orbita dei pianeti attorno al Sole. Eulero aveva lavorato sullo stesso problema intorno al 1748, ma senza successo. Gauss pubblicò un ulteriore sviluppo della teoria dei minimi quadrati nel 1821, includendo una versione del teorema di Gauss-Markov. Il termine "regressione" venne coniato nel diciannovesimo secolo per descrivere un fenomeno biologico, ovvero che la progenie di individui eccezionali tende in genere ad essere meno eccezionale dei propri genitori e più simile ai loro avi più distanti. Francis Galton, un cugino di Charles Darwin, studiò questo fenomeno e applicò il termine vagamente fuorviante di "regressione verso il centro/regressione verso la media". Per Galton, la regressione aveva solo questo significato biologico, ma il suo lavoro venne in seguito esteso da Udny Yule e Karl Pearson in un contesto statistico più generale. Oggi il termine "regressione" è spesso sinonimo di "curva intercetta dei minimi quadrati". Queste condizioni sono sufficienti (ma non tutte necessarie) perché lo stimatore dei minimi quadrati goda di buone proprietà. In particolare queste assunzioni implicano che lo stimatore sia non distorto, consistente ed efficiente nella classe degli stimatori lineari non distorti. Molte di queste assunzioni possono essere rilassate in analisi più avanzate. Nella regressione lineare, il modello assume che la variabile dipendente, formula_1 sia una combinazione lineare dei "parametri" (ma non è necessario che sia lineare nella "variabile indipendente"). Ad esempio, nella regressione lineare semplice con formula_2 osservazioni ci sono una variabile indipendente: formula_3, e due parametri, formula_4 e formula_5: Nella regressione lineare multipla, ci sono più variabili indipendenti o funzioni di variabili indipendenti. Ad esempio, aggiungendo un termine in formula_7 alla regressione precedente si ottiene: Si tratta ancora di una regressione lineare: sebbene l'espressione sulla destra sia quadratica nella variabile indipendente formula_3, è comunque lineare nei parametri formula_4, formula_5 e formula_12 In entrambi i casi, formula_13 è un termine di errore e l'indice formula_14 identifica una particolare osservazione. Dato un campione casuale della popolazione, stimiamo i parametri della popolazione e otteniamo il modello di regressione lineare semplice: Il termine formula_16 è il residuo, formula_17. Un metodo di stima è quello dei minimi quadrati ordinari. Questo metodo ottiene le stime dei parametri che minimizzano la somma dei quadrati dei residui, SSE: La minimizzazione di questa funzione risulta essere un sistema di equazioni normali, un insieme di equazioni lineari simultanee nei parametri, che vengono risolte per trovare le stime dei parametri, formula_19. Vedi coefficienti di regressione per informazioni sulle proprietà statistiche di tali stimatori. Nel caso della regressione semplice, le formule per le stime dei minimi quadrati sono dove formula_22 è la media (media) dei valori formula_23 e formula_24 è la media dei valori formula_25. Sotto l'ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia una varianza costante, la stima di quella varianza è data da: formula_26 Questo è la radice dell'errore quadratico medio (RMSE) della regressione. Gli errori standard delle stime dei parametri sono dati da Sotto l'ulteriore ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia distribuzione normale, il ricercatore può usare questi errori standard stimati per creare intervalli di confidenza e condurre test d'ipotesi sui parametri della popolazione. Nel più generale modello di regressione multipla, ci sono formula_29 variabili indipendenti: Le stime dei parametri dei minimi quadrati sono ottenute da formula_29 equazioni normali. Il residuo può essere scritto come Le equazioni normali sono In notazione matriciale, le equazioni normali sono scritte come Una volta costruito un modello di regressione, è importante confermare la bontà di adattamento del modello e la significatività statistica dei parametri stimati. I controlli della bontà di adattamento comunemente usati includono l'indice R-quadro, analisi dei residui e test di ipotesi. La significatività statistica è verificata con un test F dell'adattamento globale, seguito da t-test per ogni singolo parametro. L'interpretazione di questi test dipende fortemente dalle assunzioni sul modello. Nonostante l'analisi dei residui sia usata per determinare la bontà di un modello, i risultati dei test-T e dei test-F sono difficili da interpretare nel caso in cui le assunzioni di partenza non siano soddisfatte. Ad esempio, se la distribuzione degli errori non è normale, può accadere che in campioni di numerosità ridotta le stime dei parametri non seguano una distribuzione normale, cosa che complica l'inferenza. Per grandi campioni, il teorema del limite centrale permette di effettuare i test usando un'approssimazione asintotica delle distribuzioni. La variabile risposta può essere non continua. Per le variabili binarie (zero/uno), si può procedere con un particolare tipo di modello lineare linear probability model. Se si usa un modello non-lineare i modelli più utilizzati sono il probit e il modello logit. Il modello probit multivariato rende possibile stimare congiuntamente la relazione tra più variabili binarie dipendenti e alcune variabili indipendenti. Per variabili categoriche con più di due valori si utilizza il modello logit multinomiale. Per variabili ordinali con più di due valori, si utilizzano i modelli logit cumulativo e probit cumulativo. Un'alternativa a tali procedure è la regressione lineare basata su polychoric o polyserial correlazioni tra le variabili categoriche. Tali procedure differiscono nelle ipotesi fatte sulla distribuzione delle variabili nella popolazione. Se la variabile rappresenta una ripetizione di un evento nel tempo, è positiva e con poche realizzazioni ("eventi rari"), si possono utilizzare modelli di Poisson o binomiale negativa. I modelli di regressione predicono una variabile formula_25 partendo dai valori di altre variabili formula_23. Se i valori della previsione sono compresi nell'intervallo dei valori delle variabili formula_23 utilizzate per la costruzione del modello si parla di interpolazione. Se i valori escono dal range delle variabili esplicative si parla di estrapolazione. In questo caso la previsione diventa più rischiosa. Quando la funzione del modello non è lineare nei parametri la somma dei quadrati deve essere minimizzata da una procedura iterativa. Sebbene i parametri di un modello di regressione siano di solito stimati usando il metodo dei minimi quadrati, altri metodi includono: Tutti i principali pacchetti statistici eseguono i tipi comuni di analisi di regressione correttamente e in modo semplice. La regressione lineare semplice può essere fatta in alcuni fogli elettronici. C'è una quantità di programmi che esegue forme specializzate di regressione, e gli esperti possono scegliere di scrivere il loro proprio codice per usare o software per analisi numerica.

Analisi della regressione

L'analisi della regressione è una tecnica usata per analizzare una serie di dati che consistono in una variabile dipendente e una o più variabili indipendenti. Lo scopo è stimare un'eventuale relazione funzionale esistente tra la variabile dipendente e le variabili indipendenti. La variabile dipendente nell'"equazione di regressione" è una funzione delle variabili indipendenti più un "termine d'errore". Quest'ultimo è una variabile casuale e rappresenta una variazione non controllabile e imprevedibile nella variabile dipendente. I parametri sono stimati in modo da descrivere al meglio i dati. Il metodo più comunemente utilizzato per ottenere le migliori stime è il metodo dei "minimi quadrati" (OLS), ma sono utilizzati anche altri metodi. Il "data modeling" può essere usato senza alcuna conoscenza dei processi sottostanti che hanno generato i dati; in questo caso il modello è un modello empirico. Inoltre, nella modellizzazione, non è richiesta la conoscenza della distribuzione di probabilità degli errori. L'analisi della regressione richiede ipotesi riguardanti la distribuzione di probabilità degli errori. Test statistici vengono effettuati sulla base di tali ipotesi. Nell'analisi della regressione il termine "modello" comprende sia la funzione usata per modellare i dati che le assunzioni concernenti la distribuzione di probabilità. L'analisi della regressione può essere usata per effettuare previsioni (ad esempio per prevedere dati futuri di una serie temporale), inferenza statistica, per testare ipotesi o per modellare delle relazioni di dipendenza. Questi usi della regressione dipendono fortemente dal fatto che le assunzioni di partenza siano verificate. L'uso dell'analisi della regressione è stato criticato in diversi casi in cui le ipotesi di partenza non possono essere verificate. Un fattore che contribuisce all'uso improprio della regressione è che richiede più competenze per criticare un modello che per adattarlo. La prima forma di regressione fu il metodo dei minimi quadrati, pubblicato da Legendre nel 1805, e da Gauss nel 1809. Il termine “minimi quadrati” deriva da quello usato da Legendre: "moindres carrés". Tuttavia, Gauss affermò di essere a conoscenza di questo metodo fin dal 1795. Legendre e Gauss applicarono entrambi il metodo al problema di determinare, a partire da osservazioni astronomiche, l'orbita dei pianeti attorno al Sole. Eulero aveva lavorato sullo stesso problema intorno al 1748, ma senza successo. Gauss pubblicò un ulteriore sviluppo della teoria dei minimi quadrati nel 1821, includendo una versione del teorema di Gauss-Markov. Il termine "regressione" venne coniato nel diciannovesimo secolo per descrivere un fenomeno biologico, ovvero che la progenie di individui eccezionali tende in genere ad essere meno eccezionale dei propri genitori e più simile ai loro avi più distanti. Francis Galton, un cugino di Charles Darwin, studiò questo fenomeno e applicò il termine vagamente fuorviante di "regressione verso il centro/regressione verso la media". Per Galton, la regressione aveva solo questo significato biologico, ma il suo lavoro venne in seguito esteso da Udny Yule e Karl Pearson in un contesto statistico più generale. Oggi il termine "regressione" è spesso sinonimo di "curva intercetta dei minimi quadrati". Queste condizioni sono sufficienti (ma non tutte necessarie) perché lo stimatore dei minimi quadrati goda di buone proprietà. In particolare queste assunzioni implicano che lo stimatore sia non distorto, consistente ed efficiente nella classe degli stimatori lineari non distorti. Molte di queste assunzioni possono essere rilassate in analisi più avanzate. Nella regressione lineare, il modello assume che la variabile dipendente, formula_1 sia una combinazione lineare dei "parametri" (ma non è necessario che sia lineare nella "variabile indipendente"). Ad esempio, nella regressione lineare semplice con formula_2 osservazioni ci sono una variabile indipendente: formula_3, e due parametri, formula_4 e formula_5: Nella regressione lineare multipla, ci sono più variabili indipendenti o funzioni di variabili indipendenti. Ad esempio, aggiungendo un termine in formula_7 alla regressione precedente si ottiene: Si tratta ancora di una regressione lineare: sebbene l'espressione sulla destra sia quadratica nella variabile indipendente formula_3, è comunque lineare nei parametri formula_4, formula_5 e formula_12 In entrambi i casi, formula_13 è un termine di errore e l'indice formula_14 identifica una particolare osservazione. Dato un campione casuale della popolazione, stimiamo i parametri della popolazione e otteniamo il modello di regressione lineare semplice: Il termine formula_16 è il residuo, formula_17. Un metodo di stima è quello dei minimi quadrati ordinari. Questo metodo ottiene le stime dei parametri che minimizzano la somma dei quadrati dei residui, SSE: La minimizzazione di questa funzione risulta essere un sistema di equazioni normali, un insieme di equazioni lineari simultanee nei parametri, che vengono risolte per trovare le stime dei parametri, formula_19. Vedi coefficienti di regressione per informazioni sulle proprietà statistiche di tali stimatori. Nel caso della regressione semplice, le formule per le stime dei minimi quadrati sono dove formula_22 è la media (media) dei valori formula_23 e formula_24 è la media dei valori formula_25. Sotto l'ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia una varianza costante, la stima di quella varianza è data da: formula_26 Questo è la radice dell'errore quadratico medio (RMSE) della regressione. Gli errori standard delle stime dei parametri sono dati da Sotto l'ulteriore ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia distribuzione normale, il ricercatore può usare questi errori standard stimati per creare intervalli di confidenza e condurre test d'ipotesi sui parametri della popolazione. Nel più generale modello di regressione multipla, ci sono formula_29 variabili indipendenti: Le stime dei parametri dei minimi quadrati sono ottenute da formula_29 equazioni normali. Il residuo può essere scritto come Le equazioni normali sono In notazione matriciale, le equazioni normali sono scritte come Una volta costruito un modello di regressione, è importante confermare la bontà di adattamento del modello e la significatività statistica dei parametri stimati. I controlli della bontà di adattamento comunemente usati includono l'indice R-quadro, analisi dei residui e test di ipotesi. La significatività statistica è verificata con un test F dell'adattamento globale, seguito da t-test per ogni singolo parametro. L'interpretazione di questi test dipende fortemente dalle assunzioni sul modello. Nonostante l'analisi dei residui sia usata per determinare la bontà di un modello, i risultati dei test-T e dei test-F sono difficili da interpretare nel caso in cui le assunzioni di partenza non siano soddisfatte. Ad esempio, se la distribuzione degli errori non è normale, può accadere che in campioni di numerosità ridotta le stime dei parametri non seguano una distribuzione normale, cosa che complica l'inferenza. Per grandi campioni, il teorema del limite centrale permette di effettuare i test usando un'approssimazione asintotica delle distribuzioni. La variabile risposta può essere non continua. Per le variabili binarie (zero/uno), si può procedere con un particolare tipo di modello lineare linear probability model. Se si usa un modello non-lineare i modelli più utilizzati sono il probit e il modello logit. Il modello probit multivariato rende possibile stimare congiuntamente la relazione tra più variabili binarie dipendenti e alcune variabili indipendenti. Per variabili categoriche con più di due valori si utilizza il modello logit multinomiale. Per variabili ordinali con più di due valori, si utilizzano i modelli logit cumulativo e probit cumulativo. Un'alternativa a tali procedure è la regressione lineare basata su polychoric o polyserial correlazioni tra le variabili categoriche. Tali procedure differiscono nelle ipotesi fatte sulla distribuzione delle variabili nella popolazione. Se la variabile rappresenta una ripetizione di un evento nel tempo, è positiva e con poche realizzazioni ("eventi rari"), si possono utilizzare modelli di Poisson o binomiale negativa. I modelli di regressione predicono una variabile formula_25 partendo dai valori di altre variabili formula_23. Se i valori della previsione sono compresi nell'intervallo dei valori delle variabili formula_23 utilizzate per la costruzione del modello si parla di interpolazione. Se i valori escono dal range delle variabili esplicative si parla di estrapolazione. In questo caso la previsione diventa più rischiosa. Quando la funzione del modello non è lineare nei parametri la somma dei quadrati deve essere minimizzata da una procedura iterativa. Sebbene i parametri di un modello di regressione siano di solito stimati usando il metodo dei minimi quadrati, altri metodi includono: Tutti i principali pacchetti statistici eseguono i tipi comuni di analisi di regressione correttamente e in modo semplice. La regressione lineare semplice può essere fatta in alcuni fogli elettronici. C'è una quantità di programmi che esegue forme specializzate di regressione, e gli esperti possono scegliere di scrivere il loro proprio codice per usare o software per analisi numerica.

Analisi della regressione

In statistica, la regressione di Poisson è una forma di modello lineare generalizzato di analisi di regressione usato per modellare il conteggio dei dati in tabelle contingenti. La regressione di Poisson assume che la variabile di risposta Y ha una distribuzione di Poisson, e assume che il logaritmo del suo valore aspettato possa essere modellato da una combinazione lineare di parametri sconosciuti. La regressione di Poisson è talvolta conosciuta anche come modello log-lineare, specialmente quando viene usato per modellare tabelle contingenti. La regressione binomiale negativa (NB2) è una famosa generalizzazione della regressione di Poisson perché allenta il presupposto altamente restrittivo che la varianza è uguale alla media come nel modello di Poisson La NB2 si basa sulla distribuzione mista Poisson-Gamma. Questo modello è molto usato perché modella l'eterogeneità della Poisson con la distribuzione Gamma.

Regressione di Poisson

In statistica per popolazione (o collettivo statistico o aggregato) si intende l'insieme degli elementi che sono oggetto di studio, ovvero l'insieme delle unità (dette "unità statistiche") sulle quali viene effettuata la rilevazione delle modalità con le quali il fenomeno studiato si presenta. Tali unità presentano tutte almeno una caratteristica comune, che viene accuratamente definita al fine di delimitare il loro insieme; ad esempio con "italiani" si può intendere sia le persone di nazionalità italiana, anche se residenti all'estero, sia le persone residenti in Italia, indipendentemente da quale sia la loro nazionalità. Una popolazione statistica va definita anche rispetto al tempo; ad esempio si possono considerare gli italiani che risultano residenti in Italia alle ore 12 di un dato giorno (popolazione definita secondo una caratteristica riferita ad un "istante" di tempo), oppure quelli nati dal 1º gennaio al 31 dicembre di un dato anno (popolazione definita secondo una caratteristica riferita ad un "periodo" di tempo). Una popolazione statistica, peraltro, non è sempre un insieme biologico; costituisce una popolazione anche l'insieme delle lampadine prodotte da un'azienda in un dato periodo di tempo, l'insieme delle nazioni del continente europeo in un dato anno o l'insieme degli anni di un dato secolo. I collettivi statistici, o popolazioni, possono essere distinti in: oppure in: o ancora tra:

Popolazione statistica

Il test t (o, dall'inglese, t-test) è un test statistico di tipo parametrico con lo scopo di verificare se il valore medio di una distribuzione si discosta significativamente da un certo valore di riferimento. Differisce dal test z per il fatto che la varianza formula_1 è sconosciuta. Se la varianza della popolazione non è nota, la verifica d'ipotesi sulla media della popolazione si effettua sostituendo alla varianza di universo la sua stima ottenuta a partire dallo stimatore varianza corretta del campione: In questo modo la statistica test è: la cui distribuzione è quella della formula_4 di Student con formula_5 gradi di libertà. Ad ogni modo, all'aumentare dei gradi di libertà, per il teorema del limite centrale, la variabile casuale formula_4 tende alla distribuzione normale e quindi alla formula_4 si può sostituire la formula_8 diciamo per una soglia campionaria formula_9 maggiore di 30. Se il test è bidirezionale, si rifiuterà l'ipotesi nulla se la formula_10 empirica è maggiore della formula_10 teorica di formula_12 con formula_5 gradi di libertà e si accetterà l'ipotesi alternativa formula_14 con un errore formula_15 di I specie. In econometria la statistica formula_10 ha la seguente forma:

Test t

In teoria della probabilità la probabilità condizionata di un evento "A" rispetto a un evento "B" è la probabilità che si verifichi "A", sapendo che "B" è verificato. Questa probabilità, indicata formula_1 o formula_2, esprime una "correzione" delle aspettative per "A", dettata dall'osservazione di "B". Poiché, come si vedrà nella successiva definizione, formula_3 compare al denominatore, formula_1 ha senso solo se "B" ha una probabilità non nulla di verificarsi. È utile osservare che la notazione con il simbolo "Barra verticale" è comune con la definizione del connettivo logico NAND. Per esempio, la probabilità di ottenere "4" con il lancio di un dado a sei facce (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa Si consideri questo secondo esempio, la probabilità di ottenere "1" con il lancio di un comune dado (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa La probabilità di "A" condizionata da "B" è dove formula_8 è la probabilità congiunta dei due eventi, ovvero la probabilità che si verifichino entrambi. In termini più rigorosi, dato uno spazio misurabile formula_9 di misura "P", ogni evento "B" eredita una struttura di spazio misurato formula_10, restringendo gli insiemi misurabili a quelli contenuti in "B", ed induce una nuova misura formula_11 su formula_9, con formula_13. Se formula_14 è uno spazio probabilizzato (formula_15) e "B" non è trascurabile (formula_16), allora riscalando formula_17 a formula_18 si ottiene lo spazio probabilizzato formula_19 delle probabilità condizionate da "B". La formula della probabilità condizionata permette di descrivere la probabilità congiunta come Ovvero, la probabilità che si verifichino sia "A" sia "B" è pari alla probabilità che si verifichi "B" moltiplicata per la probabilità che si verifichi "A" supponendo che "B" sia verificato. Due eventi "A" e "B" sono indipendenti quando vale una delle tre equazioni equivalenti Per trovare la probabilità dell'evento a destra negato si può usare la seguente formula: formula_24. Se "A" e "B" sono eventi disgiunti, cioè se formula_25, le loro probabilità condizionate sono nulle: sapendo che uno dei due eventi si è verificato, è impossibile che si sia verificato "anche" l'altro. Se l'evento "A" implica l'evento "B", cioè se formula_26, allora la loro intersezione è "A", per cui formula_27 e: Nel caso di una misura di probabilità uniforme su uno spazio Ω finito, questa formula per "P(A|B)" esprime la definizione classica di probabilità come "casi favorevoli ("A") su casi possibili ("B")". Invece, per "P(B|A)" otteniamo il valore 1 che, per un numero finito di valori lo stesso Bayes interpretò in senso lato come la certezza che il tutto sia condizionato dalla parte. La speranza condizionata formula_30 di una variabile aleatoria "X" ad un evento "B" è la speranza di "X" calcolata sulle probabilità formula_31 (condizionate da "B"). La probabilità di un evento "A" può essere condizionata da una variabile aleatoria discreta "X", originando una nuova variabile aleatoria, formula_32, che per "X=x" assume il valore formula_33. Il teorema di Bayes esprime l'uguaglianza simmetrica formula_34 del teorema della probabilità composta come Questo teorema è alla base dell'inferenza bayesiana in statistica, dove "P" è detta "probabilità "a priori" di "B"" e "P" "probabilità "a posteriori" di "B"". Molti paradossi sono legati alla probabilità condizionata e derivano sia da un'errata formulazione del problema sia dalla confusione di "P(A|B)" con "P(A)" o con "P(B|A)". Esempi particolari sono il paradosso delle due buste, il paradosso dei due bambini, il problema di Monty Hall e il paradosso di Simpson.

Probabilità condizionata

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.

Teorema di Bayes

L'analisi della regressione è una tecnica usata per analizzare una serie di dati che consistono in una variabile dipendente e una o più variabili indipendenti. Lo scopo è stimare un'eventuale relazione funzionale esistente tra la variabile dipendente e le variabili indipendenti. La variabile dipendente nell'"equazione di regressione" è una funzione delle variabili indipendenti più un "termine d'errore". Quest'ultimo è una variabile casuale e rappresenta una variazione non controllabile e imprevedibile nella variabile dipendente. I parametri sono stimati in modo da descrivere al meglio i dati. Il metodo più comunemente utilizzato per ottenere le migliori stime è il metodo dei "minimi quadrati" (OLS), ma sono utilizzati anche altri metodi. Il "data modeling" può essere usato senza alcuna conoscenza dei processi sottostanti che hanno generato i dati; in questo caso il modello è un modello empirico. Inoltre, nella modellizzazione, non è richiesta la conoscenza della distribuzione di probabilità degli errori. L'analisi della regressione richiede ipotesi riguardanti la distribuzione di probabilità degli errori. Test statistici vengono effettuati sulla base di tali ipotesi. Nell'analisi della regressione il termine "modello" comprende sia la funzione usata per modellare i dati che le assunzioni concernenti la distribuzione di probabilità. L'analisi della regressione può essere usata per effettuare previsioni (ad esempio per prevedere dati futuri di una serie temporale), inferenza statistica, per testare ipotesi o per modellare delle relazioni di dipendenza. Questi usi della regressione dipendono fortemente dal fatto che le assunzioni di partenza siano verificate. L'uso dell'analisi della regressione è stato criticato in diversi casi in cui le ipotesi di partenza non possono essere verificate. Un fattore che contribuisce all'uso improprio della regressione è che richiede più competenze per criticare un modello che per adattarlo. La prima forma di regressione fu il metodo dei minimi quadrati, pubblicato da Legendre nel 1805, e da Gauss nel 1809. Il termine “minimi quadrati” deriva da quello usato da Legendre: "moindres carrés". Tuttavia, Gauss affermò di essere a conoscenza di questo metodo fin dal 1795. Legendre e Gauss applicarono entrambi il metodo al problema di determinare, a partire da osservazioni astronomiche, l'orbita dei pianeti attorno al Sole. Eulero aveva lavorato sullo stesso problema intorno al 1748, ma senza successo. Gauss pubblicò un ulteriore sviluppo della teoria dei minimi quadrati nel 1821, includendo una versione del teorema di Gauss-Markov. Il termine "regressione" venne coniato nel diciannovesimo secolo per descrivere un fenomeno biologico, ovvero che la progenie di individui eccezionali tende in genere ad essere meno eccezionale dei propri genitori e più simile ai loro avi più distanti. Francis Galton, un cugino di Charles Darwin, studiò questo fenomeno e applicò il termine vagamente fuorviante di "regressione verso il centro/regressione verso la media". Per Galton, la regressione aveva solo questo significato biologico, ma il suo lavoro venne in seguito esteso da Udny Yule e Karl Pearson in un contesto statistico più generale. Oggi il termine "regressione" è spesso sinonimo di "curva intercetta dei minimi quadrati". Queste condizioni sono sufficienti (ma non tutte necessarie) perché lo stimatore dei minimi quadrati goda di buone proprietà. In particolare queste assunzioni implicano che lo stimatore sia non distorto, consistente ed efficiente nella classe degli stimatori lineari non distorti. Molte di queste assunzioni possono essere rilassate in analisi più avanzate. Nella regressione lineare, il modello assume che la variabile dipendente, formula_1 sia una combinazione lineare dei "parametri" (ma non è necessario che sia lineare nella "variabile indipendente"). Ad esempio, nella regressione lineare semplice con formula_2 osservazioni ci sono una variabile indipendente: formula_3, e due parametri, formula_4 e formula_5: Nella regressione lineare multipla, ci sono più variabili indipendenti o funzioni di variabili indipendenti. Ad esempio, aggiungendo un termine in formula_7 alla regressione precedente si ottiene: Si tratta ancora di una regressione lineare: sebbene l'espressione sulla destra sia quadratica nella variabile indipendente formula_3, è comunque lineare nei parametri formula_4, formula_5 e formula_12 In entrambi i casi, formula_13 è un termine di errore e l'indice formula_14 identifica una particolare osservazione. Dato un campione casuale della popolazione, stimiamo i parametri della popolazione e otteniamo il modello di regressione lineare semplice: Il termine formula_16 è il residuo, formula_17. Un metodo di stima è quello dei minimi quadrati ordinari. Questo metodo ottiene le stime dei parametri che minimizzano la somma dei quadrati dei residui, SSE: La minimizzazione di questa funzione risulta essere un sistema di equazioni normali, un insieme di equazioni lineari simultanee nei parametri, che vengono risolte per trovare le stime dei parametri, formula_19. Vedi coefficienti di regressione per informazioni sulle proprietà statistiche di tali stimatori. Nel caso della regressione semplice, le formule per le stime dei minimi quadrati sono dove formula_22 è la media (media) dei valori formula_23 e formula_24 è la media dei valori formula_25. Sotto l'ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia una varianza costante, la stima di quella varianza è data da: formula_26 Questo è la radice dell'errore quadratico medio (RMSE) della regressione. Gli errori standard delle stime dei parametri sono dati da Sotto l'ulteriore ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia distribuzione normale, il ricercatore può usare questi errori standard stimati per creare intervalli di confidenza e condurre test d'ipotesi sui parametri della popolazione. Nel più generale modello di regressione multipla, ci sono formula_29 variabili indipendenti: Le stime dei parametri dei minimi quadrati sono ottenute da formula_29 equazioni normali. Il residuo può essere scritto come Le equazioni normali sono In notazione matriciale, le equazioni normali sono scritte come Una volta costruito un modello di regressione, è importante confermare la bontà di adattamento del modello e la significatività statistica dei parametri stimati. I controlli della bontà di adattamento comunemente usati includono l'indice R-quadro, analisi dei residui e test di ipotesi. La significatività statistica è verificata con un test F dell'adattamento globale, seguito da t-test per ogni singolo parametro. L'interpretazione di questi test dipende fortemente dalle assunzioni sul modello. Nonostante l'analisi dei residui sia usata per determinare la bontà di un modello, i risultati dei test-T e dei test-F sono difficili da interpretare nel caso in cui le assunzioni di partenza non siano soddisfatte. Ad esempio, se la distribuzione degli errori non è normale, può accadere che in campioni di numerosità ridotta le stime dei parametri non seguano una distribuzione normale, cosa che complica l'inferenza. Per grandi campioni, il teorema del limite centrale permette di effettuare i test usando un'approssimazione asintotica delle distribuzioni. La variabile risposta può essere non continua. Per le variabili binarie (zero/uno), si può procedere con un particolare tipo di modello lineare linear probability model. Se si usa un modello non-lineare i modelli più utilizzati sono il probit e il modello logit. Il modello probit multivariato rende possibile stimare congiuntamente la relazione tra più variabili binarie dipendenti e alcune variabili indipendenti. Per variabili categoriche con più di due valori si utilizza il modello logit multinomiale. Per variabili ordinali con più di due valori, si utilizzano i modelli logit cumulativo e probit cumulativo. Un'alternativa a tali procedure è la regressione lineare basata su polychoric o polyserial correlazioni tra le variabili categoriche. Tali procedure differiscono nelle ipotesi fatte sulla distribuzione delle variabili nella popolazione. Se la variabile rappresenta una ripetizione di un evento nel tempo, è positiva e con poche realizzazioni ("eventi rari"), si possono utilizzare modelli di Poisson o binomiale negativa. I modelli di regressione predicono una variabile formula_25 partendo dai valori di altre variabili formula_23. Se i valori della previsione sono compresi nell'intervallo dei valori delle variabili formula_23 utilizzate per la costruzione del modello si parla di interpolazione. Se i valori escono dal range delle variabili esplicative si parla di estrapolazione. In questo caso la previsione diventa più rischiosa. Quando la funzione del modello non è lineare nei parametri la somma dei quadrati deve essere minimizzata da una procedura iterativa. Sebbene i parametri di un modello di regressione siano di solito stimati usando il metodo dei minimi quadrati, altri metodi includono: Tutti i principali pacchetti statistici eseguono i tipi comuni di analisi di regressione correttamente e in modo semplice. La regressione lineare semplice può essere fatta in alcuni fogli elettronici. C'è una quantità di programmi che esegue forme specializzate di regressione, e gli esperti possono scegliere di scrivere il loro proprio codice per usare o software per analisi numerica.

Analisi della regressione

statistica, quando si stima un parametro, la semplice individuazione di un singolo valore è spesso non sufficiente. È opportuno allora accompagnare la stima di un parametro con un intervallo di valori plausibili per quel parametro, che viene definito intervallo di confidenza (o intervallo di fiducia). Se formula_1 e formula_2 sono variabili casuali con distribuzioni di probabilità che dipendono da qualche parametro formula_3 e formula_4 (dove formula_5 è un numero tra 0 e 1), allora l'intervallo casuale formula_6 è un intervallo di confidenza al formula_7 per formula_8. I valori estremi dell'intervallo di confidenza si chiamano "limiti di confidenza". Ad esso si associa quindi un valore di probabilità cumulativa che caratterizza, indirettamente in termini di probabilità, la sua ampiezza rispetto ai valori massimi assumibili dalla variabile aleatoria misurando cioè la probabilità che l'evento casuale descritto dalla variabile aleatoria in oggetto cada all'interno di tale intervallo, graficamente pari all'area sottesa dalla curva di distribuzione di probabilità della variabile aleatoria nell'intervallo considerato. È bene non confondere l'intervallo di confidenza con la probabilità. Data l'espressione "vi è un livello di confidenza del 95% che formula_9 sia nell'intervallo", nulla si può dire sulla probabilità che l'intervallo ottenuto contenga formula_10 Si ipotizzi di voler calcolare l'età media degli abitanti di un luogo. Supponiamo che non si conosca l'età per ogni singolo abitante. Viene allora estratto un campione casuale di abitanti di cui è possibile sapere l'età, e dal campione si tenta di inferire ("predire") l'età media per tutta la popolazione residente e la variabilità di tale dato. Questo può essere fatto calcolando, ad esempio, l'età media delle persone presenti nel campione e ipotizzando che questo valore coincida con l'età media di tutta la popolazione inclusa quella non scelta nel campione. In questo caso si è fatta una "stima puntuale". Alternativamente, a partire dalle età delle persone nel campione, si può calcolare un intervallo di valori entro il quale si ritenga ci sia il valore della media di tutta la popolazione e, se la procedura è fatta in modo rigoroso e statisticamente corretto, è possibile stabilire un valore di "confidenza" di quanto sia "credibile" che l'intervallo ottenuto contenga effettivamente il valore cercato. In questo caso si è fatta una "stima per intervalli" e l'intervallo ottenuto è detto "intervallo di confidenza". Riassumendo: la stima puntuale fornisce un valore singolo che varia a seconda del campione, e difficilmente coincide con il valore vero della popolazione; la stima per intervalli fornisce un insieme di valori (intervallo) che con una certa "confidenza" contiene il valore vero della popolazione. Se formula_11 è una variabile aleatoria di media formula_9 e varianza formula_13 con formula_14 si indica la variabile campionaria corrispondente che ha media aritmetica degli formula_15 dati osservati nel campione e deviazione standard Il livello di confidenza è fissato dal ricercatore. Il valore scelto più di frequente è 95%. Tuttavia, meno di frequente, viene scelto anche un livello di confidenza del 90%, oppure del 99%. Se il valore di formula_18 non differisce molto dalla variabilità formula_19 della popolazione, può essere assunto come suo stimatore (ad esempio con un numero di soggetti osservati e replicazioni complessivamente maggiore di 60; in alternativa si ipotizza una distribuzione t di Student caratterizzata da una maggiore dispersione rispetto alla normale standard). In questa prima ipotesi, l'intervallo di confidenza per la media formula_9 ("vera media", della popolazione) al 99% (al livello formula_21), è dato da: Al 95% è dato da: Prima della diffusione dei computer si cercava di utilizzare l’approssimazione normale ogni qualvolta possibile. Adesso non è più strettamente necessario, e nella formula possono essere utilizzati percentili di altre distribuzioni, facendo rifierimento a campioni di dimensione più ridotta). Dalle formule risulta che i due intervalli di confidenza possono essere scritti in funzione dei "soli dati campionari" formula_24. Oltre a diminuire con il livello di confidenza, l'ampiezza dell'intervallo dipende dall'errore della stima formula_25 e diminuisce se: Qualora la popolazione non segua il modello gaussiano, se il campione è grande a sufficienza, la variabile campionaria tende a seguire comunque una legge normale (teorema centrale del limite). In altre parole, le due formule precedenti per l'intervallo di confidenza si possono usare anche nel caso in cui non è nota la sua legge di probabilità. Il livello di confidenza o copertura è il complemento a uno del livello di significatività formula_27: ad esempio, un intervallo di confidenza al formula_28 corrisponde a un livello di significatività di formula_29. Gli intervalli di confidenza sono spesso confusi con altri concetti della statistica, e talora oggetto di errate interpretazioni anche da parte di ricercatori professionisti. Alcuni errori comuni: Gli intervalli di confidenza furono introdotti da Jerzy Neyman in un articolo pubblicato nel 1937. C'è un metodo agevole per il calcolo degli intervalli di confidenza attraverso il test di verifica d'ipotesi (secondo l'impostazione di Neyman). Un intervallo di confidenza al 95% si può quindi ricavare da un test di verifica d'ipotesi di significatività 5%.

Intervallo di confidenza

Un'ipotesi nulla (in inglese "null hypothesis," che significa letteralmente ipotesi zero) è un'affermazione sulla distribuzione di probabilità di una o più variabili casuali. Si intende per ipotesi nulla l'affermazione secondo la quale non ci sia differenza oppure non vi sia relazione tra due fenomeni misurati, o associazione tra due gruppi. Solitamente viene assunta vera finché non si trova evidenza che la confuti. Nel test statistico viene verificata in termini probabilistici la validità di un'ipotesi statistica, detta appunto ipotesi nulla, di solito indicata con "H". Attraverso una funzione dei dati campionari si decide se accettare l'ipotesi nulla o meno. Nel caso l'ipotesi nulla venga rifiutata si accetterà l'ipotesi alternativa, indicata con "H". Se si rifiuta un'ipotesi nulla che nella realtà è vera allora si dice che si è commesso un errore di prima specie (o falso positivo). Accettando invece un'ipotesi nulla falsa si commette un errore di seconda specie (o falso negativo). L'ipotesi può essere di tipo funzionale se riferita alla forma della f (x;θ) con f funzione di densità o di probabilità, o parametrica se riferita al vettore incognito θ. L'ipotesi è semplice quando specifica completamente la f (x;θ). Nel caso un'ipotesi non sia semplice si dirà composta. Quando si considera un solo parametro l'ipotesi semplice è del tipo θ=θ, dove θ è un valore particolare. Un'ipotesi è unilaterale se è del tipo θ > θ oppure del tipo θ < θ. Un'ipotesi è bilaterale se è del tipo θ ≠ θ oppure del tipo θ < θ e θ > θ.

Ipotesi nulla

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

La regressione formalizza e risolve il problema di una relazione funzionale tra variabili misurate sulla base di dati campionari estratti da un'ipotetica popolazione infinita. Originariamente Galton utilizzava il termine come sinonimo di correlazione, tuttavia oggi in statistica l'analisi della regressione è associata alla risoluzione del modello lineare. Per la loro versatilità, le tecniche della regressione lineare trovano impiego nel campo delle scienze applicate: chimica, geologia, biologia, fisica, ingegneria, medicina, nonché nelle scienze sociali: economia, linguistica, psicologia e sociologia. Più formalmente, in statistica la regressione lineare rappresenta un metodo di stima del valore atteso condizionato di una variabile "dipendente", o "endogena", formula_1, dati i valori di altre variabili "indipendenti", o "esogene", formula_2: formula_3. L'uso dei termini "endogeno"/"esogeno" è talvolta criticato, in quanto implicherebbe una nozione di causalità che l'esistenza di una regressione non prevede; in determinati contesti, provocherebbe inoltre confusione, essendo ad esempio il concetto di esogeneità in econometria formalmente definito tramite l'ipotesi di ortogonalità alla base delle proprietà statistiche della regressione lineare col metodo dei minimi quadrati. La prima, e ancora popolare, forma di regressione lineare è quella basata sul metodo dei minimi quadrati (si veda oltre). La prima pubblicazione contenente un'applicazione del metodo nota è datata 1805, a nome di Adrien-Marie Legendre; Carl Friedrich Gauss elabora indipendentemente lo stesso metodo, pubblicando le sue ricerche nel 1809. Sebbene Gauss sostenne di avere sviluppato il metodo sin dal 1795, la paternità delle sue applicazioni in campo statistico è normalmente attribuita a Legendre; lo stesso termine "minimi quadrati" deriva dall'espressione francese, utilizzata da Legendre, "moindres carrés". Sia Gauss che Legendre applicano il metodo al problema di determinare, sulla base di osservazioni astronomiche, le orbite di corpi celesti intorno al sole. Eulero aveva lavorato allo stesso problema, con scarso successo, nel 1748. Nel 1821 Gauss pubblica un ulteriore sviluppo del metodo dei minimi quadrati, proponendo una prima versione di quello che è oggi noto come teorema di Gauss-Markov. L'origine del termine "regressione" è storicamente documentata. L'espressione "reversione" era usata nel XIX secolo per descrivere un fenomeno biologico, in base al quale la progenie di individui eccezionali tende in media a presentare caratteristiche meno notevoli di quelle dei genitori, e più simili a quelle degli antenati più remoti. Francis Galton studiò tale fenomeno, applicandovi il termine, forse improprio, di regressione verso la media (o la "mediocrità"). Per Galton l'espressione "regressione" ha solo tale significato, confinato all'ambito biologico. Il suo lavoro (1877, 1885) fu in seguito esteso da Karl Pearson e George Udny Yule a un contesto statistico più generale (1897, 1903); i lavori di Pearson e Yule ipotizzano che la distribuzione congiunta delle variabili dipendenti e indipendenti abbia natura gaussiana. Tale ipotesi è in seguito indebolita da Ronald Fisher, in lavori del 1922 e 1925. Fisher in particolare ipotizza che la distribuzione "condizionata" della variabile dipendente sia gaussiana, il che non implica necessariamente che così sia per quella congiunta di variabili dipendenti e indipendenti. Sotto tale profilo, la formulazione di Fisher è più vicina a quella di Gauss del 1821. Il modello di regressione lineare è: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Per ogni osservazione campionaria si dispone di una determinazione formula_1 e di formula_14 determinazioni non stocastiche formula_15. Si cerca quindi una relazione di tipo lineare tra la variabile formula_1 e le formula_14 variabili deterministiche. Una prima analisi può essere condotta considerando un modello semplice a due variabili (si suppone in pratica che formula_14 sia uguale a formula_19). Un tipico esempio è riscontrabile dall'esperienza economica considerando la relazione tra Consumi (formula_20) e Reddito (formula_1). Ricercando una relazione funzionale in cui i consumi siano "spiegati" dal reddito si può ricorrere alla relazione lineare: dove formula_24 rappresenta l'intercetta e formula_25 la pendenza della retta interpolatrice. Generalizzando il problema a due variabili formula_26 e formula_27, scriveremo: formula_29 è una generica funzione di formula_26 e comunemente si assume formula_31. Ponendo, senza perdita di generalità, tale condizione la formula diviene: Quindi la variabile dipendente formula_27 viene "spiegata" attraverso una relazione lineare della variabile indipendente formula_26 (cioè: formula_35) e da una quantità casuale formula_36. Il problema della regressione si traduce nella determinazione di formula_24 e formula_25 in modo da esprimere al ‘meglio' la relazione funzionale tra formula_27 e formula_26. Per avvalorare di un significato statistico la scelta dei coefficienti occorre realizzare alcune ipotesi sul modello lineare di regressione: Date queste ipotesi si calcolano i coefficienti formula_46 e formula_47 secondo il metodo dei minimi quadrati (in inglese "Ordinary Least Squares", o OLS, da cui il riferimento agli stimatori di seguito ottenuti come agli "stimatori OLS") proposto da Gauss; detta: le stime si ottengono risolvendo: Le soluzioni si ricavano uguagliando a zero le derivate parziali di formula_50 rispetto ad formula_24 e formula_25: Dove formula_55 denota il numero delle osservazioni; segue: da cui si ricavano le soluzioni: Essendo la varianza osservata data da: e la covarianza osservata da: dove formula_62 denotano le medie osservate, si possono scrivere i parametri nella forma: Si consideri il seguente problema teorico: date due variabili casuali formula_65 e formula_1, quale è il "migliore" stimatore per il valore atteso di formula_1, ossia quale stimatore presenta lo scarto quadratico medio (o MSE, dall'inglese "Mean Squared Error") minimo? Se si utilizza uno stimatore affine che sfrutta l'informazione relativa alla variabile casuale formula_68 allora formula_69, è possibile dimostrare che lo scarto quadratico medio formula_70 è minimizzato se: Tale osservazione fornisce una giustificazione di tipo probabilistico alle espressioni proposte sopra; si veda oltre per un'analisi formale, nel caso multivariato. Il metodo dei minimi quadrati è esaminato nel caso bivariato, deriva una retta che interpola uno scatter di punti minimizzando la somma dei quadrati delle distanze formula_72 dei punti stessi dalla retta; il grafico fornisce un'intuizione del procedimento. La scelta di minimizzare i "quadrati" degli formula_72 non è, ovviamente, arbitraria. Facendo ad esempio riferimento alla semplice somma degli formula_72, distanze positive (verso l'alto) e negative (verso il basso) si compenserebbero, rendendo in generale peggiore la qualità dell'interpolazione; se per contro si adottasse una funzione criterio uguale alla somma dei valori assoluti degli formula_72, non essendo la funzione valore assoluto derivabile su tutto l'asse reale non si potrebbe ricorrere all'elegante metodo di minimizzazione sopra illustrato. Si osservi inoltre che gli formula_72 rappresentano una distanza di un tipo alquanto particolare. In geometria la distanza di un punto da una retta è infatti data dalla lunghezza del segmento che unisce il punto alla retta, perpendicolare a quest'ultima; evidentemente non è questo il caso degli formula_72. La scelta operata trova giustificazione nelle proprietà statistiche delle stime, illustrate in seguito: la particolare forma degli stimatori dei minimi quadrati sopra ottenuti consente un più semplice trattamento delle loro proprietà statistiche. Due parole infine sul significato di regressione "lineare". Il nome di questa tecnica statistica "non" significa che nella funzione stimata la variabile dipendente formula_78 è una funzione lineare della(e) variabile(i) esplicativa(e) formula_79, ma dei "parametri" oggetto di stima (formula_24 e formula_25 sopra). La stima di una funzione del tipo: rientra nel raggio d'azione del modello lineare, dal momento che formula_78 è una funzione lineare dei parametri formula_84, formula_85, formula_86. Per ulteriori considerazioni al riguardo, si veda l'articolo Regressione nonlineare. Il metodo sopra illustrato può essere esteso al caso in cui più variabili contribuiscono a spiegare la variabile dipendente formula_1: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Raggruppando le osservazioni delle variabili esplicative in una matrice formula_65 di dimensioni formula_107, che si ipotizza avere rango pieno e uguale a formula_108 (il termine costante, o intercetta, corrisponde ad avere una colonna di formula_19 nella formula_65), è possibile scrivere, in notazione matriciale: Nella formulazione più elementare, si assume che formula_112, ossia: formula_113 formula_114 (omoschedasticità), formula_115 (assenza di correlazione nei disturbi). Si ipotizza inoltre che: ossia che non vi sia correlazione tra i regressori e i disturbi casuali — quest'ipotesi riveste un'importanza cruciale, in quanto rende possibile considerare i regressori compresi nella matrice formula_65 come variabili "esogene" (da cui il nome con cui l'ipotesi è spesso indicata: ipotesi di "esogeneità"). Quest'ultima proprietà è tutt'altro che banale, in quanto soltanto laddove essa è valida è possibile garantire che il vettore di stime dei parametri del modello, formula_118, abbia per valore atteso il vero valore dei parametri formula_85 (godendo così della proprietà di correttezza; si veda oltre). Sotto tali ipotesi, è possibile ottenere le stime del vettore di parametri formula_85 tramite il metodo dei minimi quadrati risolvendo il problema di minimo: Le condizioni del primo ordine per un minimo definiscono il sistema (detto delle equazioni normali): da cui: Per le proprietà della forma quadratica minimizzanda, si è certi che la soluzione trovata corrisponde a un minimo, non solo locale ma globale. Il vettore di stime OLS formula_124 consente di ottenere i valori previsti ("teorici") per la variabile dipendente: Formalmente, l'espressione sopra corrisponde a una proiezione ortogonale del vettore delle osservazioni formula_27 sullo spazio generato dalle colonne della matrice formula_65; la figura a lato illustra questo risultato. Per chiarire questo punto, sia formula_128 la proiezione di formula_27 sullo spazio generato dalle colonne matrice formula_65: Ciò significa che esisterà un vettore di pesi formula_86 tale per cui è possibile ottenere formula_128 come formula_134, ossia come combinazione lineare delle colonne di formula_65. A sua volta formula_27 sarà uguale a formula_128 più una componente formula_138 ortogonale allo spazio generato da formula_65: Dunque formula_141; premoltiplicando per formula_142 si ha: formula_143; così che: ossia l'espressione per il vettore di stime OLS formula_118 derivata in precedenza. Questa intuizione geometrica è formalizzata nel teorema di Frisch-Waugh-Lovell. Gli stimatori formula_124 degli OLS godono di una serie di interessanti proprietà algebriche; tali proprietà dipendono dal metodo dei minimi quadrati adottato, e non dal particolare modello oggetto di stima. Si osservi che le prime tre proprietà valgono solo se la matrice dei regressori include il termine costante, ossia se include un vettore di soli formula_19. L'R², o coefficiente di determinazione, è una misura della bontà dell'adattamento (in inglese "fitting") della regressione lineare stimata ai dati osservati. Al fine di definire l'R², sia formula_167; questa matrice trasforma i vettori in scarti dalla propria media, così che, ad esempio, formula_168. Si osservi che la matrice formula_169 è simmetrica (formula_170) e idempotente (formula_171). Dunque la somma degli scarti al quadrato delle formula_153 da formula_173 è semplicemente: formula_174. L'R² è definito come: Spesso le quantità al numeratore e al denominatore sono chiamate, rispettivamente, ESS (formula_176, dall'inglese "Explained Sum of Squares") e TSS (formula_174, dall'inglese "Total Sum of Squares"). Osservando che, per semplice sostituzione: dove l'ultima uguaglianza segue dal fatto che la media dei residui è zero, si ha: così che l'R² sarà un numero compreso tra formula_180 e formula_19 (alcuni pacchetti statistici trasformano tale numero in una percentuale); in analogia con quanto sopra, spesso la quantità formula_182 è indicata con la sigla RSS (dall'inglese "Residual Sum of Squares"), o SSR ("Sum of Squared Residuals", grammaticalmente più preciso, ma forse meno usato). Euristicamente, l'R² misura la frazione della variabilità delle osservazioni formula_153 che siamo in grado di spiegare tramite il modello lineare. Due importanti "caveat" devono in ogni caso essere tenuti a mente: È evidente che, al crescere del numero di regressori formula_14, formula_190 in generale decresce, correggendo l'artificiale incremento dell'R². Si può inoltre dimostrare che formula_190 aumenta, aggiungendo un regressore, soltanto se il valore della statistica formula_192 associata al coefficiente di tale regressore (si veda oltre) è maggiore di formula_19, così che il valore dell'R² corretto è legato alla significatività delle variabili aggiuntive. È opportuno far emergere alcune credenze sbagliate riguardo l'R². Innanzitutto non può mai assumere valori negativi perché è il rapporto di due varianze; tuttavia i software statistici possono produrre un output di una regressione che presenta un R² negativo. Ciò è dovuto al fatto che in questi programmi l'R² si calcola come differenza tra varianza spiegata e quella dei residui. Tuttavia nel caso di mispecificazione del modello (si "dimenticano" variabili che il data generating process contiene, intercetta compresa), il valore atteso della stima dei residui è in genere diverso da zero, quindi la media dello stimatore di formula_1 è diverso dalla media di formula_1. Pertanto il calcolo del software risulta errato perché non tiene conto di ciò. Sotto le ipotesi sopra formulate, il valore atteso dello stimatore formula_124 è uguale al vettore di parametri formula_85; tale proprietà è detta correttezza; al fine di verificare la correttezza di formula_124, è sufficiente osservare che: La varianza (in effetti, matrice varianza-covarianza) di formula_200 si ottiene come: Il teorema di Gauss-Markov stabilisce che tale varianza è minima tra quelle degli stimatori di formula_85 ottenibili come combinazione lineare delle osservazioni formula_27; in questo senso formula_124 è uno stimatore efficiente (in effetti si tratta di uno stimatore "BLUE", dall'inglese "Best Linear Unbiased Estimator", il migliore stimatore corretto lineare). Poiché formula_205 e le combinazioni lineari di variabili casuali normali indipendenti sono ancora normali, se ne conclude che: Volendo stimare il parametro formula_207, un naturale candidato sarebbe la varianza campionaria: In effetti lo stimatore sopra sarebbe anche lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_209. Semplici manipolazioni mostrano tuttavia che tale stimatore non gode della proprietà di correttezza; infatti: dove formula_212. Il valore atteso dell'espressione sopra è: dove formula_214 denota l'operatore traccia di una matrice. Lo stimatore corretto per il parametro formula_207 è dunque: Infatti: Si osservi inoltre che, poiché formula_112, formula_219 ha una distribuzione chi quadro con formula_220 gradi di libertà. Le tecniche del modello lineare sopra esposte possono trovare diverse applicazioni; con una qualche semplificazione, due sono i principali usi della regressione lineare: Confinando la nostra attenzione al secondo punto, nell'ambito della statistica classica (cioè non bayesiana) condurre un test statistico non può portare ad "accettare" un'ipotesi nulla, ma al più a "non rifiutarla", un po' come dire che lo statistico assolve per mancanza di prove. Un primo ordine di test concerne i singoli coefficienti del modello; volere stabilire se la j-esima variabile delle formula_65 abbia o meno potere esplicativo nei confronti della formula_27 equivale a sottoporre a verifica l'ipotesi nulla che il corrispondente coefficiente formula_223 sia nullo. A tal fine si ricorre alla statistica test: dove formula_225, che sotto l'ipotesi nulla formula_226 ha distribuzione t di Student. Un caso più complesso, e di maggiore interesse, riguarda il test di un insieme di restrizioni lineari sui coefficienti del modello; si consideri al riguardo ad un'ipotesi nulla nella forma: dove formula_228 è una matrice di rango formula_229. Ad esempio, volendo testare l'ipotesi che il primo e il terzo coefficiente siano uguali, sarà sufficiente ricorrere la matrice (in questo particolare caso, vettore) formula_230, con formula_231, così che l'ipotesi nulla risulti: formula_232. Al fine di sottoporre a verifica ipotesi di questo tipo, è sufficiente considerare che, essendo la combinazione lineare di variabili casuali normali ancora normale: sotto l'ipotesi nulla formula_227. Ne consegue che: per la nota proprietà per cui la combinazione lineare dei quadrati variabili casuali normali standardizzate ha distribuzione chi quadro, con gradi di libertà pari al rango della matrice formula_236, formula_229 (si osservi che in generale formula_238, e che formula_229 sarà solitamente pari al numero di restrizioni imposte sui parametri del modello). Naturalmente in generale il parametro formula_207 è incognito, per cui l'espressione sopra non può essere usata direttamente per fare inferenza statistica. Si ricorda tuttavia che: Essendo noto che il rapporto tra due variabili casuali aventi distribuzione chi quadro, divise per i rispettivi gradi di libertà, è distribuito come una F di Fisher, è possibile utilizzare la statistica test: avente sotto l'ipotesi nulla distribuzione F di Fisher con formula_229 e formula_220 gradi di libertà. Se due o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono linearmente dipendenti, non esiste l'inversa formula_246 per cui il vettore di stime OLS non può essere determinato. Se da un lato è assai improbabile che questa eventualità si verifichi nelle applicazioni pratiche, è comunque possibile che alcune colonne della matrice formula_68 siano prossime alla dipendenza lineare; in tal caso sarà ancora possibile ottenere un vettore di stime OLS, ma sorgerà il problema della multicollinearità. Si parla di multicollinearità allorché una o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono prossime a essere linearmente dipendenti. L'effetto della multicollinearità è che la matrice formula_249 è prossima all'essere singolare. Questo ha due conseguenze di particolare rilievo nelle applicazioni: Il primo punto implica che gli intervalli di confidenza per i valori dei coefficienti saranno relativamente ampi; se tali intervalli includono lo zero, non si può rifiutare l'ipotesi nulla che la variabile corrispondente non abbia alcun effetto sulla variabile dipendente. Un indicatore di multicollinearità spesso utilizzato nella pratica è il "variance inflation factor" (fattore di inflazione della varianza), o VIF. Il VIF è calcolato per ciascuna variabile del modello (spesso automaticamente da diversi software statistici), in base all'espressione: dove formula_251 è il coefficiente R² di una regressione della colonna formula_5-esima di formula_65 su tutti gli altri regressori (incluso il termine costante, se è presente). È possibile dimostrare che la varianza dell'elemento formula_5-esimo del vettore delle stime OLS formula_124 è proporzionale al VIF; dunque un VIF elevato comporterà una minore significatività del coefficiente formula_256, andando a ridurre il valore della statistica formula_192 di Student associata. Un formula_251 elevato è indice di dipendenza lineare tra la colonna formula_5-esima e le restanti colonne della matrice formula_65, ossia è un indice di multicollinearità. Non esiste, tuttavia, un particolare valore soglia del VIF che determina inequivocabilmente la multicollinearità; sta alla sensibilità del ricercatore valutare, con l'ausilio dell'indicazione del VIF, se sussista o meno multicollinearità, nel qual caso è opportuno rimuovere il regressore formula_5-esimo (colonna formula_5-esima della matrice formula_65 sulla quale si è riscontrata multicollinearità). Le stime e le statistiche test presentate sopra costituiscono l'obiettivo del ricercatore che effettua un'analisi di regressione lineare. Sebbene le convenzioni nella presentazione dei risultati varino significativamente a seconda dell'ambito scientifico o del tipo di pubblicazione, alcuni standard sono in generale rispettati. I risultati della stima di un modello di regressione lineare potrebbero e dovrebbero riportare: Particolare attenzione si deve porre nel ritenere che un modello: implichi che le variabili ricomprese nella matrice formula_65 "causino" la formula_27. È importante osservare che l'esistenza di regressione (formalmente definita nei paragrafi precedenti) "non implica altro che l'esistenza di un valore atteso condizionato": In particolare, non si può in generale affermare che l'espressione sopra significhi che le variabili in formula_65 "causino" il comportamento della formula_27. Come espresso con efficacia da Cochrane (2003), "le regressioni non hanno cause al secondo membro e conseguenze al primo membro." Tuttavia resta vero che uno dei principali task dell'analisi di regressione verte proprio sulle indagini di tipo causale; peraltro in contesti sperimentali "controllati" questa possibilità è tipicamente accettata. Inoltre anche in contesti osservazionali l'interpretazione causale, anche se molto più delicata, non si esclude assolutamente, anzi in certi contesti resta il task più importante. Particolare rilievo in questo contesto è giocato dal problema delle "variabili omesse", se siamo portati a ritenere che tale problema non sia rilevante, allora l'interpretazione causale è lecita. I concetti di validità esterna ed interna forniscono uno schema di riferimento per valutare se uno studio statistico o econometrico sia utile per rispondere ad una domanda specifica di interesse. L'analisi è esternamente valida se le sue inferenze e conclusioni possono essere generalizzate dalla popolazione e dal contesto studiati ad altre popolazioni e contesti. Deve essere giudicata usando la conoscenza specifica della popolazione e del contesto usato e di quelli oggetto d'interesse. Un'ipotesi cruciale del modello classico di regressione lineare è che i regressori siano ortogonali al disturbo stocastico, ossia, formalmente: Il motivo per cui tale ipotesi — anche nota come "ipotesi di esogeneità" — è fondamentale è presto illustrato; basta osservare che: così che: In altri termini: l'ipotesi di esogeneità dei regressori è condizione necessaria per la correttezza dello stimatore formula_118 del metodo dei minimi quadrati (un'analoga argomentazione può essere data in termini asintotici, passando dalla correttezza alla consistenza dello stimatore). In tutti i casi in cui si ha motivo di credere che l'ipotesi di esogeneità sia violata — tutti i casi in cui si sospetta "endogeneità" dei regressori — non si può fare affidamento sui risultati di una regressione condotta col metodo dei minimi quadrati ordinari (la soluzione è di ricorrere a una regressione con variabili strumentali). È la differenza tra la popolazione studiata e la popolazione d'interesse. Un esempio è quello di effettuare lo stesso test sui topi e sugli uomini senza chiedersi se vi siano delle differenze che inficino l'analisi. Anche se la popolazione studiata e quella d'interesse fossero uguali, sarebbe opportuno valutarne il contesto. Un esempio è uno studio su una campagna di alcolici su degli studenti universitari e su degli studenti delle classi primarie. Un'analisi statistica è internamente valida se le inferenze statistiche sugli effetti causali sono validi per la popolazione oggetto di studio. La distorsione da variabile omessa nasce quando viene omessa una variabile dalla regressione, che è una determinante di formula_1 ed è correlata con uno o più dei regressori. L'omissione di variabili rilevanti (nel senso precisato in quanto segue) può rendere le stime OLS inconsistenti. Si supponga che il modello "vero" sia: ma si stimi un modello: che omette la variabile "rilevante" formula_282 che contribuisce a spiegare la variabile dipendente formula_27. Si ha allora: Poiché formula_285, nel secondo modello il regressore formula_286 è correlato col disturbo formula_287. Per la precisione: Risulta così violata una delle ipotesi del modello classico di regressione lineare, e le stime del parametro formula_289 col metodo dei minimi quadrati ordinari sono inconsistenti. Si osservi che, qualora la variabile rilevante formula_282 sia ortogonale a formula_286 (e, di conseguenza, formula_292), il problema scompare (il teorema di Frisch-Waugh-Lovell precisa ed estende quest'ultima considerazione). Questo errore sorge quando la funzione di regressione che descrive i dati non è corretta. Ad esempio una funzione di regressione di una popolazione non lineare è descritta come lineare. Tipicamente è un errore di misura o confusione, che va a distorcere l'intero data set. La distorsione di causalità simultanea si verifica in una regressione di Y su X quando, in aggiunta al legame causale d'interesse da formula_65 a formula_1, c'è un legame causale da formula_1 a formula_65. Questa causalità inversa rende formula_65 correlato con l'errore statistico nella regressione d'interesse. Si verifica quando il processo di selezione è legato al valore della variabile dipendente; ciò può introdurre la correlazione tra l'errore statistico ed il regressore, portando così ad una distorsione dello stimatore OLS. Si supponga di non poter osservare direttamente un regressore, che deve essere stimato (o "generato", secondo una diversa terminologia); per concretezza, si consideri un "vero" modello: e si ipotizzi di disporre soltanto di una stima di formula_300: Se si procede nella stima di: Si ottiene: con: Supponendo che formula_307, la stima del parametro formula_85 risulta più vicina a zero di quanto non sia il "vero" valore del parametro (questo effetto è noto con termine inglese come "attenuation bias"). È immediato osservare che il problema è meno pronunciato laddove la varianza dell'errore nell'osservazione di formula_300, formula_310 risulta minore della varianza di formula_300 stesso — ossia, non sorprendentemente, quando formula_300 può essere stimato con relativa precisione. Si osservi infine che nessun problema si pone nel caso in cui la variabile dipendente — formula_27 — sia stimata o generata. In tal caso, il termine di errore in essa contenuto sarà semplicemente incorporato nel disturbo della regressione — formula_314, senza ledere la consistenza delle stime OLS. Le proprietà sopra esposte possono essere generalizzate al caso in cui le ipotesi sulla distribuzione dei termini di errore non siano necessariamente valide per campioni di dimensione finita. In questo caso, si ricorre alle proprietà "asintotiche" delle stime, supponendo implicitamente che, per campioni di dimensione sufficientemente grande, la distribuzione asintotica delle stime coincida, o approssimi ragionevolmente, quella effettiva. I risultati si fondano sul teorema del limite centrale, o su sue generalizzazioni. Al fine di illustrare le proprietà asintotiche degli stimatori dei minimi quadrati ordinari, si ipotizzi: dove formula_318 denota la convergenza in probabilità e formula_319 la matrice identità. L'espressione per lo stimatore dei minimi quadrati ordinari può essere riscritta come: Passando al limite per formula_321, si ha allora: (si osservi che il limite in probabilità dell'inversa di formula_323 è l'inversa di formula_324). Dunque, lo stimatore formula_118 converge in probabilità al vero valore del vettore di parametri formula_85 – si dice dunque che formula_118 gode della proprietà di consistenza. Applicando una banale estensione del teorema del limite centrale al caso multivariato, si ha inoltre: dove formula_329 denota la convergenza in distribuzione. Da quest'ultimo risultato discende allora che: In altre parole, lo stimatore dei minimi quadrati ordinari è non solo consistente, ma anche asintoticamente normalmente distribuito; l'insieme di queste proprietà si indica con la sigla inglese CAN ("Consistent and Asymptotically Normal"). I metodi sopra esposti costituiscono il nucleo del modello classico di regressione lineare; quantunque validi strumenti di analisi per un ampio spettro di discipline e casi di studio, essi prestano il fianco a una serie di critiche, incentrate sulla semplicità delle ipotesi alla base del modello. Tali critiche hanno portato alla formulazione di modelli più generali, caratterizzati da ipotesi meno restrittive rispetto a quelle poste sopra. L'analisi ha battuto alcune vie principali: Ciò ha consentito lo sviluppo di modelli alternativi, o quantomeno complementari, al modello classico; tra i più noti, il metodo dei minimi quadrati generalizzati, metodi di stima tramite variabili strumentali, i vari modelli di regressione robusta, nonché numerosi modelli sviluppati nell'ambito dell'analisi delle serie storiche e dei dati panel. Nell'ambito dell'econometria (manuali, si veda anche l'articolo econometria): Nell'ambito della finanza: Nell'ambito della fisica: Nell'ambito della Ricerca sociale: Nell'ambito della linguistica, in particolare della psicolinguistica:

Regressione lineare

In ottimizzazione e analisi numerica il metodo di discesa del gradiente (detto anche "metodo del gradiente", "metodo steepest descent" o "metodo di discesa più ripida") è una tecnica che consente di determinare i punti di massimo e minimo di una funzione di più variabili. Il metodo è stato sviluppato - e pubblicato nel 1847 - dal matematico francese Augustin-Louis Cauchy nel tentativo di risolvere il problema di determinare l'orbita di un corpo celeste a partire dalle sue equazioni del moto. Si supponga di voler minimizzare la funzioneformula_1 e si scelga come soluzione iniziale il vettore formula_2. Allora e, muovendosi in un intorno di formula_4: Questi calcoli mostrano che, per individuare dei punti - "vicini" a formula_4 - in corrispondenza dei quali la funzione assuma un valore minore di formula_7, conviene spostarsi lungo direzioni che abbiano la prima e la terza componente formula_8 più piccole o seconda componente formula_9 più grande. Inoltre esistono delle direzioni "preferenziali" lungo le quali la funzione formula_10 decresce più velocemente (ad esempio scegliere una coordinata formula_11 più piccola è preferibile, ad esempio, rispetto a far diminuire formula_12). La procedura può essere iterata partendo da un nuovo punto, ad esempio formula_13, fino ad individuare un minimo per formula_10. L'esempio mostra che una procedura che aggiorni la soluzione in modo iterativo sulla base delle informazioni disponibili "localmente" può portare ad individuare un punto di minimo per la funzione assegnata. Si voglia risolvere il seguente problema di ottimizzazione non vincolata nello spazio formula_15-dimensionale formula_16 La tecnica di discesa secondo gradiente si basa sul fatto che, per una data funzione formula_18, la direzione di massima discesa in un assegnato punto formula_19 corrisponde a quella determinata dall'opposto del suo gradiente in quel punto formula_20. Questa scelta per la direzione di discesa garantisce che la soluzione tenda a un punto di minimo di formula_10. Il metodo del gradiente prevede dunque di partire da una soluzione iniziale formula_4 scelta arbitrariamente e di procedere iterativamente aggiornandola come dove formula_24 corrisponde alla lunghezza del passo di discesa, la cui scelta diventa cruciale nel determinare la velocità con cui l'algoritmo convergerà alla soluzione richiesta. Si parla di metodo "stazionario" nel caso in cui si scelga un passo formula_25 costante per ogni formula_26, viceversa il metodo si definisce "dinamico". In quest'ultimo caso una scelta conveniente, ma computazionalmente più onerosa rispetto a un metodo stazionario, consiste nell'ottimizzare, una volta determinata la direzione di discesa formula_27, la funzione di una variabile formula_28 in maniera analitica o in maniera approssimata. Si noti che, a seconda della scelta del passo di discesa, l'algoritmo potrà convergere a uno qualsiasi dei minimi della funzione formula_10, sia esso locale o globale. Lo schema generale per l'ottimizzazione di una funzione formula_18 mediante metodo del gradiente è il seguente: Un caso particolare di applicazione del metodo del gradiente consiste nella risoluzione di sistemi lineari della forma dove formula_33 è una matrice simmetrica e definita positiva. Per le proprietà di formula_33 la soluzione di tale problema è equivalente alla procedura di minimizzazione della forma quadratica associata: Infatti: da cui Per la funzione formula_38 si ha che la direzione di massima discesa nel punto formula_39 è: coincidente con il residuo formula_41 del sistema lineare. Dunque la direzione di discesa scelta a ogni iterazione è formula_42. Inoltre vale la seguente relazione: che permette di calcolare analiticamente il passo formula_44 ottimale. Infatti, imponendo la condizione di stazionarietà si ricava L'algoritmo del metodo del gradiente per la risoluzione di sistemi lineari è dunque In aritmetica floating point la condizione del ciclo while può essere valutata verificando che la norma del residuo formula_48 non sia più piccola di una tolleranza impostata dall'utente. In molti casi è possibile accelerare la velocità di convergenza dell'algoritmo migliorando le proprietà di condizionamento della matrice formula_33. Si introduca a tal fine una matrice di precondizionamento formula_50 simmetrica e definita positiva. Lo schema risolutivo in questo caso diventa: Il metodo del gradiente coniugato costituisce una variante del metodo del gradiente in cui viene effettuata una scelta diversa, ma particolarmente conveniente nel caso di sistemi lineari simmetrici e definiti positivi, per le direzioni di discesa formula_27. Tale scelta garantisce la convergenza del metodo (in aritmetica esatta) in un numero di iterazioni pari al più alla dimensione del sistema da risolvere. È possibile dimostrare che l'errore commesso alla formula_26-esima iterazione del metodo del gradiente soddisfa la seguente stima: dove formula_56 indica il numero di condizionamento in norma formula_57 di formula_33 e formula_59 è la norma indotta da formula_33. Nel caso precondizionato vale la stessa stima con Si riporta un esempio di possibile implementazione del metodo del gradiente nella versione precondizionata compatibile con i linguaggi di programmazione Octave e MATLAB. Quando la funzione obiettivo è troppo costosa da calcolare ad ogni iterazione, ma può essere scomposta in una somma di molti addendi (ad esempio, la somma del costo calcolato su ogni singolo record in un dataset), il gradiente può essere approssimato stocasticamente restringendo la somma su un sottinsieme di addendi ad ogni iterazione, metodo noto come discesa stocastica del gradiente. La discesa del gradiente è ampiamente utilizzata in statistica e apprendimento automatico per l'addestramento tramite apprendimento supervisionato di modelli come reti neurali artificiali e modelli grafici. Il principio è noto come regola delta, e consiste nel valutare il modello su un input il cui corrispondente output esatto sia noto, e correggere ciascun parametro del modello in una quantità proporzionale (ma di segno opposto) rispetto al suo contributo all'errore sul risultato. L'algoritmo usato nelle reti neurali per implementare questo principio è noto come retropropagazione dell'errore, che consiste in un'applicazione della discesa del gradiente, essendo il contributo di ciascun parametro all'errore del modello dato dalla derivata parziale della funzione di perdita rispetto al parametro stesso. La regola, classificabile fra i metodi per l'apprendimento supervisionato, può essere applicata a reti neurali di tipo "in avanti" (cioè con propagazione unidirezionale dei segnali, in inglese: "feedforward") e permette di calcolare la differenza tra i valori di output che la rete ottiene e quelli che invece dovrebbe apprendere. La regola deve essere applicata a reti che usano unità di output ad attivazione continua e differenziabile ed è l'elemento fondamentale dell'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation"), alla base dell'approccio connessionista. Data una rete "in avanti" con le proprietà sopra descritte, l'obiettivo che ci si prefigge è minimizzare la diversità tra i valori di attivazione delle unità di output formula_62 della rete (ottenuti sommando i segnali provenienti dalle diverse unità di input formula_63 moltiplicati per l'efficacia, o "pesi sinaptici" formula_64 delle connessioni in ingresso), e i valori formula_65 della risposta desiderata. Tale diversità viene quantificata attraverso una funzione di perdita. La funzione obiettivo che si vuole minimizzare è il valore atteso della perdita (in pratica la perdita media sui dati). Per applicare il metodo del gradiente, la funzione di perdita deve essere derivabile rispetto ai valori di output formula_62. Una scelta adatta a problemi di regressione è lo scarto quadratico medio tra formula_62 e formula_65 (valutato per tutte le unità di output e per tutti i pattern d'apprendimento); per problemi di classificazione si può utilizzare la divergenza di Kullback-Leibler o equivalentemente l'entropia incrociata. Nella fase di addestramento, variando i pesi sinaptici formula_64 (parametri del modello) si può aumentare o diminuire la funzione obiettivo; la "prestazione" della rete sarà funzione delle variabili formula_64, e sarà massima quando si raggiunge il minimo della funzione obiettivo, il che si ottiene applicando il metodo del gradiente e aggiornando iterativamente i valori dei pesi sinaptici. Poiché nelle applicazioni pratiche le dimensioni dei modelli e dei relativi dataset usati nell'addestramento sono molto grandi, in pratica si fa generalmente uso della discesa stocastica del gradiente per l'addestramento delle reti neurali e di altri modelli statistici e di apprendimento automatico.

Discesa del gradiente

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.

Rete bayesiana

Il metodo della massima verosimiglianza, in statistica, è un procedimento matematico per determinare uno stimatore. Caso particolare della più ampia classe di metodi di stima basata sugli stimatori d'estremo, il metodo consiste nel massimizzare la funzione di verosimiglianza, definita in base alla probabilità di osservare una data realizzazione campionaria, condizionatamente ai valori assunti dai parametri statistici oggetto di stima. Il metodo è stato sviluppato, originariamente, dal genetista e statistico sir Ronald Fisher, tra il 1912 e il 1922. Data una distribuzione di probabilità formula_1, con funzione di massa (o densità, se continua) di probabilità formula_2, caratterizzata da un parametro formula_3, dato un campione di dati osservati formula_4 di dimensione formula_5 si può calcolare la probabilità associata ai dati osservati: D'altra parte, può darsi che il parametro formula_3 sia ignoto, sebbene sia noto che il campione è estratto dalla distribuzione formula_1. Un'idea per stimare formula_3 è allora utilizzare i dati a nostra disposizione: formula_4 per ottenere informazioni su formula_3. Il metodo della massima verosimiglianza ricerca il valore più "verosimile" di formula_3, ossia ricerca, all'interno dello spazio formula_13 di tutti i possibili valori di formula_3, il valore del parametro che "massimizza" la probabilità di aver ottenuto il campione dato. Da un punto di vista matematico, formula_15 o equivalentemente formula_16 è detta funzione di verosimiglianza, e lo stimatore di massima verosimiglianza è ottenuto come: Al fine di illustrare il metodo della massima verosimiglianza, si consideri un campione formula_18 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione normale: formula_19. La funzione di verosimiglianza associata è: La massimizzazione della funzione di verosimiglianza è equivalente a massimizzarne il logaritmo: I parametri formula_22 e formula_23 sono determinati risolvendo il problema di massimo: Le condizioni del primo ordine per un massimo definiscono il seguente sistema di equazioni in formula_22 e formula_23: dove i segni di apice sopra i parametri denotano i loro stimatori. Dalla prima equazione discende immediatamente lo stimatore di massima verosimiglianza per la media: cioè la media campionaria. La varianza dello stimatore formula_30 è data dalla seguente espressione: Sostituendo formula_30 nella seconda equazione, si ha lo stimatore di massima verosimiglianza per la varianza: cioè la varianza campionaria. L'esempio è particolarmente calzante, perché consente di illustrare alcune proprietà degli stimatori di massima verosimiglianza. È immediato verificare la correttezza (o "unbiasedness") di formula_30: D'altra parte, formula_36 non gode di tale proprietà. Ricordando che: segue che: Dunque formula_36 non è uno stimatore corretto; un tale stimatore sarebbe dato dalla statistica: Val la pena d'altra parte di osservare che lo stimatore di massima verosimiglianza è comunque uno stimatore asintoticamente corretto; infatti: In particolare, qualunque stimatore di massima verosimiglianza è asintoticamente corretto e asintoticamente normalmente distribuito. L'espressione per la varianza dello stimatore formula_36 è al di là degli scopi di questo esempio. È interessante osservare che gli stimatori derivati in questa sezione sono identici a quelli ottenibili, nelle stesse condizioni, impiegando il metodo dei momenti; a scanso di equivoci, si precisa che i due metodi di ricerca degli stimatori non conducono necessariamente a individuare gli stessi stimatori in condizioni più generali. Al di là dei problemi evidenziati negli esempi sopra, altre difficoltà, di portata più generale, possono essere associate agli stimatori di massima verosimiglianza. Il valore dello stimatore di massima verosimiglianza può non appartenere allo spazio dei parametri formula_13. Si consideri il caso di un campione formula_44 di v.c. identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione di Poisson di parametro formula_45. La funzione di verosimiglianza associata è: Così che la funzione di log-verosimiglianza risulta: Lo stimatore di massima verosimiglianza sarebbe dunque formula_48. Si supponga tuttavia che formula_49; poiché formula_50, la stima ottenuta con il metodo della massima verosimiglianza non è ammissibile. A prima vista il problema potrebbe apparire un dettaglio matematico di scarso rilievo nella pratica; la sua portata nelle applicazioni è tuttavia più rilevante di quanto sembri. Restando nell'ambito dell'esempio testé esposto, si osservi che la variabile casuale poissoniana è spesso utilizzata come modello per il numero di arrivi a uno sportello, un ufficio, la fermata di un autobus, etc. (si tratta di un'applicazione della teoria delle code, che fa per la precisione riferimento al processo di Poisson); in tale contesto, formula_51 rappresenta il tasso atteso di arrivi per unità di tempo. È chiaro che ipotizzare formula_52 in qualche misura snatura il processo sotto esame: può darsi che, nell'intervallo di tempo corrispondente al campione utilizzato per la stima, nessun cliente sia arrivato allo sportello (nessun passeggero alla fermata dell'autobus, etc.); ciò non significa che ci si debba aspettare che nessun cliente (o passeggero, etc.) arrivi mai! Lo stimatore di massima verosimiglianza, inoltre, "non è necessariamente unico". Si consideri, ad esempio, il caso di un campione formula_53 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, aventi distribuzione uniforme sull'intervallo formula_54, con formula_55. La funzione di verosimiglianza associata è: dove formula_57 denota la funzione indicatrice. Si supponga che il campione sia ordinato in modo tale che: (tale ipotesi è lecita in quanto le formula_59 sono indipendentemente distribuite). È facile mostrare che: Ne consegue che lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_3 è unico se e solo se formula_62; diversamente, un numero infinito di valori dello stimatore formula_63 massimizza la funzione di verosimiglianza. Se formula_63 è lo stimatore di massima verosimiglianza per il parametro formula_3, allora lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_66 è formula_67, purché formula_68 sia una funzione biiettiva. Gli stimatori di massima verosimiglianza, come illustrato negli esempi, possono essere distorti (cioè non corretti o all'inglese "biased"), anche in maniera consistente. D'altra parte essi sono asintoticamente corretti. Gli stimatori di massima verosimiglianza non conseguono in generale il limite inferiore per la varianza stabilito dal risultato di Cramér-Rao, lo conseguono però asintoticamente, cioè la varianza si discosta dal limite inferiore di Cramér-Rao per una quantità infinitesima al crescere di "n". Gli stimatori di massima verosimiglianza sono inoltre asintoticamente normalmente distribuiti.

Metodo della massima verosimiglianza

Nella teoria delle decisioni (per esempio nella gestione dei rischi), un albero di decisione è un grafo di decisioni e delle loro possibili conseguenze, (incluso i relativi costi, risorse e rischi) utilizzato per creare un 'piano di azioni' ("plan") mirato ad uno scopo ("goal"). Un albero di decisione è costruito al fine di supportare l'azione decisionale ("decision making"). Nel machine learning un albero di decisione è un modello predittivo, dove ogni nodo interno rappresenta una variabile, un arco verso un nodo figlio rappresenta un possibile valore per quella proprietà e una foglia il valore predetto per la variabile obiettivo a partire dai valori delle altre proprietà, che nell'albero è rappresentato dal cammino ("path") dal nodo radice ("root") al nodo foglia. Normalmente un albero di decisione viene costruito utilizzando tecniche di apprendimento a partire dall'insieme dei dati iniziali ("data set"), il quale può essere diviso in due sottoinsiemi: il "training set" sulla base del quale si crea la struttura dell'albero e il "test set" che viene utilizzato per testare l'accuratezza del modello predittivo così creato. Nel data mining un albero di decisione viene utilizzato per classificare le istanze di grandi quantità di dati (per questo viene anche chiamato albero di classificazione). In questo ambito un albero di decisione descrive una struttura ad albero dove i nodi foglia rappresentano le classificazioni e le ramificazioni l'insieme delle proprietà che portano a quelle classificazioni. Di conseguenza ogni nodo interno risulta essere una macro-classe costituita dall'unione delle classi associate ai suoi nodi figli. Il predicato che si associa ad ogni nodo interno (sulla base del quale avviene la ripartizione dei dati) è chiamato "condizione di split". In molte situazioni è utile definire un criterio di arresto ("halting"), o anche "criterio di potatura" ("pruning") al fine di determinarne la profondità massima. Questo perché il crescere della profondità di un albero (ovvero della sua dimensione) non influisce direttamente sulla bontà del modello. Infatti, una crescita eccessiva della dimensione dell'albero potrebbe portare solo ad aumento sproporzionato della complessità computazionale rispetto ai benefici riguardanti l'accuratezza delle previsioni/classificazioni. Una sua evoluzione è la tecnica foresta casuale ("random forest"). I parametri più largamente usati per le condizioni di split sono: formula_1 L'indice di Gini raggiunge il suo minimo (zero) quando il nodo appartiene ad una singola categoria. formula_2 In entrambe le formule "f" rappresenta la frequenza del valore "j" nel nodo "i". L'indice di Gini e la variazione di entropia sono i parametri che vengono usualmente utilizzati per guidare la costruzione dell'albero, mentre la valutazione del tasso di errore nella classificazione viene utilizzato per effettuare una ottimizzazione dell'albero nota come processo di "pruning" ("potatura" dei nodi superflui). Poiché, in generale, in un buon albero di decisione i nodi foglia dovrebbero essere il più possibile "puri" (ovvero contenere solo istanze di dati che appartengono ad una sola classe), un'ottimizzazione dell'albero consiste nel cercare di minimizzare il livello di entropia man mano che si scende dalla radice verso le foglie. In tal senso, la valutazione dell'entropia determina quali sono, fra le varie scelte a disposizione, le condizioni di split ottimali per l'albero di classificazione.

Albero di decisione

Le macchine a vettori di supporto (SVM, dall'inglese "Support-Vector Machines") sono dei modelli di apprendimento supervisionato associati ad algoritmi di apprendimento per la regressione e la classificazione. Dato un insieme di esempi per l'addestramento (training set), ognuno dei quali etichettato con la classe di appartenenza fra le due possibili classi, un algoritmo di addestramento per le SVM costruisce un modello che assegna i nuovi esempi ad una delle due classi, ottenendo quindi un classificatore lineare binario non probabilistico. Un modello SVM è una rappresentazione degli esempi come punti nello spazio, mappati in modo tale che gli esempi appartenenti alle due diverse categorie siano chiaramente separati da uno spazio il più possibile ampio. I nuovi esempi sono quindi mappati nello stesso spazio e la predizione della categoria alla quale appartengono viene fatta sulla base del lato nel quale ricade. Oltre alla classificazione lineare è possibile fare uso delle SVM per svolgere efficacemente la classificazione non-lineare utilizzando il metodo kernel, mappando implicitamente i loro input in uno spazio delle feature multi-dimensionale. Quando gli esempi non sono etichettati è impossibile addestrare in modo supervisionato e si rende necessario l'apprendimento non supervisionato, questo approccio cerca di identificare i naturali cluster in cui si raggruppano i dati, mappando successivamente i nuovi dati nei cluster ottenuti. L'algoritmo di clustering a vettori di supporto, creato da Hava Siegelmann e Vladimir N. Vapnik, applica le statistiche dei vettori di supporto, sviluppate negli algoritmi delle SVM, per classificare dati non etichettati, ed è uno degli algoritmi di clustering maggiormente utilizzato nelle applicazioni industriali. Le macchine a vettori di supporto possono essere pensate come una tecnica alternativa per l'apprendimento di classificatori polinomiali, contrapposta alle tecniche classiche di addestramento delle reti neurali artificiali. Le reti neurali ad un solo strato hanno un algoritmo di apprendimento efficiente, ma sono utili soltanto nel caso di dati linearmente separabili. Viceversa, le reti neurali multistrato possono rappresentare funzioni non lineari, ma sono difficili da addestrare a causa dell'alto numero di dimensioni dello spazio dei pesi e poiché le tecniche più diffuse, come la "back-propagation", permettono di ottenere i pesi della rete risolvendo un problema di ottimizzazione non convesso e non vincolato che, di conseguenza, presenta un numero indeterminato di minimi locali. La tecnica di addestramento SVM risolve entrambi i problemi: presenta un algoritmo efficiente ed è in grado di rappresentare funzioni non lineari complesse. I parametri caratteristici della rete sono ottenuti mediante la soluzione di un problema di programmazione quadratica convesso con vincoli di uguaglianza o di tipo box (in cui il valore del parametro deve essere mantenuto all'interno di un intervallo), che prevede un unico minimo globale. Formalmente, una macchina a vettori di supporto costruisce un iperpiano o un insieme di iperpiani in uno spazio a più dimensioni o a infinite dimensioni, il quale può essere usato per classificazione, regressione e altri scopi come il rilevamento delle anomalie. Intuitivamente una buona separazione si può ottenere dall'iperpiano che ha la distanza maggiore dal punto (del training set) più vicino di ognuna delle classi; in generale maggiore è il margine fra questi punti, minore è l'errore di generalizzazione commesso dal classificatore. Mentre il problema originale può essere definito in uno spazio di finite dimensioni, spesso succede che gli insiemi da distinguere non siano linearmente separabili in quello spazio. Per questo motivo è stato proposto che lo spazio originale di dimensioni finite venisse mappato in uno spazio con un numero di dimensioni maggiore, rendendo presumibilmente più facile trovare una separazione in questo nuovo spazio. Per mantenere il carico computazionale accettabile, i mapping utilizzati dalle SVM sono fatti in modo tale che i prodotti scalari dei vettori delle coppie di punti in input siano calcolati facilmente in termini delle variabili dello spazio originale, attraverso la loro definizione in termini di una funzione kernel formula_1scelta in base al problema da risolvere. Gli iperpiani in uno spazio multidimensionale sono definiti come l'insieme di punti il cui prodotto scalare con un vettore in quello spazio è costante, dove tale insieme di vettori è un insieme ortogonale (e quindi minimale) di vettori che definiscono un iperpiano. I vettori che definiscono gli iperpiani possono essere scelti come combinazioni lineari con parametri formula_2delle immagini dei vettori delle feature formula_3. Con tale scelta dell'iperpiano, i punti formula_4 nello spazio delle feature che sono mappati nell'iperpiano sono definiti dalla relazione formula_5. Si noti che se formula_1 diventa più piccolo al crescere di formula_7 rispetto ad formula_4, ogni termine della somma misura il grado di vicinanza del punto di test formula_4 al corrispondente punto di base formula_3. Si noti che l'insieme di punti formula_4 mappato in un qualsiasi iperpiano può produrre un risultato piuttosto complicato, permettendo discriminazioni molto più complesse fra insiemi non completamente convessi nello spazio originario. L'originale algoritmo SVM è stato inventato da Vladimir Vapnik e Aleksej Červonenkis nel 1963. Nel 1992 Bernhard Boser, Isabelle Guyon e lo stesso Vapnik suggerirono un modo per creare un classificatore non lineare applicando il metodo kernel all'iperpiano con il massimo margine. Lo standard corrente che propone l'utilizzo di un margine leggero fu invece proposto da Corinna Cortes e Vapnik nel 1993 e pubblicato nel 1995. Alcune applicazioni per cui le SVM sono state utilizzate con successo sono: I seguenti framework mettono a disposizione un'implementazione di SVM:

Macchine a vettori di supporto

variabili aleatorie "X" e "Y", la distribuzione condizionata di Y dato X è la probabilità di Y quando è conosciuto il valore assunto da X. A ogni distribuzione condizionata è associato un valore atteso condizionato e una varianza condizionata. Nel caso di variabili aletorie discrete, la distribuzione condizionata di "Y" dato "X=x", è data da: È necessario quindi che "P(X=x)>0". Nel caso di variabili aleatorie continue, la densità condizionata di "Y" dato "X=x" è data da Anche in questo caso, si deve avere che formula_3. Se per due variabili aleatorie "X" e "Y" si ha che "P"("Y" = "y" | "X" = "x") = "P"("Y" = "y") per ogni "x" e "y" o, nel caso continuo, "f"("y" | "X=x") = "f"("y") per ogni "x" e "y", allora le due variabili sono dette indipendenti

Distribuzione condizionata

In matematica, una funzione di densità di probabilità (o PDF dall'inglese "probability density function") è l'analogo della funzione di probabilità di una variabile casuale nel caso in cui la variabile casuale formula_1 sia continua, cioè l'insieme dei possibili valori che ha la potenza del continuo. Essa descrive la "densità" di probabilità in ogni punto nello spazio campionario. La funzione di densità di probabilità di una variabile casuale formula_1 è un'applicazione formula_3 non negativa integrabile secondo Lebesgue e reale di variabile reale tale che la probabilità dell'insieme "A" sia data da per tutti i sottinsiemi "A" dello spazio campionario. Intuitivamente, se una distribuzione di probabilità ha densità formula_3, allora l'intervallo formula_6 ha probabilità formula_7. Da ciò deriva che la funzione formula_3 è un'applicazione definita come Assumendo formula_10, ciò corrisponde al limite della probabilità che formula_11 si trovi nell'intervallo formula_6 per formula_13 che tende a zero. Di qui il nome di funzione di 'densità', in quanto essa rappresenta il rapporto tra una probabilità e un'ampiezza. Per la condizione di normalizzazione l'integrale su tutto lo spazio di formula_3 deve essere 1. Di conseguenza ogni funzione non negativa, integrabile secondo Lebesgue, con integrale su tutto lo spazio uguale a 1, è la funzione densità di probabilità di una ben definita distribuzione di probabilità. Una variabile casuale che possiede densità si dice "variabile casuale continua". Per le variabili casuali multivariate (o vettoriali) la trattazione formale è assolutamente identica: formula_15 si dice assolutamente continua se esiste una funzione a valori reali definita in formula_16, detta densità congiunta, tale che per ogni sottoinsieme "A" dello spazio campionario Essa conserva tutte le proprietà di una densità scalare: è una funzione non negativa a integrale unitario su tutto lo spazio. Una proprietà importante è che se formula_15 è assolutamente continua allora lo è ogni sua componente; il viceversa invece non vale. La densità di una componente, detta densità marginale, si ottiene con un ragionamento analogo al teorema della probabilità assoluta, cioè fissando l'insieme di suoi valori di cui si vuole determinare la probabilità e lasciando libere di variare tutte le altre componenti. Infatti (nel caso bivariato per semplicità) l'evento formula_19 è l'evento formula_20, dunque utilizzando il teorema di Fubini. La densità marginale di formula_1 è data dunque da La funzione di densità della variabile casuale normale di media 0 e varianza 1 (detta "normale standard"), di cui a destra è riportato il grafico e l'espressione analitica della corrispondente densità nel caso generico (media formula_24 e varianza formula_25). Un altro esempio può essere dato dalla densità di probabilità uniforme su un segmento (0,1). Si può verificare immediatamente che è densità di probabilità facendo l'integrale tra (0,1).

Funzione di densità di probabilità

Il metodo della massima verosimiglianza, in statistica, è un procedimento matematico per determinare uno stimatore. Caso particolare della più ampia classe di metodi di stima basata sugli stimatori d'estremo, il metodo consiste nel massimizzare la funzione di verosimiglianza, definita in base alla probabilità di osservare una data realizzazione campionaria, condizionatamente ai valori assunti dai parametri statistici oggetto di stima. Il metodo è stato sviluppato, originariamente, dal genetista e statistico sir Ronald Fisher, tra il 1912 e il 1922. Data una distribuzione di probabilità formula_1, con funzione di massa (o densità, se continua) di probabilità formula_2, caratterizzata da un parametro formula_3, dato un campione di dati osservati formula_4 di dimensione formula_5 si può calcolare la probabilità associata ai dati osservati: D'altra parte, può darsi che il parametro formula_3 sia ignoto, sebbene sia noto che il campione è estratto dalla distribuzione formula_1. Un'idea per stimare formula_3 è allora utilizzare i dati a nostra disposizione: formula_4 per ottenere informazioni su formula_3. Il metodo della massima verosimiglianza ricerca il valore più "verosimile" di formula_3, ossia ricerca, all'interno dello spazio formula_13 di tutti i possibili valori di formula_3, il valore del parametro che "massimizza" la probabilità di aver ottenuto il campione dato. Da un punto di vista matematico, formula_15 o equivalentemente formula_16 è detta funzione di verosimiglianza, e lo stimatore di massima verosimiglianza è ottenuto come: Al fine di illustrare il metodo della massima verosimiglianza, si consideri un campione formula_18 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione normale: formula_19. La funzione di verosimiglianza associata è: La massimizzazione della funzione di verosimiglianza è equivalente a massimizzarne il logaritmo: I parametri formula_22 e formula_23 sono determinati risolvendo il problema di massimo: Le condizioni del primo ordine per un massimo definiscono il seguente sistema di equazioni in formula_22 e formula_23: dove i segni di apice sopra i parametri denotano i loro stimatori. Dalla prima equazione discende immediatamente lo stimatore di massima verosimiglianza per la media: cioè la media campionaria. La varianza dello stimatore formula_30 è data dalla seguente espressione: Sostituendo formula_30 nella seconda equazione, si ha lo stimatore di massima verosimiglianza per la varianza: cioè la varianza campionaria. L'esempio è particolarmente calzante, perché consente di illustrare alcune proprietà degli stimatori di massima verosimiglianza. È immediato verificare la correttezza (o "unbiasedness") di formula_30: D'altra parte, formula_36 non gode di tale proprietà. Ricordando che: segue che: Dunque formula_36 non è uno stimatore corretto; un tale stimatore sarebbe dato dalla statistica: Val la pena d'altra parte di osservare che lo stimatore di massima verosimiglianza è comunque uno stimatore asintoticamente corretto; infatti: In particolare, qualunque stimatore di massima verosimiglianza è asintoticamente corretto e asintoticamente normalmente distribuito. L'espressione per la varianza dello stimatore formula_36 è al di là degli scopi di questo esempio. È interessante osservare che gli stimatori derivati in questa sezione sono identici a quelli ottenibili, nelle stesse condizioni, impiegando il metodo dei momenti; a scanso di equivoci, si precisa che i due metodi di ricerca degli stimatori non conducono necessariamente a individuare gli stessi stimatori in condizioni più generali. Al di là dei problemi evidenziati negli esempi sopra, altre difficoltà, di portata più generale, possono essere associate agli stimatori di massima verosimiglianza. Il valore dello stimatore di massima verosimiglianza può non appartenere allo spazio dei parametri formula_13. Si consideri il caso di un campione formula_44 di v.c. identicamente e indipendentemente distribuite, con distribuzione di Poisson di parametro formula_45. La funzione di verosimiglianza associata è: Così che la funzione di log-verosimiglianza risulta: Lo stimatore di massima verosimiglianza sarebbe dunque formula_48. Si supponga tuttavia che formula_49; poiché formula_50, la stima ottenuta con il metodo della massima verosimiglianza non è ammissibile. A prima vista il problema potrebbe apparire un dettaglio matematico di scarso rilievo nella pratica; la sua portata nelle applicazioni è tuttavia più rilevante di quanto sembri. Restando nell'ambito dell'esempio testé esposto, si osservi che la variabile casuale poissoniana è spesso utilizzata come modello per il numero di arrivi a uno sportello, un ufficio, la fermata di un autobus, etc. (si tratta di un'applicazione della teoria delle code, che fa per la precisione riferimento al processo di Poisson); in tale contesto, formula_51 rappresenta il tasso atteso di arrivi per unità di tempo. È chiaro che ipotizzare formula_52 in qualche misura snatura il processo sotto esame: può darsi che, nell'intervallo di tempo corrispondente al campione utilizzato per la stima, nessun cliente sia arrivato allo sportello (nessun passeggero alla fermata dell'autobus, etc.); ciò non significa che ci si debba aspettare che nessun cliente (o passeggero, etc.) arrivi mai! Lo stimatore di massima verosimiglianza, inoltre, "non è necessariamente unico". Si consideri, ad esempio, il caso di un campione formula_53 di variabili casuali identicamente e indipendentemente distribuite, aventi distribuzione uniforme sull'intervallo formula_54, con formula_55. La funzione di verosimiglianza associata è: dove formula_57 denota la funzione indicatrice. Si supponga che il campione sia ordinato in modo tale che: (tale ipotesi è lecita in quanto le formula_59 sono indipendentemente distribuite). È facile mostrare che: Ne consegue che lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_3 è unico se e solo se formula_62; diversamente, un numero infinito di valori dello stimatore formula_63 massimizza la funzione di verosimiglianza. Se formula_63 è lo stimatore di massima verosimiglianza per il parametro formula_3, allora lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_66 è formula_67, purché formula_68 sia una funzione biiettiva. Gli stimatori di massima verosimiglianza, come illustrato negli esempi, possono essere distorti (cioè non corretti o all'inglese "biased"), anche in maniera consistente. D'altra parte essi sono asintoticamente corretti. Gli stimatori di massima verosimiglianza non conseguono in generale il limite inferiore per la varianza stabilito dal risultato di Cramér-Rao, lo conseguono però asintoticamente, cioè la varianza si discosta dal limite inferiore di Cramér-Rao per una quantità infinitesima al crescere di "n". Gli stimatori di massima verosimiglianza sono inoltre asintoticamente normalmente distribuiti.

Metodo della massima verosimiglianza

variabili aleatorie "X" e "Y", la distribuzione condizionata di Y dato X è la probabilità di Y quando è conosciuto il valore assunto da X. A ogni distribuzione condizionata è associato un valore atteso condizionato e una varianza condizionata. Nel caso di variabili aletorie discrete, la distribuzione condizionata di "Y" dato "X=x", è data da: È necessario quindi che "P(X=x)>0". Nel caso di variabili aleatorie continue, la densità condizionata di "Y" dato "X=x" è data da Anche in questo caso, si deve avere che formula_3. Se per due variabili aleatorie "X" e "Y" si ha che "P"("Y" = "y" | "X" = "x") = "P"("Y" = "y") per ogni "x" e "y" o, nel caso continuo, "f"("y" | "X=x") = "f"("y") per ogni "x" e "y", allora le due variabili sono dette indipendenti

Distribuzione condizionata

Un algoritmo genetico è un algoritmo euristico utilizzato per tentare di risolvere problemi di ottimizzazione per i quali non si conoscono altri algoritmi efficienti di complessità lineare o polinomiale. L'aggettivo "genetico", ispirato al principio della selezione naturale ed evoluzione biologica teorizzato nel 1859 da Charles Darwin, deriva dal fatto che, al pari del modello evolutivo darwiniano che trova spiegazioni nella branca della biologia detta genetica, gli algoritmi genetici attuano dei meccanismi concettualmente simili a quelli dei processi biochimici scoperti da questa scienza. In sintesi gli algoritmi genetici consistono in algoritmi che permettono di valutare diverse soluzioni di partenza (come se fossero diversi individui biologici) e che ricombinandole (analogamente alla riproduzione biologica sessuata) ed introducendo elementi di disordine (analogamente alle mutazioni genetiche casuali) producono nuove soluzioni (nuovi individui) che vengono valutate scegliendo le migliori (selezione ambientale) nel tentativo di convergere verso soluzioni "di ottimo". Ognuna di queste fasi di ricombinazione e selezione si può chiamare generazione come quelle degli esseri viventi. Nonostante questo utilizzo nell'ambito dell'ottimizzazione, data la natura intrinsecamente casuale dell'algoritmo genetico, non vi è modo di sapere a priori se sarà effettivamente in grado di trovare una soluzione accettabile al problema considerato. Se si otterrà un soddisfacente risultato, non è detto che si capisca perché abbia funzionato, in quanto non è stato progettato da nessuno ma da una procedura casuale. Gli algoritmi genetici rientrano nello studio dell'intelligenza artificiale e più in particolare nella branca della "computazione evolutiva", vengono studiati e sviluppati all'interno del campo dell'intelligenza artificiale e delle tecniche di soft computing, ma trovano applicazione in un'ampia varietà di problemi afferenti a diversi contesti quali l'elettronica, la biologia e l'economia. La nascita degli algoritmi genetici trova origine dalle prime teorizzazioni di Ingo Rechenberg che, per la prima volta, nel 1960, cominciò a parlare di "strategie evoluzionistiche" all'interno dell'informatica. La vera prima creazione di un algoritmo genetico è tuttavia storicamente attribuita a John Henry Holland che, nel 1975, nel libro "Adaptation in Natural and Artificial Systems" pubblicò una serie di teorie e di tecniche tuttora di fondamentale importanza per lo studio e lo sviluppo della materia. Agli studi di Holland si deve infatti sia il teorema che assicura la convergenza degli algoritmi genetici verso soluzioni ottimali sia il cosiddetto teorema degli schemi, conosciuto anche come "teorema fondamentale degli algoritmi genetici". Quest'ultimo teorema fu originariamente pensato e dimostrato su ipotesi di codifica binaria ma nel 1991, Wright, l'ha estesa a casi di codifica con numeri reali dimostrando anche che una tale codifica è preferibile nel caso di problemi continui d'ottimizzazione. Enormi contributi si devono anche a John Koza che nel 1992 inventò la programmazione genetica ossia l'applicazione degli algoritmi genetici alla produzione di software in grado di evolvere diventando capace di svolgere compiti che in origine non era in grado di svolgere. Nel 1995 Stewart Wilson re-inventò i sistemi a classificatori dell'intelligenza artificiale ri-denominandoli come XCS e rendendoli capaci di apprendere attraverso le tecniche degli algoritmi genetici mentre nel 1998 Herrera e Lozano presentarono un'ampia rassegna di operatori genetici. Gli operatori di Herrera e Lozano sono applicabili a soluzioni codificate mediante numeri reali ed hanno reso il campo dei numeri reali un'appropriata e consolidata forma di rappresentazione per gli algoritmi genetici in domini continui. Prima dell'effettiva spiegazione del funzionamento degli algoritmi genetici, è necessario premettere che questi ereditano e riadattano dalla biologia alcune terminologie che vengono qui preventivamente presentate per una successiva maggiore chiarezza espositiva: Un tipico algoritmo genetico, nel corso della sua esecuzione, provvede a fare evolvere delle soluzioni secondo il seguente schema di base: L'iterazione dei passi presentati permette l'evoluzione verso una soluzione ottimizzata del problema considerato. Poiché questo algoritmo di base soffre del fatto che alcune soluzioni ottime potrebbero essere perse durante il corso dell'evoluzione e del fatto che l'evoluzione potrebbe ricadere e stagnare in "ottimi locali" spesso viene integrato con la tecnica dell'"elitarismo" e con quella delle mutazioni casuali. La prima consiste in un ulteriore passo precedente al punto "3" che copia nelle nuove popolazioni anche gli individui migliori della popolazione precedente, la seconda invece successiva al punto "4" introduce nelle soluzioni individuate delle occasionali mutazioni casuali in modo da permettere l'uscita da eventuali ricadute in ottimi locali. Come accennato le soluzioni al problema considerato, siano queste quelle casuali di partenza o quelle derivate da evoluzione, devono essere codificate con qualche tecnica. Le codifiche più diffuse sono: All'interno della codifica vettoriale è giusto introdurre anche i concetti di "schema" e di "blocchi costruttori" strettamente legati poi al teorema degli schemi di Holland. La funzione di fitness è quella che permette di associare ad ogni soluzione uno o più parametri legati al modo in cui quest'ultima risolve il problema considerato. Generalmente è associata alle prestazioni computazionali e quindi alle prestazioni temporali della soluzione. A causa di complessi fenomeni di interazione non lineare (epistaticità), non è dato per scontato né che da due soluzioni promettenti ne nasca una terza più promettente né che da due soluzioni con valori di fitness basso ne venga generata una terza con valore di fitness più basso. Per ovviare a questi problemi, durante la scelta delle soluzioni candidate all'evoluzione, oltre che sul parametro ottenuto dalla funzione di fitness ci si basa anche su particolari tecniche di "selezione". Le più comuni sono: Per semplicità, durante la spiegazione del crossover, si farà riferimento alle codifiche vettoriali ma il procedimento per le codifiche ad albero è simile ed invece che essere applicato ai campi dei vettori viene applicato ai nodi dell'albero. In base ad un operatore stabilito inizialmente, alcune parti dei geni delle soluzioni candidate all'evoluzione vengono mescolate per ricavare nuove soluzioni. Gli operatori più comunemente utilizzati sono: Non è detto che il crossover debba avvenire ad ogni iterazione dell'algoritmo genetico. Generalmente la frequenza di crossover è regolata da un apposito parametro comunemente denominato formula_9. La mutazione consiste nella modifica pseudocasuale di alcune parti dei geni in base a coefficienti definiti inizialmente. Queste modifiche alle volte sono utilizzate per migliorare il valore della funzione di fitness per la soluzione in questione e altre volte sono utilizzate per ampliare lo spazio di ricerca ed attuare la tecnica dell'elitarismo per non far ricadere l'evoluzione in ottimi locali. La frequenza con cui deve avvenire una mutazione è generalmente regolata da un apposito parametro comunemente denominato formula_10. Nel caso in cui si abbia più di un obiettivo da ottimizzare, è possibile utilizzare un algoritmo genetico multiobiettivo. Sostanzialmente l'algoritmo funziona come quando va a perseguire un singolo obiettivo, quindi parte sempre da un certo numero di possibili soluzioni (la popolazione) e cerca di individuare, mediante diverse iterazioni, un certo numero di soluzioni ottimali, che si andranno a trovare su un fronte di Pareto. La diversità sta nel fatto che ora esistono due o più funzioni fitness da valutare. In questa sezione verranno analizzati ed affrontati dei problemi didattici per mostrare come si applica un algoritmo genetico. Il problema dello zaino consiste nel riuscire ad inserire in uno zaino con una certa capienza più oggetti possibili prelevati da un elenco dato rispettando anche particolari vincoli di peso. La soluzione ottima consiste nel riuscire ad inserire nello zaino quanti più oggetti possibili senza superare i limiti di peso imposti. Il problema del commesso viaggiatore consiste nel riuscire a visitare almeno una volta tutte le città presenti in un elenco, sfruttando al meglio i collegamenti tra queste e percorrendo meno strada possibile.

Algoritmo genetico

Nel campo dell'apprendimento automatico, una rete neurale artificiale (in inglese "artificial neural network", abbreviato in ANN o anche come NN) è un modello computazionale composto di "neuroni" artificiali, ispirato vagamente dalla semplificazione di una rete neurale biologica. Questi modelli matematici sono troppo semplici per ottenere una comprensione delle reti neurali biologiche, ma sono utilizzati per tentare di risolvere problemi ingegneristici di intelligenza artificiale come quelli che si pongono in diversi ambiti tecnologici (in elettronica, informatica, simulazione, e altre discipline). Una rete neurale artificiale può essere realizzata sia da programmi software che da hardware dedicato (DSP, "Digital Signal Processing"). Questa branca può essere utilizzata in congiunzione alla logica fuzzy. L'ampia varietà di modelli non può prescindere dal costituente di base, il neurone artificiale proposto da W.S. McCulloch e Walter Pitts in un famoso lavoro del 1943: ""A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity"", il quale schematizza un combinatore lineare a soglia, con dati binari multipli in entrata e un singolo dato binario in uscita: un numero opportuno di tali elementi, connessi in modo da formare una rete, è in grado di calcolare semplici funzioni booleane. Le prime ipotesi di apprendimento furono introdotte da D. O. Hebb nel libro del 1949: ""The organization of behavior"", nel quale vengono proposti collegamenti con i modelli complessi del cervello. Nel 1958, J. Von Neumann nella sua opera ""The computer and the brain"" esamina le soluzioni proposte dai precedenti autori sottolineando la scarsa precisione che queste strutture possedevano per potere svolgere operazioni complesse. Nello stesso anno, Frank Rosenblatt nel libro "Psychological review" introduce il primo schema di rete neurale, detto "Perceptron" (percettrone), antesignano delle attuali reti neurali, per il riconoscimento e la classificazione di forme, allo scopo di fornire un'interpretazione dell'organizzazione generale dei sistemi biologici. Il modello probabilistico di Rosenblatt è quindi mirato all'analisi, in forma matematica, di funzioni quali l'immagazzinamento delle informazioni, e della loro influenza sul riconoscimento dei pattern; esso costituisce un progresso decisivo rispetto al modello binario di McCulloch e Pitts, perché i suoi pesi sinaptici sono variabili e quindi il percettrone è in grado di apprendere. L'opera di Rosenblatt stimola una quantità di studi e ricerche che dura per un decennio, e suscita un vivo interesse e notevoli aspettative nella comunità scientifica, destinate tuttavia ad essere notevolmente ridimensionate allorché nel 1969 Marvin Minsky e Seymour A. Papert, nell'opera ""An introduction to computational geometry"", mostrano i limiti operativi delle semplici reti a due strati basate sul percettrone, e dimostrano l'impossibilità di risolvere per questa via molte classi di problemi, ossia tutti quelli non caratterizzati da separabilità lineare delle soluzioni: questo tipo di rete neurale non è abbastanza potente: non è infatti neanche in grado di calcolare la funzione "or esclusivo" (XOR). A causa di queste limitazioni, al periodo di euforia dovuto ai primi risultati della cibernetica (come veniva chiamata negli anni sessanta) segue un periodo di diffidenza durante il quale tutte le ricerche in questo campo non ricevono più alcun finanziamento dal governo degli Stati Uniti d'America; le ricerche sulle reti tendono, di fatto, a ristagnare per oltre un decennio, e l'entusiasmo iniziale risulta fortemente ridimensionato. Il contesto matematico per addestrare le reti MLP ("Multi-Layers Perceptron", ossia percettrone multistrato) fu stabilito dal matematico americano Paul Werbos nella sua tesi di dottorato (Ph.D.) del 1974. Non fu dato molto peso al suo lavoro tanto fu forte la confutazione dimostrata da Minsky e Papert anni prima, e solo l'intervento di J. J. Hopfield, nel 1982, che in un suo lavoro studia dei modelli di riconoscimento di pattern molto generali, si oppose in modo diretto alla confutazione di Minsky riaprendo così degli spiragli per la ricerca in questo campo. Uno dei metodi più noti ed efficaci per l'addestramento di tale classe di reti neurali è il cosiddetto algoritmo di retropropagazione dell'errore (error backpropagation), proposto nel 1986 da David E. Rumelhart, G. Hinton e R. J. Williams, il quale modifica sistematicamente i pesi delle connessioni tra i nodi, così che la risposta della rete si avvicini sempre di più a quella desiderata. Tale lavoro fu prodotto riprendendo il modello creato da Werbos. L'algoritmo di retropropagazione ("backpropagation" o BP) è una tecnica d'apprendimento tramite esempi, costituente una generalizzazione dell'algoritmo d'apprendimento per il percettrone sviluppato da Rosenblatt nei primi anni '60. Mediante questa tecnica era possibile, come detto, trattare unicamente applicazioni caratterizzabili come funzioni booleane linearmente separabili. L'algoritmo di apprendimento si basa sul metodo della discesa del gradiente che permette di trovare un minimo locale di una funzione in uno spazio a N dimensioni. I pesi associati ai collegamenti tra gli strati di neuroni si inizializzano a valori piccoli (ovvero molto inferiori ai valori reali che poi assumeranno) e casuali e poi si applica la regola di apprendimento presentando alla rete dei pattern di esempio. Queste reti neurali sono poi capaci di generalizzare in modo appropriato, cioè di dare risposte plausibili per input che non hanno mai visto. L'addestramento di une rete neurale di tipo BP avviene in due diversi stadi: "forward-pass" e "backward-pass". Nella prima fase i vettori in input sono applicati ai nodi in ingresso con una propagazione in avanti dei segnali attraverso ciascun livello della rete ("forward-pass"). Durante questa fase i valori dei pesi sinaptici sono tutti fissati. Nella seconda fase la risposta della rete viene confrontata con l'uscita desiderata ottenendo il segnale d'errore. L'errore calcolato è propagato nella direzione inversa rispetto a quella delle connessioni sinaptiche. I pesi sinaptici infine sono modificati in modo da minimizzare la differenza tra l'uscita attuale e l'uscita desiderata ("backward-pass"). Tale algoritmo consente di superare le limitazioni del percettrone e di risolvere il problema della separabilità non lineare (e quindi di calcolare la funzione XOR), segnando il definitivo rilancio delle reti neurali, come testimoniato anche dall'ampia varietà d'applicazioni commerciali: attualmente la BP rappresenta un algoritmo di largo uso in molti campi applicativi. Una rete neurale artificiale (ANN ""Artificial Neural Network"" in inglese), normalmente chiamata solo "rete neurale" (NN ""Neural Network"" in inglese), è un modello matematico/informatico di calcolo basato sulle reti neurali biologiche. Tale modello è costituito da un gruppo di interconnessioni di informazioni costituite da neuroni artificiali e processi che utilizzano un approccio di connessionismo di calcolo. Nella maggior parte dei casi una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la propria struttura in base a informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete stessa durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Una rete neurale artificiale riceve segnali esterni su uno strato di nodi (unità di elaborazione) d'ingresso, ciascuno dei quali è collegato con numerosi nodi interni, organizzati in più livelli. Ogni nodo elabora i segnali ricevuti e trasmette il risultato a nodi successivi. Il concetto di rete neurale si pone perché una funzione formula_1 è definita come una composizione di altre funzioni formula_2, che possono a loro volta essere ulteriormente definite come composizione di altre funzioni. Questo può essere comodamente rappresentato come una struttura di reti, con le frecce raffiguranti le dipendenze tra variabili. Una rappresentazione ampiamente utilizzata è la somma ponderata non lineare, dove formula_3, dove formula_4 è una funzione predefinita, come ad esempio la tangente iperbolica. Sarà conveniente per le seguenti far riferimento ad un insieme di funzioni come un vettore formula_5. La Figura 1 esemplifica una decomposizione della funzione formula_6, con dipendenze tra le variabili indicate dalle frecce. Queste possono essere interpretate in due modi: I due punti di vista sono in gran parte equivalenti. In entrambi i casi, per questa particolare architettura di rete, i componenti dei singoli strati sono indipendenti l'uno dall'altro (ad esempio, le componenti di formula_8 sono indipendenti l'una dall'altra, dato il loro ingresso formula_15). Questo, naturalmente, permette un certo grado di parallelismo nella costruzione del sistema. Reti, come ad esempio quelle precedenti vengono comunemente chiamate ""feedforward"", perché il loro è un grafico aciclico diretto. Reti con cicli al loro interno sono comunemente chiamati reti ricorrenti. Tali reti sono comunemente raffigurate nel modo indicato nella parte superiore della Figura 2, dove la funzione formula_6 è mostrata come dipendente su se stessa. Tuttavia, vi è una dipendenza temporale implicita che non è possibile dimostrare. Questo significa in pratica che il valore di formula_6 ad un certo punto nel tempo formula_18 dipende dai valori di formula_6 al tempo zero o su uno o più altri punti temporali. Il modello del grafico nella parte inferiore della Figura 2 illustra il caso in cui il valore di formula_6 al tempo formula_18 dipende solo dal suo valore finale. Tuttavia la funzionalità più interessante di queste funzioni, ciò che ha attirato l'interesse e lo studio per la maggior parte delle reti neurali, è la possibilità di apprendimento, che in pratica significa la seguente: Ciò comporta la definizione di una funzione di costo formula_24 tale che, per la soluzione ottimale formula_25 formula_26 nessuna soluzione ha un costo inferiore al costo della soluzione ottimale. La funzione di costo formula_27 è un concetto importante nell'apprendimento, poiché si tratta di una misura di quanto è lontana da noi la soluzione ottimale del problema che vogliamo risolvere. Quindi vi sono una serie di algoritmi di apprendimento che cercano nello spazio delle soluzioni al fine di trovare una funzione che abbia il minor costo possibile. Per applicazioni in cui la soluzione dipende da alcuni dati, il costo deve essere necessariamente funzione delle osservazioni. Mentre è possibile definire per alcune reti una funzione di costo ad hoc, spesso si può utilizzare una particolare funzione di costo poiché gode delle proprietà desiderate (ad esempio, la convessità), o perché proviene da una particolare formulazione del problema (vale a dire, in una formulazione probabilistica, la probabilità a posteriori del modello può essere utilizzata come l'inverso del costo). In ultima analisi, la funzione di costo dipenderà dal compito. Vi sono tre grandi paradigmi di apprendimento, ciascuno corrispondente ad un particolare compito astratto di apprendimento. Si tratta dell'apprendimento supervisionato, apprendimento non supervisionato e l'apprendimento per rinforzo. Di solito un tipo di architettura di rete può essere impiegato in qualsiasi di tali compiti. L'algoritmo di apprendimento hebbiano (1984) si basa sul semplice principio che se due neuroni si attivano contemporaneamente, la loro interconnessione deve essere rafforzata. formula_28 dove formula_29, dove formula_30 è l'formula_31 ingresso e formula_32 è il tasso di apprendimento formula_33. La regola di Hebb è la seguente: l'efficacia di una particolare sinapsi cambia se e solo se c'è un'intensa attività simultanea dei due neuroni, con un'alta trasmissione di input nella sinapsi in questione. Esempio di procedura: In questo modo le connessioni possono solo irrobustirsi. Le connessioni si considerano irrobustite quando le unità presinaptica e postsinaptica sono d'accordo, altrimenti si indeboliscono. Si considerano funzioni bipolari (-1,1) invece che booleane (0,1). Le reti neurali si basano principalmente sulla simulazione di neuroni artificiali opportunamente collegati. Il modello rappresentato in figura è quello proposto da McCulloch e Pitts. I suddetti neuroni ricevono in ingresso degli stimoli e li elaborano. L'elaborazione può essere anche molto sofisticata ma in un caso semplice si può pensare che i singoli ingressi vengano moltiplicati per un opportuno valore detto peso, il risultato delle moltiplicazioni viene sommato e se la somma supera una certa soglia il neurone si attiva attivando la sua uscita. Il peso indica l'efficacia sinaptica della linea di ingresso e serve a quantificarne l'importanza, un ingresso molto importante avrà un peso elevato, mentre un ingresso poco utile all'elaborazione avrà un peso inferiore. Si può pensare che se due neuroni comunicano fra loro utilizzando maggiormente alcune connessioni allora tali connessioni avranno un peso maggiore, fino a che non si creeranno delle connessioni tra l'ingresso e l'uscita della rete che sfruttano "percorsi preferenziali". Tuttavia è sbagliato pensare che la rete finisca col produrre un unico percorso di connessione: tutte le combinazioni infatti avranno un certo peso, e quindi contribuiscono al collegamento ingresso/uscita. Il modello in figura rappresenta una classica rete neurale pienamente connessa. I singoli neuroni vengono collegati alla schiera di neuroni successivi, in modo da formare una rete di neuroni. Normalmente una rete è formata da tre strati. Nel primo abbiamo gli ingressi (I), questo strato si preoccupa di trattare gli ingressi in modo da adeguarli alle richieste dei neuroni. Se i segnali in ingresso sono già trattati può anche non esserci. Il secondo strato è quello nascosto (H, "hidden"), si preoccupa dell'elaborazione vera e propria e può essere composto anche da più colonne di neuroni. Il terzo strato è quello di uscita (O) e si preoccupa di raccogliere i risultati ed adattarli alle richieste del blocco successivo della rete neurale. Queste reti possono essere anche molto complesse e coinvolgere migliaia di neuroni e decine di migliaia di connessioni. Per costruire la struttura di una rete neurale multistrato si possono inserire formula_38 strati "hidden." L'efficacia di generalizzare di una rete neurale multistrato dipende ovviamente dall'addestramento che ha ricevuto e dal fatto di essere riuscita o meno ad entrare in un minimo locale buono. L'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation") è utilizzato nell'apprendimento con supervisione. Esso permette di modificare i pesi delle connessioni in modo tale che si minimizzi una certa funzione errore E. Tale funzione dipende dal vettore h-esimo di output formula_39 restituito dalla rete, dato il vettore h-esimo di ingresso formula_40 e dal vettore h-esimo di output formula_41che noi desideriamo (che fa parte del training set). Il training set è dunque un insieme di N coppie di vettori formula_42, con formula_43. La funzione errore che si deve minimizzare si può scrivere come: formula_44 dove l'indice k rappresenta il valore corrispondente al k-esimo neurone di output. E(w) è una funzione dipendente dai pesi (che in generale variano nel tempo), per minimizzarla si può usare l'algoritmo della discesa del gradiente ("gradient descent"). L'algoritmo parte da un punto generico formula_45 e calcola il gradiente formula_46. Il gradiente dà la direzione verso cui muoversi lungo la quale si ha il massimo incremento (o decremento se considero formula_47). Definita la direzione ci si muove di una distanza formula_32 predefinita a priori e si trova un nuovo punto formula_49 sul quale è calcolato nuovamente il gradiente. Si continua iterativamente finché il gradiente non è nullo. L'algoritmo di backpropagation può essere diviso in due passi: I passi logici per addestrare una rete neurale con apprendimento supervisionato sono i seguenti: Per l'addestramento di reti neurali profonde, impiegando dataset molto vasti, la discesa del gradiente classica risulta computazionalmente proibitiva, per cui nell'ottimizzare i parametri del modello si fa tipicamente uso dell'algoritmo di discesa stocastica del gradiente. Nel 1982, il fisico John J. Hopfield pubblica un articolo fondamentale in cui presenta un modello matematico comunemente noto appunto come rete di Hopfield: tale rete si distingue per "l'emergere spontaneo di nuove capacità computazionali dal comportamento collettivo di un gran numero di semplici elementi d'elaborazione". Le proprietà collettive del modello producono una memoria associativa per il riconoscimento di configurazioni corrotte e il recupero di informazioni mancanti. Inoltre, Hopfield ritiene che ogni sistema fisico possa essere considerato come un potenziale dispositivo di memoria, qualora esso disponga di un certo numero di stati stabili, i quali fungano da attrattore per il sistema stesso. Sulla base di tale considerazione, egli si spinge a formulare la tesi secondo cui la stabilità e la collocazione di tali attrattori sono proprietà spontanee di sistemi costituiti, come accennato, da considerevoli quantità di neuroni reciprocamente interagenti. Le applicazioni delle reti di Hopfield riguardano principalmente la realizzazione di memorie associative, resistenti all'alterazione delle condizioni operative, e la soluzione di problemi d'ottimizzazione combinatoriale. Da un punto di vista strutturale, la rete di Hopfield costituisce una rete neurale ricorrente simmetrica, di cui è garantita la convergenza. Una rete ricorrente è un modello neurale in cui è presente un flusso bidirezionale d'informazioni; in altri termini, mentre nelle reti di tipo feedforward la propagazione dei segnali avviene unicamente, in maniera continua, nella direzione che conduce dagli ingressi alle uscite, nelle reti ricorrenti tale propagazione può anche manifestarsi da uno strato neurale successivo ad uno precedente, oppure tra neuroni appartenenti ad uno stesso strato, e persino tra un neurone e sé stesso. Un significativo e noto esempio di semplice rete ricorrente è dovuto a Jeffrey L. Elman (1990). Essa costituisce una variazione sul tema del percettrone multistrato, con esattamente tre strati e l'aggiunta di un insieme di neuroni "contestuali" nello strato d'ingresso. Le connessioni retroattive si propagano dallo strato intermedio (e nascosto) a tali unità contestuali, alle quali si assegna peso costante e pari all'unità. In ciascun istante, gli ingressi si propagano nel modo tradizionale e tipico delle reti feedforward, compresa l'applicazione dell'algoritmo d'apprendimento (solitamente la "backpropagation"). Le connessioni retroattive fisse hanno come effetto quello di mantenere una copia dei precedenti valori dei neuroni intermedi, dal momento che tale flusso avviene sempre prima della fase d'apprendimento. In questo modo la rete di Elman tiene conto del suo stato precedente, cosa che le consente di svolgere compiti di previsione di sequenze temporali che sono difficilmente alla portata dei percettroni multistrato convenzionali. Infine, un ultimo interessante tipo di rete è costituita dalla cosiddetta mappa auto-organizzante o rete SOM ("Self-Organizing Map"). Tale innovativo tipo di rete neurale è stata elaborata da Teuvo Kohonen dell'Università Tecnologica di Helsinki; il suo algoritmo d'apprendimento è senza dubbio una brillante formulazione di apprendimento non supervisionato, e ha dato luogo a un gran numero di applicazioni nell'ambito dei problemi di classificazione. Una mappa o rete SOM è basata essenzialmente su un reticolo o griglia di neuroni artificiali i cui pesi sono continuamente adattati ai vettori presentati in ingresso nel relativo insieme di addestramento. Tali vettori possono essere di dimensione generica, anche se nella maggior parte delle applicazioni essa è piuttosto alta. Per ciò che riguarda le uscite della rete, al contrario, ci si limita di solito ad una dimensione massima pari a tre, il che consente di dare luogo a mappe 2D o 3D. In termini più analitici, l'algoritmo può essere agevolmente descritto, come accennato, nei termini di un insieme di neuroni artificiali, ciascuno con una precisa collocazione sulla mappa rappresentativa degli "output", che prendono parte ad un processo noto come "winner takes all" ("Il vincitore piglia tutto"), al termine del quale il nodo avente un vettore di pesi più vicino ad un certo "input" è dichiarato vincitore, mentre i pesi stessi sono aggiornati in modo da avvicinarli al vettore in ingresso. Ciascun nodo ha un certo numero di nodi adiacenti. Quando un nodo vince una competizione, anche i pesi dei nodi adiacenti sono modificati, secondo la regola generale che più un nodo è lontano dal nodo vincitore, meno marcata deve essere la variazione dei suoi pesi. Il processo è quindi ripetuto per ogni vettore dell'insieme di "training", per un certo numero, solitamente grande, di cicli. Va da sé che ingressi diversi producono vincitori diversi. Operando in tal modo, la mappa riesce alfine ad associare i nodi d'uscita con i gruppi o schemi ricorrenti nell'insieme dei dati in ingresso. Se questi schemi sono riconoscibili, essi possono essere associati ai corrispondenti nodi della rete addestrata. In maniera analoga a quella della maggioranza delle reti neurali artificiali, anche la mappa o rete SOM può operare in due distinte modalità: In generale una ANN ("Attractor Neural Network") è una rete di nodi (es: biologicamente ispirati), spesso interconnessi in modo ricorsivo, la cui dinamica nel tempo stabilisce un assestamento in un particolare modo di oscillazione. Questo modo di oscillazione può essere stazionario, variante nel tempo o di tipo stocastico ed è chiamato il suo 'attrattore'. In neuroscienza teorica diversi tipi di reti ad attrattori sono state associate a differenti funzioni, come: memoria, attenzione, condotta del moto e classificazione. Più precisamente, una rete ad attrattori è una rete di N nodi connessi in modo che la loro intera dinamica diventi stabile in uno spazio D dimensionale, dove solitamente N»D. Ciò assume che non vi sia più input dall'esterno del sistema. La stabilità nello stato ad attrattore indica l'esistenza di uno stato stabile in una qualche varietà algebrica (es: linea, cerchio, piano, toroide). L'utilità dei modelli di rete neurale sta nel fatto che queste possono essere usate per comprendere una funzione utilizzando solo le osservazioni sui dati. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni in cui la complessità dei dati o la difficoltà di elaborazione rende la progettazione di una tale funzione impraticabile con i normali procedimenti di analisi manuale. I compiti a cui le reti neurali sono applicate possono essere classificate nelle seguenti grandi categorie di applicazioni: Le aree di applicazione includono i sistemi di controllo (controllo di veicoli, controllo di processi), simulatori di giochi e processi decisionali (backgammon, scacchi), riconoscimento di pattern (sistemi radar, identificazione di volti, riconoscimento di oggetti, ecc), riconoscimenti di sequenze (riconoscimento di gesti, riconoscimento vocale, OCR), diagnosi medica, applicazioni finanziarie, data mining, filtri spam per e-mail. Le reti neurali per come sono costruite lavorano in parallelo e sono quindi in grado di trattare molti dati. Si tratta in sostanza di un sofisticato sistema di tipo statistico dotato di una buona immunità al rumore; se alcune unità del sistema dovessero funzionare male, la rete nel suo complesso avrebbe delle riduzioni di prestazioni ma difficilmente andrebbe incontro ad un blocco del sistema. I software di ultima generazione dedicati alle reti neurali richiedono comunque buone conoscenze statistiche; il grado di apparente utilizzabilità immediata non deve trarre in inganno, pur permettendo all'utente di effettuare subito previsioni o classificazioni, seppure con i limiti del caso. Da un punto di vista industriale, risultano efficaci quando si dispone di dati storici che possono essere trattati con gli algoritmi neurali. Ciò è di interesse per la produzione perché permette di estrarre dati e modelli senza effettuare ulteriori prove e sperimentazioni. I modelli prodotti dalle reti neurali, anche se molto efficienti, non sono spiegabili in linguaggio simbolico umano: i risultati vanno accettati "così come sono", da cui anche la definizione inglese delle reti neurali come "black box": in altre parole, a differenza di un sistema algoritmico, dove si può esaminare passo-passo il percorso che dall'input genera l'output, una rete neurale è in grado di generare un risultato valido, o comunque con una alta probabilità di essere accettabile, ma non è possibile spiegare come e perché tale risultato sia stato generato. Come per qualsiasi algoritmo di modellazione, anche le reti neurali sono efficienti solo se le variabili predittive sono scelte con cura. Non sono in grado di trattare in modo efficiente variabili di tipo categorico (per esempio, il nome della città) con molti valori diversi. Necessitano di una fase di addestramento del sistema che fissi i pesi dei singoli neuroni e questa fase può richiedere molto tempo, se il numero dei record e delle variabili analizzate è molto grande. Non esistono teoremi o modelli che permettano di definire la rete ottima, quindi la riuscita di una rete dipende molto dall'esperienza del creatore. Le reti neurali vengono solitamente usate in contesti dove i dati possono essere parzialmente errati oppure dove non esistano modelli analitici in grado di affrontare il problema. Un loro tipico utilizzo è nei software di OCR, nei sistemi di riconoscimento facciale e più in generale nei sistemi che si occupano di trattare dati soggetti a errori o rumore. Esse sono anche uno degli strumenti maggiormente utilizzati nelle analisi di Data mining. Le reti neurali vengono anche utilizzate come mezzo per previsioni nell'analisi finanziaria o meteorologica. Negli ultimi anni è aumentata notevolmente la loro importanza anche nel campo della bioinformatica nel quale vengono utilizzate per la ricerca di pattern funzionali e/o strutturali in proteine e acidi nucleici. Mostrando opportunamente una lunga serie di input (fase di training o apprendimento), la rete è in grado di fornire l'output più probabile. Negli ultimi anni inoltre sono in corso studi per il loro utilizzo nella previsione degli attacchi Epilettici (Analisi dei Dati provenienti dall' EEG). Recenti studi hanno dimostrato buone potenzialità delle reti neurali in sismologia per la localizzazione di epicentri di terremoti e predizione della loro intensità.

Rete neurale artificiale

In matematica, la distanza di Minkowski è una distanza in uno spazio euclideo che può essere considerata una generalizzazione sia della distanza euclidea sia della distanza di Manhattan. La distanza di Minkowski di ordine formula_1 tra due punti formula_2 e formula_3 in formula_4 è definita come: Questa distanza si usa tipicamente con formula_6 o formula_7: il primo la distanza di Manhattan e il secondo rappresenta la distanza euclidea. Per formula_8 la distanza di Minkowski è una "metrica", nel senso che soddisfa la disuguaglianza triangolare come conseguenza della disuguaglianza di Minkowski. Quando formula_9, la distanza tra formula_10 e formula_11 è formula_12, ma il punto formula_13 è a distanza 1 da entrambi. Nel caso limite in cui formula_1 tende a infinito si ha la distanza di Čebyšëv: Per formula_1 che tende a formula_17, in modo simile si ha:

Distanza di Minkowski

Il DBSCAN ("Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise") è un metodo di clustering proposto nel 1996 da Martin Ester, Hans-Peter Kriegel, Jörg Sander and Xiaowei Xu. È basato sulla densità perché connette regioni di punti con densità sufficientemente alta. DBSCAN è l'algoritmo più comunemente usato ed è anche il più citato nella letteratura scientifica. DBSCAN usa una definizione di cluster basata sulla nozione di "density-reachability". Un punto formula_1 è direttamente raggiungibile da un punto formula_2 se la loro distanza è minore di un assegnato formula_3 (cioè, è parte del suo formula_3-vicinato) e se formula_2 è circondato da un sufficiente numero di punti, allora formula_2 e formula_1 possono essere considerati parti di un cluster. Il punto formula_1 è "density-reachable" da formula_2 se c'è una sequenza formula_10 di punti con formula_11 e formula_12 dove ogni formula_13 è density-reachable direttamente da formula_14. Si osservi che la relazione density-reachable non è simmetrica dato che formula_1 potrebbe situarsi su una periferia del cluster, avendo un numero insufficiente di vicini per considerarlo un elemento genuino del cluster. Di conseguenza la nozione "density-connected" diventa: due punti formula_2 e formula_1 sono density-connected se c'è un punto formula_18 tale che sia formula_18 e formula_2 sia formula_18 e formula_1 sono density-reachable. Un cluster, che è un sotto-insieme dei punti del database, soddisfa due proprietà: DBSCAN necessita di due parametri: formula_3 (eps) e del numero minimo di punti richiesti per formare un cluster (minPts). Si comincia con un punto casuale che non è stato ancora visitato. Viene calcolato il suo formula_3-vicinato e se contiene un numero sufficiente di punti viene creato un nuovo cluster. Se ciò non avviene il punto viene etichettato come rumore e successivamente potrebbe essere ritrovato in un formula_3-vicinato sufficientemente grande riconducibile ad un punto differente entrando a far parte di un cluster. Se un punto è associato ad un cluster anche i punti del suo formula_3-vicinato sono parte del cluster. Conseguentemente tutti i punti trovati all'interno del suo formula_3-vicinato sono aggiunti al cluster, così come i loro formula_3-vicinati. Questo processo continua fino a quando il cluster viene completato. Il processo continua fino a quando non sono stati visitati tutti i punti. DBSCAN(D, eps, MinPts) DBSCAN visita ogni punto del database, anche più volte nel caso di punti candidati a cluster differenti. Tuttavia per considerazioni pratiche la complessità temporale è per lo più governata dal numero di invocazioni a getVicini, in riferimento allo pseudo codice di cui sopra. DBSCAN esegue esattamente una invocazione per ogni punto e se viene utilizzata una struttura indicizzata che esegue un'interrogazione del vicinato in formula_29, si ottiene un tempo globale di esecuzione pari a formula_30. Senza l'uso di strutture indicizzate, il tempo di esecuzione è pari a formula_31. Spesso la matrice delle distanze di dimensione formula_32 viene creata per evitare appunto il ricalcolo delle distanze riducendo il tempo di elaborazione a spese della memoria utilizzata pari a formula_31. DBSCAN presenta i seguenti vantaggi: Il rilevamento del vicinato più vicino avviene nella funzione getVicini(P,epsilon). Per ogni punto P vengono determinati tutti gli altri punti che sono all'interno dell'intervallo epsilon, basandosi sulla funzione della distanza usata nell'algoritmo. L'analisi richiede che sia calcolata una matrice delle distanze per l'intero data set. La generazione della matrice delle distanze ha una complessità di formula_34dato che è necessaria solo una matrice triangolare superiore. All'interno della matrice delle distanze il vicinato più vicino può essere calcolato selezionando la tupla che ha come valori il minimo delle funzioni su riga e colonna. La ricerca ha spinto il rilevamento del vicinato, nei database tradizionali, per migliorare la velocità. Questi ultimi risolvono il problema utilizzando indici specificamente progettati per questo tipo di applicazioni. Ogni processo di data mining ha il problema dei parametri. Ogni parametro influenza l'algoritmo in modo specifico. Per il DBSCAN i parametri epsilon e MinPnts sono necessari. I parametri devono essere specificati dall'utente dato che ogni data set richiede parametri differenti. Un valore iniziale per formula_3 può essere determinato come un k-distance graph. Come per le regole del pollice, formula_36 può essere derivato dal numero di dimensioni nel data set formula_37 come formula_38. Tuttavia valori maggiori sono usualmente migliori per data set con rumore. Anche se questa stima dei parametri restituisce un insieme sufficiente di parametri, la classificazione risultante può rivelarsi diversa da ciò che si aspetta, pertanto la ricerca ha realizzato un'incrementale ottimizzazione dei parametri su particolari valori. Per ogni oggetto vengono trovati i vicini che ricadono in un raggio dato come parametro in ingresso; se il numero di questi vicini è superiore ad un fattore di soglia, anch'esso fornito in input all'algoritmo, allora questi punti fanno parte del medesimo cluster di quello dell'oggetto che si sta osservando e in questo caso il punto è denominato core point. Al termine dell'algoritmo ci potrebbero essere alcuni punti non appartenenti a cluster catalogati come "rumore". Se c'è una catena di oggetti da attraversare (con i consueti vincoli) per raggiungere un punto "q" da uno "p", allora "q" sarà detto semplicemente rintracciabile. Ultimo caso è quello in cui due oggetti "p" e "q" sono detti connessi: per essere definiti in tal modo, deve esistere un terzo punto "o", per cui "p" e "q" sono entrambi rintracciabili.

Dbscan

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

Un'ipotesi nulla (in inglese "null hypothesis," che significa letteralmente ipotesi zero) è un'affermazione sulla distribuzione di probabilità di una o più variabili casuali. Si intende per ipotesi nulla l'affermazione secondo la quale non ci sia differenza oppure non vi sia relazione tra due fenomeni misurati, o associazione tra due gruppi. Solitamente viene assunta vera finché non si trova evidenza che la confuti. Nel test statistico viene verificata in termini probabilistici la validità di un'ipotesi statistica, detta appunto ipotesi nulla, di solito indicata con "H". Attraverso una funzione dei dati campionari si decide se accettare l'ipotesi nulla o meno. Nel caso l'ipotesi nulla venga rifiutata si accetterà l'ipotesi alternativa, indicata con "H". Se si rifiuta un'ipotesi nulla che nella realtà è vera allora si dice che si è commesso un errore di prima specie (o falso positivo). Accettando invece un'ipotesi nulla falsa si commette un errore di seconda specie (o falso negativo). L'ipotesi può essere di tipo funzionale se riferita alla forma della f (x;θ) con f funzione di densità o di probabilità, o parametrica se riferita al vettore incognito θ. L'ipotesi è semplice quando specifica completamente la f (x;θ). Nel caso un'ipotesi non sia semplice si dirà composta. Quando si considera un solo parametro l'ipotesi semplice è del tipo θ=θ, dove θ è un valore particolare. Un'ipotesi è unilaterale se è del tipo θ > θ oppure del tipo θ < θ. Un'ipotesi è bilaterale se è del tipo θ ≠ θ oppure del tipo θ < θ e θ > θ.

Ipotesi nulla

Lo scarto quadratico medio (o deviazione standard o scarto tipo) è un indice di dispersione statistico, vale a dire una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una variabile casuale. È uno dei modi per esprimere la dispersione dei dati intorno ad un indice di posizione, quale può essere, ad esempio, la media aritmetica o una sua stima. Ha pertanto la stessa unità di misura dei valori osservati (al contrario della varianza che ha come unità di misura il quadrato dell'unità di misura dei valori di riferimento). In statistica la precisione si può esprimere come lo scarto quadratico medio. Il termine ""standard deviation"" è stato introdotto in statistica da Pearson nel 1894 assieme alla lettera greca formula_1 (sigma) che lo rappresenta. Il termine italiano "deviazione standard" ne è la traduzione più utilizzata nel linguaggio comune; il termine dell'Ente Nazionale Italiano di Unificazione è tuttavia "scarto tipo", definito come la radice quadrata positiva della varianza per lo meno fin dal 1984. Se non indicato diversamente, lo scarto quadratico medio è la radice quadrata della varianza, la quale viene coerentemente rappresentata con il quadrato di sigma (formula_2). In statistica lo scarto quadratico medio di un carattere rilevato su una popolazione di formula_3 unità statistiche si definisce esplicitamente come: dove formula_5 è la media aritmetica di formula_6. Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile può essere calcolata a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato. A partire dallo scarto quadratico medio si definisce anche il coefficiente di variazione o la "deviazione standard relativa" come il rapporto tra lo scarto tipo formula_7 e il valore assoluto della media aritmetica della variabile in esame: Questo indice relativo (che viene spesso espresso in termini percentuali) consente di effettuare confronti tra dispersioni di dati di tipo diverso, indipendentemente dalle loro quantità assolute. Nell'ambito della statistica inferenziale (dove è noto solo un campione della popolazione), soprattutto nell'ambito della teoria della stima, a volte si rimpiazza il denominatore formula_3 con formula_10 ottenendo: Sostanzialmente, poiché non è nota la media dell'intera popolazione, ma solo una sua stima (la media del campione), bisogna utilizzare formula_10 per ottenere uno stimatore corretto formula_13 della varianza incognita formula_7 di formula_6 sull'intera popolazione a partire dai dati del campione. La sua radice quadrata diviene lo scarto quadratico medio "corretto". Questa correzione al denominatore fa sì che la nuova definizione sia un po' più grande della precedente, correggendo così la tendenza della precedente a sottostimare le incertezze soprattutto nel caso in cui si lavori con pochi dati (formula_3 piccolo). Osserviamo il caso limite di formula_17, cioè quando si ha un campione di un solo elemento: la prima definizione dà il risultato formula_18, che ovviamente non è molto ragionevole nell'ambito della statistica inferenziale, mentre quella "corretta" dà un risultato non definito del tipo formula_19, rispecchiando così la totale ignoranza inerente all'incertezza su una singola misura. In questo senso, si dice che la statistica non dice nulla sul singolo caso. Osserviamo che la differenza tra le due definizioni per campioni molto estesi è spesso numericamente insignificante. Il calcolo può essere semplificato come segue: cioè, applicando il tutto alla formula originale: Sia formula_6 una variabile aleatoria, lo scarto quadratico medio è definito come la radice quadrata della varianza di formula_6 Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile aleatoria può essere calcolato a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato, cioè dove formula_26 è il valore atteso di formula_6. In ambito finanziario, lo scarto quadratico medio viene usato per indicare la variabilità di un'attività finanziaria e dei suoi payoff (rendimenti). Esso fornisce quindi, implicitamente, una misura della volatilità dell'attività, quindi del suo rischio. In fisica, è un ottimo indice dell'errore casuale della misurazione di una grandezza fisica. In ambito sportivo è utilizzato per valutare la prestazione di un giocatore di bowling in riferimento ad un certo numero di partite. Il valore trovato non incide sul punteggio ma sintetizza le capacità e i miglioramenti del giocatore. In ingegneria, è uno dei parametri da considerare per valutare la capacità di un processo produttivo. Nelle applicazioni informatiche, è a volte conveniente utilizzare la formula che consente, con sole tre variabili formula_29, di calcolare lo scarto quadratico medio, oltre che la media, di un flusso di numeri di lunghezza formula_3 senza dover ricorrere ad una memorizzazione degli stessi.

Scarto quadratico medio

, o richiamo (in inglese "precision" e "recall") sono due comuni classificazioni statistiche, utilizzate in diversi ambiti del sapere, come per es. l'information retrieval. La precisione può essere vista come una misura di "esattezza" o fedeltà, mentre il recupero è una misura di "completezza". Nell'Information Retrieval, la precisione è definita come il numero di documenti attinenti recuperati da una ricerca diviso il numero totale di documenti recuperati dalla stessa ricerca, e il recupero è definito come il numero di documenti attinenti recuperati da una ricerca diviso il numero totale di documenti attinenti esistenti (che dovrebbe essere stato recuperato). In un processo di classificazione statistica, la precisione per una classe è il numero di veri positivi (il numero di oggetti etichettati correttamente come appartenenti alla classe) diviso il numero totale di elementi etichettati come appartenenti alla classe (la somma di veri positivi e falsi positivi, che sono oggetti etichettati erroneamente come appartenenti alla classe). Recupero in questo contesto è definito come il numero di veri positivi diviso il numero totale di elementi che attualmente appartengono alla classe (per esempio la somma di veri positivi e falsi negativi, che sono oggetti che non sono stati etichettati come appartenenti alla classe ma dovrebbero esserlo). Nell'Information Retrieval, un valore di precisione di 1.0 significa che ogni risultato recuperato da una ricerca è attinente mentre un valore di recupero pari a 1.0 significa che tutti i documenti attinenti sono stati recuperati dalla ricerca. In un processo di classificazione, un valore di precisione di 1.0 per la classe C significa che ogni oggetto che è stato etichettato come appartenente alla classe C vi appartiene davvero (ma non dice niente sul numero di elementi della classe C che non sono stati etichettati correttamente) mentre un valore di recupero pari ad 1.0 significa che ogni oggetto della classe C è stato etichettato come appartenente ad essa (ma non dice niente sul numero di elementi etichettati non correttamente con C). Nell'information retrieval, precisione e recupero sono definite in termini di insieme di documenti recuperati (lista di documenti restituiti da un motore di ricerca rispetto ad una query) e un insieme di documenti attinenti (lista di tutti i documenti che sono attinenti per l'argomento cercato). formula_1 formula_2 In un processo di classificazione, i termini vero positivo, vero negativo, falso positivo e falso negativo sono usati per confrontare la classificazione di un oggetto (l'etichetta di classe assegnata all'oggetto da un classificatore) con la corretta classificazione desiderata (la classe a cui in realtà appartiene l'oggetto). Precisione e recupero sono definite come:

Precisione e recupero

In statistica il campionamento statistico (che si appoggia alla teoria dei campioni o teoria del campionamento), sta alla base dell'inferenza statistica, la quale si divide in due grandi capitoli: la teoria della stima e la verifica d'ipotesi. In particolare, una rilevazione si dice "campionaria" quando è utile per fare inferenza ossia per desumere dal campione stesso un'informazione relativa all'intera popolazione. Le indagini censuarie riguardano l'intera popolazione e pur essendo più affidabili riguardo al parametro oggetto d'indagine soffrono di: Quindi mentre l'indagine censuaria fornisce il valore vero dei parametri di interesse (proporzioni, percentuali, medie, totali...) quella campionaria restituisce una sua stima al quale è associato un certo grado di fiducia (ovvero un'incertezza) quantificabile quando la formazione del campione risponde a determinati criteri di tipo probabilistico. Il campionamento si usa quando si vuole conoscere uno o più parametri di una popolazione, senza doverne analizzare ogni elemento: questo per motivi di costi intesi in termini monetari, di tempo, di qualità o di disagio o perché analizzare un elemento lo distrugge rendendo inutilizzabile l'informazione ottenuta. Modalità di selezione del campione sono: Nella pratica quotidiana dei sondaggi di opinione e delle ricerche di mercato vengono usati tutti e quattro gli approcci. La scelta di un tipo di campionamento avviene in base alle proprietà degli stimatori di alcuni parametri oppure per tener conto di problemi di costo, mobilità o altro. Concetti chiave sono: Benché già nel Settecento si sia notato il vantaggio nell'esaminare un sottinsieme della popolazione per generalizzare i risultati alla popolazione complessiva, è solo dalla fine dell'Ottocento che la discussione sulla "scientificità" del campionamento viene posta in modo esplicito alla comunità statistica. Già agli inizi del Novecento si vanno delineando le caratteristiche che un campione deve avere, ovvero che deve essere scelto in maniera casuale, e nell'arco di pochi anni compaiono i primi studi che mettono in evidenza che il campione non deve essere necessariamente un campione semplice ma può essere più complesso, per esempio stratificando. Importanti autori che hanno fatto la storia della teoria dei campioni sono stati tra gli altri: Nel 1925, durante il congresso di Roma, l'Istituto Internazionale di Statistica accetta definitivamente come scientifico il metodo campionario, distinguendo il campionamento casuale dal campionamento ragionato. Altri autori importanti nella ricerca teorica ed applicata sul campionamento furono George Gallup e William G. Cochran.

Campionamento statistico

, o richiamo (in inglese "precision" e "recall") sono due comuni classificazioni statistiche, utilizzate in diversi ambiti del sapere, come per es. l'information retrieval. La precisione può essere vista come una misura di "esattezza" o fedeltà, mentre il recupero è una misura di "completezza". Nell'Information Retrieval, la precisione è definita come il numero di documenti attinenti recuperati da una ricerca diviso il numero totale di documenti recuperati dalla stessa ricerca, e il recupero è definito come il numero di documenti attinenti recuperati da una ricerca diviso il numero totale di documenti attinenti esistenti (che dovrebbe essere stato recuperato). In un processo di classificazione statistica, la precisione per una classe è il numero di veri positivi (il numero di oggetti etichettati correttamente come appartenenti alla classe) diviso il numero totale di elementi etichettati come appartenenti alla classe (la somma di veri positivi e falsi positivi, che sono oggetti etichettati erroneamente come appartenenti alla classe). Recupero in questo contesto è definito come il numero di veri positivi diviso il numero totale di elementi che attualmente appartengono alla classe (per esempio la somma di veri positivi e falsi negativi, che sono oggetti che non sono stati etichettati come appartenenti alla classe ma dovrebbero esserlo). Nell'Information Retrieval, un valore di precisione di 1.0 significa che ogni risultato recuperato da una ricerca è attinente mentre un valore di recupero pari a 1.0 significa che tutti i documenti attinenti sono stati recuperati dalla ricerca. In un processo di classificazione, un valore di precisione di 1.0 per la classe C significa che ogni oggetto che è stato etichettato come appartenente alla classe C vi appartiene davvero (ma non dice niente sul numero di elementi della classe C che non sono stati etichettati correttamente) mentre un valore di recupero pari ad 1.0 significa che ogni oggetto della classe C è stato etichettato come appartenente ad essa (ma non dice niente sul numero di elementi etichettati non correttamente con C). Nell'information retrieval, precisione e recupero sono definite in termini di insieme di documenti recuperati (lista di documenti restituiti da un motore di ricerca rispetto ad una query) e un insieme di documenti attinenti (lista di tutti i documenti che sono attinenti per l'argomento cercato). formula_1 formula_2 In un processo di classificazione, i termini vero positivo, vero negativo, falso positivo e falso negativo sono usati per confrontare la classificazione di un oggetto (l'etichetta di classe assegnata all'oggetto da un classificatore) con la corretta classificazione desiderata (la classe a cui in realtà appartiene l'oggetto). Precisione e recupero sono definite come:

Precisione e recupero

Un algoritmo genetico è un algoritmo euristico utilizzato per tentare di risolvere problemi di ottimizzazione per i quali non si conoscono altri algoritmi efficienti di complessità lineare o polinomiale. L'aggettivo "genetico", ispirato al principio della selezione naturale ed evoluzione biologica teorizzato nel 1859 da Charles Darwin, deriva dal fatto che, al pari del modello evolutivo darwiniano che trova spiegazioni nella branca della biologia detta genetica, gli algoritmi genetici attuano dei meccanismi concettualmente simili a quelli dei processi biochimici scoperti da questa scienza. In sintesi gli algoritmi genetici consistono in algoritmi che permettono di valutare diverse soluzioni di partenza (come se fossero diversi individui biologici) e che ricombinandole (analogamente alla riproduzione biologica sessuata) ed introducendo elementi di disordine (analogamente alle mutazioni genetiche casuali) producono nuove soluzioni (nuovi individui) che vengono valutate scegliendo le migliori (selezione ambientale) nel tentativo di convergere verso soluzioni "di ottimo". Ognuna di queste fasi di ricombinazione e selezione si può chiamare generazione come quelle degli esseri viventi. Nonostante questo utilizzo nell'ambito dell'ottimizzazione, data la natura intrinsecamente casuale dell'algoritmo genetico, non vi è modo di sapere a priori se sarà effettivamente in grado di trovare una soluzione accettabile al problema considerato. Se si otterrà un soddisfacente risultato, non è detto che si capisca perché abbia funzionato, in quanto non è stato progettato da nessuno ma da una procedura casuale. Gli algoritmi genetici rientrano nello studio dell'intelligenza artificiale e più in particolare nella branca della "computazione evolutiva", vengono studiati e sviluppati all'interno del campo dell'intelligenza artificiale e delle tecniche di soft computing, ma trovano applicazione in un'ampia varietà di problemi afferenti a diversi contesti quali l'elettronica, la biologia e l'economia. La nascita degli algoritmi genetici trova origine dalle prime teorizzazioni di Ingo Rechenberg che, per la prima volta, nel 1960, cominciò a parlare di "strategie evoluzionistiche" all'interno dell'informatica. La vera prima creazione di un algoritmo genetico è tuttavia storicamente attribuita a John Henry Holland che, nel 1975, nel libro "Adaptation in Natural and Artificial Systems" pubblicò una serie di teorie e di tecniche tuttora di fondamentale importanza per lo studio e lo sviluppo della materia. Agli studi di Holland si deve infatti sia il teorema che assicura la convergenza degli algoritmi genetici verso soluzioni ottimali sia il cosiddetto teorema degli schemi, conosciuto anche come "teorema fondamentale degli algoritmi genetici". Quest'ultimo teorema fu originariamente pensato e dimostrato su ipotesi di codifica binaria ma nel 1991, Wright, l'ha estesa a casi di codifica con numeri reali dimostrando anche che una tale codifica è preferibile nel caso di problemi continui d'ottimizzazione. Enormi contributi si devono anche a John Koza che nel 1992 inventò la programmazione genetica ossia l'applicazione degli algoritmi genetici alla produzione di software in grado di evolvere diventando capace di svolgere compiti che in origine non era in grado di svolgere. Nel 1995 Stewart Wilson re-inventò i sistemi a classificatori dell'intelligenza artificiale ri-denominandoli come XCS e rendendoli capaci di apprendere attraverso le tecniche degli algoritmi genetici mentre nel 1998 Herrera e Lozano presentarono un'ampia rassegna di operatori genetici. Gli operatori di Herrera e Lozano sono applicabili a soluzioni codificate mediante numeri reali ed hanno reso il campo dei numeri reali un'appropriata e consolidata forma di rappresentazione per gli algoritmi genetici in domini continui. Prima dell'effettiva spiegazione del funzionamento degli algoritmi genetici, è necessario premettere che questi ereditano e riadattano dalla biologia alcune terminologie che vengono qui preventivamente presentate per una successiva maggiore chiarezza espositiva: Un tipico algoritmo genetico, nel corso della sua esecuzione, provvede a fare evolvere delle soluzioni secondo il seguente schema di base: L'iterazione dei passi presentati permette l'evoluzione verso una soluzione ottimizzata del problema considerato. Poiché questo algoritmo di base soffre del fatto che alcune soluzioni ottime potrebbero essere perse durante il corso dell'evoluzione e del fatto che l'evoluzione potrebbe ricadere e stagnare in "ottimi locali" spesso viene integrato con la tecnica dell'"elitarismo" e con quella delle mutazioni casuali. La prima consiste in un ulteriore passo precedente al punto "3" che copia nelle nuove popolazioni anche gli individui migliori della popolazione precedente, la seconda invece successiva al punto "4" introduce nelle soluzioni individuate delle occasionali mutazioni casuali in modo da permettere l'uscita da eventuali ricadute in ottimi locali. Come accennato le soluzioni al problema considerato, siano queste quelle casuali di partenza o quelle derivate da evoluzione, devono essere codificate con qualche tecnica. Le codifiche più diffuse sono: All'interno della codifica vettoriale è giusto introdurre anche i concetti di "schema" e di "blocchi costruttori" strettamente legati poi al teorema degli schemi di Holland. La funzione di fitness è quella che permette di associare ad ogni soluzione uno o più parametri legati al modo in cui quest'ultima risolve il problema considerato. Generalmente è associata alle prestazioni computazionali e quindi alle prestazioni temporali della soluzione. A causa di complessi fenomeni di interazione non lineare (epistaticità), non è dato per scontato né che da due soluzioni promettenti ne nasca una terza più promettente né che da due soluzioni con valori di fitness basso ne venga generata una terza con valore di fitness più basso. Per ovviare a questi problemi, durante la scelta delle soluzioni candidate all'evoluzione, oltre che sul parametro ottenuto dalla funzione di fitness ci si basa anche su particolari tecniche di "selezione". Le più comuni sono: Per semplicità, durante la spiegazione del crossover, si farà riferimento alle codifiche vettoriali ma il procedimento per le codifiche ad albero è simile ed invece che essere applicato ai campi dei vettori viene applicato ai nodi dell'albero. In base ad un operatore stabilito inizialmente, alcune parti dei geni delle soluzioni candidate all'evoluzione vengono mescolate per ricavare nuove soluzioni. Gli operatori più comunemente utilizzati sono: Non è detto che il crossover debba avvenire ad ogni iterazione dell'algoritmo genetico. Generalmente la frequenza di crossover è regolata da un apposito parametro comunemente denominato formula_9. La mutazione consiste nella modifica pseudocasuale di alcune parti dei geni in base a coefficienti definiti inizialmente. Queste modifiche alle volte sono utilizzate per migliorare il valore della funzione di fitness per la soluzione in questione e altre volte sono utilizzate per ampliare lo spazio di ricerca ed attuare la tecnica dell'elitarismo per non far ricadere l'evoluzione in ottimi locali. La frequenza con cui deve avvenire una mutazione è generalmente regolata da un apposito parametro comunemente denominato formula_10. Nel caso in cui si abbia più di un obiettivo da ottimizzare, è possibile utilizzare un algoritmo genetico multiobiettivo. Sostanzialmente l'algoritmo funziona come quando va a perseguire un singolo obiettivo, quindi parte sempre da un certo numero di possibili soluzioni (la popolazione) e cerca di individuare, mediante diverse iterazioni, un certo numero di soluzioni ottimali, che si andranno a trovare su un fronte di Pareto. La diversità sta nel fatto che ora esistono due o più funzioni fitness da valutare. In questa sezione verranno analizzati ed affrontati dei problemi didattici per mostrare come si applica un algoritmo genetico. Il problema dello zaino consiste nel riuscire ad inserire in uno zaino con una certa capienza più oggetti possibili prelevati da un elenco dato rispettando anche particolari vincoli di peso. La soluzione ottima consiste nel riuscire ad inserire nello zaino quanti più oggetti possibili senza superare i limiti di peso imposti. Il problema del commesso viaggiatore consiste nel riuscire a visitare almeno una volta tutte le città presenti in un elenco, sfruttando al meglio i collegamenti tra queste e percorrendo meno strada possibile.

Algoritmo genetico

Nella teoria delle decisioni (per esempio nella gestione dei rischi), un albero di decisione è un grafo di decisioni e delle loro possibili conseguenze, (incluso i relativi costi, risorse e rischi) utilizzato per creare un 'piano di azioni' ("plan") mirato ad uno scopo ("goal"). Un albero di decisione è costruito al fine di supportare l'azione decisionale ("decision making"). Nel machine learning un albero di decisione è un modello predittivo, dove ogni nodo interno rappresenta una variabile, un arco verso un nodo figlio rappresenta un possibile valore per quella proprietà e una foglia il valore predetto per la variabile obiettivo a partire dai valori delle altre proprietà, che nell'albero è rappresentato dal cammino ("path") dal nodo radice ("root") al nodo foglia. Normalmente un albero di decisione viene costruito utilizzando tecniche di apprendimento a partire dall'insieme dei dati iniziali ("data set"), il quale può essere diviso in due sottoinsiemi: il "training set" sulla base del quale si crea la struttura dell'albero e il "test set" che viene utilizzato per testare l'accuratezza del modello predittivo così creato. Nel data mining un albero di decisione viene utilizzato per classificare le istanze di grandi quantità di dati (per questo viene anche chiamato albero di classificazione). In questo ambito un albero di decisione descrive una struttura ad albero dove i nodi foglia rappresentano le classificazioni e le ramificazioni l'insieme delle proprietà che portano a quelle classificazioni. Di conseguenza ogni nodo interno risulta essere una macro-classe costituita dall'unione delle classi associate ai suoi nodi figli. Il predicato che si associa ad ogni nodo interno (sulla base del quale avviene la ripartizione dei dati) è chiamato "condizione di split". In molte situazioni è utile definire un criterio di arresto ("halting"), o anche "criterio di potatura" ("pruning") al fine di determinarne la profondità massima. Questo perché il crescere della profondità di un albero (ovvero della sua dimensione) non influisce direttamente sulla bontà del modello. Infatti, una crescita eccessiva della dimensione dell'albero potrebbe portare solo ad aumento sproporzionato della complessità computazionale rispetto ai benefici riguardanti l'accuratezza delle previsioni/classificazioni. Una sua evoluzione è la tecnica foresta casuale ("random forest"). I parametri più largamente usati per le condizioni di split sono: formula_1 L'indice di Gini raggiunge il suo minimo (zero) quando il nodo appartiene ad una singola categoria. formula_2 In entrambe le formule "f" rappresenta la frequenza del valore "j" nel nodo "i". L'indice di Gini e la variazione di entropia sono i parametri che vengono usualmente utilizzati per guidare la costruzione dell'albero, mentre la valutazione del tasso di errore nella classificazione viene utilizzato per effettuare una ottimizzazione dell'albero nota come processo di "pruning" ("potatura" dei nodi superflui). Poiché, in generale, in un buon albero di decisione i nodi foglia dovrebbero essere il più possibile "puri" (ovvero contenere solo istanze di dati che appartengono ad una sola classe), un'ottimizzazione dell'albero consiste nel cercare di minimizzare il livello di entropia man mano che si scende dalla radice verso le foglie. In tal senso, la valutazione dell'entropia determina quali sono, fra le varie scelte a disposizione, le condizioni di split ottimali per l'albero di classificazione.

Albero di decisione

L'analisi della regressione è una tecnica usata per analizzare una serie di dati che consistono in una variabile dipendente e una o più variabili indipendenti. Lo scopo è stimare un'eventuale relazione funzionale esistente tra la variabile dipendente e le variabili indipendenti. La variabile dipendente nell'"equazione di regressione" è una funzione delle variabili indipendenti più un "termine d'errore". Quest'ultimo è una variabile casuale e rappresenta una variazione non controllabile e imprevedibile nella variabile dipendente. I parametri sono stimati in modo da descrivere al meglio i dati. Il metodo più comunemente utilizzato per ottenere le migliori stime è il metodo dei "minimi quadrati" (OLS), ma sono utilizzati anche altri metodi. Il "data modeling" può essere usato senza alcuna conoscenza dei processi sottostanti che hanno generato i dati; in questo caso il modello è un modello empirico. Inoltre, nella modellizzazione, non è richiesta la conoscenza della distribuzione di probabilità degli errori. L'analisi della regressione richiede ipotesi riguardanti la distribuzione di probabilità degli errori. Test statistici vengono effettuati sulla base di tali ipotesi. Nell'analisi della regressione il termine "modello" comprende sia la funzione usata per modellare i dati che le assunzioni concernenti la distribuzione di probabilità. L'analisi della regressione può essere usata per effettuare previsioni (ad esempio per prevedere dati futuri di una serie temporale), inferenza statistica, per testare ipotesi o per modellare delle relazioni di dipendenza. Questi usi della regressione dipendono fortemente dal fatto che le assunzioni di partenza siano verificate. L'uso dell'analisi della regressione è stato criticato in diversi casi in cui le ipotesi di partenza non possono essere verificate. Un fattore che contribuisce all'uso improprio della regressione è che richiede più competenze per criticare un modello che per adattarlo. La prima forma di regressione fu il metodo dei minimi quadrati, pubblicato da Legendre nel 1805, e da Gauss nel 1809. Il termine “minimi quadrati” deriva da quello usato da Legendre: "moindres carrés". Tuttavia, Gauss affermò di essere a conoscenza di questo metodo fin dal 1795. Legendre e Gauss applicarono entrambi il metodo al problema di determinare, a partire da osservazioni astronomiche, l'orbita dei pianeti attorno al Sole. Eulero aveva lavorato sullo stesso problema intorno al 1748, ma senza successo. Gauss pubblicò un ulteriore sviluppo della teoria dei minimi quadrati nel 1821, includendo una versione del teorema di Gauss-Markov. Il termine "regressione" venne coniato nel diciannovesimo secolo per descrivere un fenomeno biologico, ovvero che la progenie di individui eccezionali tende in genere ad essere meno eccezionale dei propri genitori e più simile ai loro avi più distanti. Francis Galton, un cugino di Charles Darwin, studiò questo fenomeno e applicò il termine vagamente fuorviante di "regressione verso il centro/regressione verso la media". Per Galton, la regressione aveva solo questo significato biologico, ma il suo lavoro venne in seguito esteso da Udny Yule e Karl Pearson in un contesto statistico più generale. Oggi il termine "regressione" è spesso sinonimo di "curva intercetta dei minimi quadrati". Queste condizioni sono sufficienti (ma non tutte necessarie) perché lo stimatore dei minimi quadrati goda di buone proprietà. In particolare queste assunzioni implicano che lo stimatore sia non distorto, consistente ed efficiente nella classe degli stimatori lineari non distorti. Molte di queste assunzioni possono essere rilassate in analisi più avanzate. Nella regressione lineare, il modello assume che la variabile dipendente, formula_1 sia una combinazione lineare dei "parametri" (ma non è necessario che sia lineare nella "variabile indipendente"). Ad esempio, nella regressione lineare semplice con formula_2 osservazioni ci sono una variabile indipendente: formula_3, e due parametri, formula_4 e formula_5: Nella regressione lineare multipla, ci sono più variabili indipendenti o funzioni di variabili indipendenti. Ad esempio, aggiungendo un termine in formula_7 alla regressione precedente si ottiene: Si tratta ancora di una regressione lineare: sebbene l'espressione sulla destra sia quadratica nella variabile indipendente formula_3, è comunque lineare nei parametri formula_4, formula_5 e formula_12 In entrambi i casi, formula_13 è un termine di errore e l'indice formula_14 identifica una particolare osservazione. Dato un campione casuale della popolazione, stimiamo i parametri della popolazione e otteniamo il modello di regressione lineare semplice: Il termine formula_16 è il residuo, formula_17. Un metodo di stima è quello dei minimi quadrati ordinari. Questo metodo ottiene le stime dei parametri che minimizzano la somma dei quadrati dei residui, SSE: La minimizzazione di questa funzione risulta essere un sistema di equazioni normali, un insieme di equazioni lineari simultanee nei parametri, che vengono risolte per trovare le stime dei parametri, formula_19. Vedi coefficienti di regressione per informazioni sulle proprietà statistiche di tali stimatori. Nel caso della regressione semplice, le formule per le stime dei minimi quadrati sono dove formula_22 è la media (media) dei valori formula_23 e formula_24 è la media dei valori formula_25. Sotto l'ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia una varianza costante, la stima di quella varianza è data da: formula_26 Questo è la radice dell'errore quadratico medio (RMSE) della regressione. Gli errori standard delle stime dei parametri sono dati da Sotto l'ulteriore ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia distribuzione normale, il ricercatore può usare questi errori standard stimati per creare intervalli di confidenza e condurre test d'ipotesi sui parametri della popolazione. Nel più generale modello di regressione multipla, ci sono formula_29 variabili indipendenti: Le stime dei parametri dei minimi quadrati sono ottenute da formula_29 equazioni normali. Il residuo può essere scritto come Le equazioni normali sono In notazione matriciale, le equazioni normali sono scritte come Una volta costruito un modello di regressione, è importante confermare la bontà di adattamento del modello e la significatività statistica dei parametri stimati. I controlli della bontà di adattamento comunemente usati includono l'indice R-quadro, analisi dei residui e test di ipotesi. La significatività statistica è verificata con un test F dell'adattamento globale, seguito da t-test per ogni singolo parametro. L'interpretazione di questi test dipende fortemente dalle assunzioni sul modello. Nonostante l'analisi dei residui sia usata per determinare la bontà di un modello, i risultati dei test-T e dei test-F sono difficili da interpretare nel caso in cui le assunzioni di partenza non siano soddisfatte. Ad esempio, se la distribuzione degli errori non è normale, può accadere che in campioni di numerosità ridotta le stime dei parametri non seguano una distribuzione normale, cosa che complica l'inferenza. Per grandi campioni, il teorema del limite centrale permette di effettuare i test usando un'approssimazione asintotica delle distribuzioni. La variabile risposta può essere non continua. Per le variabili binarie (zero/uno), si può procedere con un particolare tipo di modello lineare linear probability model. Se si usa un modello non-lineare i modelli più utilizzati sono il probit e il modello logit. Il modello probit multivariato rende possibile stimare congiuntamente la relazione tra più variabili binarie dipendenti e alcune variabili indipendenti. Per variabili categoriche con più di due valori si utilizza il modello logit multinomiale. Per variabili ordinali con più di due valori, si utilizzano i modelli logit cumulativo e probit cumulativo. Un'alternativa a tali procedure è la regressione lineare basata su polychoric o polyserial correlazioni tra le variabili categoriche. Tali procedure differiscono nelle ipotesi fatte sulla distribuzione delle variabili nella popolazione. Se la variabile rappresenta una ripetizione di un evento nel tempo, è positiva e con poche realizzazioni ("eventi rari"), si possono utilizzare modelli di Poisson o binomiale negativa. I modelli di regressione predicono una variabile formula_25 partendo dai valori di altre variabili formula_23. Se i valori della previsione sono compresi nell'intervallo dei valori delle variabili formula_23 utilizzate per la costruzione del modello si parla di interpolazione. Se i valori escono dal range delle variabili esplicative si parla di estrapolazione. In questo caso la previsione diventa più rischiosa. Quando la funzione del modello non è lineare nei parametri la somma dei quadrati deve essere minimizzata da una procedura iterativa. Sebbene i parametri di un modello di regressione siano di solito stimati usando il metodo dei minimi quadrati, altri metodi includono: Tutti i principali pacchetti statistici eseguono i tipi comuni di analisi di regressione correttamente e in modo semplice. La regressione lineare semplice può essere fatta in alcuni fogli elettronici. C'è una quantità di programmi che esegue forme specializzate di regressione, e gli esperti possono scegliere di scrivere il loro proprio codice per usare o software per analisi numerica.

Analisi della regressione

La classificazione statistica è quell'attività che si serve di un algoritmo statistico al fine di individuare una rappresentazione di alcune caratteristiche di un'entità da classificare (oggetto o nozione), associandole una etichetta classificatoria. Tale attività può essere svolta mediante algoritmi di apprendimento automatico supervisionato o non supervisionato. Esempi di questi algoritmi sono: I programmi che effettuano l'attività di classificazione sono detti classificatori. Talora si usa l'aggettivo "statistica" anche per classificazioni utilizzate per costruire indicazioni statistiche sulle entità assegnate ai diversi contenitori di una classificazione, soprattutto nel caso delle tassonomie, mentre nella definizione della classificazione non si sono utilizzati precisi metodi statistici.

Classificazione statistica

Nell'ambito dell'inferenza statistica bayesiana, una distribuzione di probabilità a priori, detta spesso anche distribuzione a priori, di una quantità incognita "p" (per esempio, supponiamo "p" essere la proporzione di votanti che voteranno per il politico Rossi in un'elezione futura) è la distribuzione di probabilità che esprimerebbe l'incertezza di "p" prima che i "dati" (per esempio, un sondaggio di opinione) siano presi in considerazione. Il proposito è di attribuire incertezza piuttosto che casualità a una quantità incerta. La quantità incognita può essere un parametro o una variabile latente. Si applica il teorema di Bayes, moltiplicando la distribuzione a priori per la funzione di verosimiglianza e quindi normalizzando, per ottenere la distribuzione di probabilità a posteriori, la quale è la distribuzione condizionata della quantità incerta una volta ottenuti i dati. Spesso una distribuzione a priori è l'accertamento soggettivo (elicitazione) di una persona esperta. Quando possibile, alcuni sceglieranno una "distribuzione a priori coniugata" per rendere più semplice il calcolo della distribuzione a posteriori. I parametri di una distribuzione a priori sono chiamati "iperparametri", per distinguerli dai parametri del modello dei dati sottostanti. Per esempio, se si sta usando una distribuzione beta per modellare la distribuzione di un parametro "p" di una distribuzione di Bernoulli, allora: Una "distribuzione a priori informativa" esprime una specifica, definita informazione circa una variabile. Un esempio è la distribuzione a priori per la temperatura di domattina. Un approccio ragionevole è costruire la distribuzione a priori come una distribuzione normale con valore atteso uguale alla temperatura mattutina di oggi, con una varianza uguale alla varianza giorno per giorno della temperatura atmosferica, oppure come una distribuzione della temperatura per quel tal giorno dell'anno. Questo esempio ha una proprietà in comune con molte distribuzioni a priori, ovvero che la distribuzione a posteriori di un problema (temperatura odierna) diventa la distribuzione a priori per un altro problema (temperatura di domani); l'evidenza preesistente, che è già stata tenuta in conto, è parte della distribuzione a priori e come ulteriore evidenza viene accumulata. La distribuzione a priori è largamente determinata dall'evidenza piuttosto che da qualche assunzione originale, sempre che l'assunzione originale ammetta la possibilità (ossia sia compatibile) con quello che l'evidenza suggerisce. I termini "a priori" e "a posteriori" sono generalmente relativi a un dato o un'osservazione specifica. Una "distribuzione a priori non informativa" esprime vaghezza o informazione a carattere generale circa una variabile. Il termine "non informativa" può essere un po' fuorviante; spesso, tale tipo di distribuzione è chiamata "a priori non molto informativa", oppure "a priori oggettiva", cioè una distribuzione che non è soggettivamente esplicitata. Le distribuzioni a priori non informative possono esprimere informazione "oggettiva" come ad esempio "la variabile è positiva" oppure "la variabile è minore di tal limite". La più semplice e vecchia regola per determinare una distribuzione a priori non informativa è il principio d'indifferenza, il quale assegna a tutti gli eventi uguale probabilità. In problemi di stima parametrica, l'uso di una distribuzione a priori non informativa dà risultati che sono non troppo differenti dall'analisi statistica convenzionale. Questo accade in quanto la funzione di verosimiglianza fornisce la parte maggiore dell'informazione rispetto a quella fornita dalla distribuzione a priori non informativa nel determinare una distribuzione a posteriori. Vari tentativi sono stati fatti per trovare probabilità a priori, cioè distribuzioni di probabilità in un certo senso logicamente richieste dalla natura di uno stato di incertezza; queste sono soggette a controversia filosofica, con i sostenitori del metodo bayesiano approssimativamente divisi in due scuole: i "bayesiani oggettivistici", che credono che tali distribuzioni a priori esistano in molte situazioni, e i "bayesiani soggettivisti" che credono che in pratica le distribuzioni a priori rappresentino giudizi di opinione che non possono essere rigorosamente giustificati. Per la maggiore le più forti argomentazioni a favore della scuola oggettivistica furono date da Edwin T. Jaynes. Come esempio di una distribuzione a priori, dovuta a, consideriamo una situazione in cui sappiamo che una pallina è nascosta sotto una di tre tazze rovesciate, A, B o C, ma nessun'altra informazione è disponibile circa la sua posizione. In questo caso una distribuzione a priori uniforme di formula_1 sembra intuitivamente verosimile la sola scelta ragionevole. Più formalmente, noi possiamo vedere che il problema rimane lo stesso se scambiamo le lettere identificative "A", "B" e "C" delle tazze. Sarebbe perciò strano scegliere una distribuzione a priori per la quale una permutazione delle lettere causerebbe un cambio nella nostra predizione circa la posizione dove la pallina sarà trovata; la distribuzione a priori uniforme è la sola che preserva questa invarianza. Se si accetta questo principio di invarianza allora si può vedere che la distribuzione a priori uniforme è la distribuzione logicamente corretta che rappresenta questo stato di conoscenza a priori. Si avrà notato che questa distribuzione a priori è "oggettiva" nel senso di essere la scelta corretta per rappresentare un particolare stato di conoscenza, ma non è oggettiva nel senso di essere una caratteristica del sistema osservato indipendente dall'osservatore: in realtà la pallina esiste sotto una specifica tazza e in questa situazione ha solo senso parlare di probabilità se c'è un osservatore con una conoscenza limitata del sistema ossia della posizione della pallina sotto le tazze. Come esempio più controverso, Jaynes pubblicò un argomento basato sui gruppi di Lie suggerente che la distribuzione a priori rappresentante in maniera completa l'incertezza sarebbe la distribuzione a priori di Haldane "p"(1 − "p"). L'esempio fornito da Jaynes è quello di trovare un chimico in un laboratorio e di chiedergli di eseguire ripetutamente degli esperimenti di dissoluzione in acqua. La distribuzione a priori di Haldane da prevalentemente la maggiore probabilità agli eventi formula_2 and formula_3, indicando che il campione ogni volta si scioglierà oppure no, con uguale probabilità. Tuttavia se sono stati osservati campioni non disciogliersi in un esperimento e disciogliersi in un altro, allora questa distribuzione a priori è aggiornata alla distribuzione uniforme sull'intervallo [0, 1]. Questo risultato si ottiene applicando il teorema di Bayes all'insieme di dati consistente in un'osservazione di dissoluzione e una di non dissoluzione, usando la distribuzione a priori precedente. sulla base che essa fornisce una distribuzione a posteriori impropria che pone il 100% del contenuto di probabilità sia a "p" = 0 o a "p" = 1 se un numero finito di esperimenti ha dato lo stesso risultato (ad esempio il discioglimento). La distribuzione a priori di Jeffreys "p"(1 − "p") è perciò preferita ("cfr." sotto). Se lo spazio parametrico X è dotato di una struttura di gruppo naturale che lascia invariato il nostro stato di conoscenza bayesiano, allora la distribuzione a priori può essere costruita proporzionale alla Misura di Haar. Questo può essere visto come una generalizzazione del principio di invarianza che giustificava la distribuzione a priori uniforme dell'esempio delle tre tazze visto sopra. Per esempio, in fisica ci si aspetta che un esperimento dia i medesimi risultati indipendentemente dalla scelta dell'origine del sistema di coordinate. Questo induce la struttura gruppale del gruppo delle traslazioni su "X", il quale determina la distribuzione di probabilità a priori come una distribuzione a priori impropria costante. Analogamente alcuni sistemi fisici presentano un'invarianza di scala (ossia i risultati sperimentali sono indipendenti dal fatto che, ad esempio, usiamo centimetri o pollici). In tal caso il gruppo di scala è la struttura di gruppo naturale, e la corrispondente distribuzione a priori su "X" è proporzionale a 1/"x". Qualche volta risulta importante se viene usata la misura di Haar invariante a sinistra piuttosto che quella invariante a destra. Per esempio, le misure di Haar invarianti a destra e a sinistra sul gruppo affine non sono uguali. Berger (1985, p. 413) arguisce che la scelta corretta è la misura di Haar invariante a destra. Un'altra idea, supportata da Edwin T. Jaynes, è di usare il principio di massima entropia (MAXENT). La motivazione è che l'entropia di Shannon di una distribuzione di probabilità misura l'ammontare di informazione contenuta nella distribuzione. Maggiore è l'entropia, minore è l'informazione fornita dalla distribuzione. Perciò, mediante la massimizzazione dell'entropia sopra un adeguato insieme di distribuzioni di probabilità su "X", si trova la distribuzione che è meno informativa nel senso che essa contiene il minore ammontare di informazione consistente con le costrizioni definite dall'insieme scelto. Per esempio, la distribuzione a priori di massima entropia su uno spazio discreto, dato solo il fatto che la probabilità è normalizzata a 1, è la distribuzione a priori che assegna uguale probabilità ad ogni stato. Mentre nel caso continuo, la distribuzione a priori di massima entropia con densità normalizzata, media nulla e varianza unitaria, è la ben nota distribuzione normale. Il principio di minima entropia incrociata generalizza il principio di massima entropia al caso di "aggiornamento" di una distribuzione a priori arbitraria con adeguate costrizioni nel senso di massima entropia. Un'idea collegata, la distribuzione a priori di riferimento, fu introdotta da José-Miguel Bernardo. Qui l'idea è di massimizzare il valore atteso della divergenza di Kullback–Leibler della distribuzione a posteriori rispetto alla distribuzione a priori. Questo massimizza l'informazione attesa riguardante "X" quando la densità a priori è "p"("x"); perciò, in un certo senso, "p"("x") è la distribuzione a priori "meno informativa" riguardo X. La distribuzione a priori di riferimento è definita nel limite asintotico, cioè si considera il limite delle distribuzioni a priori così ottenute come il numero di dati va all'infinito. Nei problemi multivariati spesso vengono scelte come distribuzioni a priori oggettive le distribuzioni a priori di riferimento, dato che altre scelte (ad esempio la regola di Jeffreys possono portare a distribuzioni a priori dal comportamento problematico. Distribuzioni a priori oggettive possono anche essere derivate da altri principi, come le teorie dell'informazione o le teorie della codifica (vedi ad esempio lunghezza di descrizione minima) oppure della statistica frequentista. Problemi filosofici legati alle distribuzioni a priori non informative sono associati alla scelta di una metrica appropriata o scala di misurazione. Supponiamo di volere una distribuzione a priori per la valocità di un corridore a noi sconosciuto. Potremmo specificare, diciamo, per la sua velocità una distribuzione a priori di tipo normale, ma in alternativa potremmo specificare una distribuzione a priori normale per il tempo impiegato a percorrere 100 metri, il quale è proporzionale al reciproco della prima distribuzione a priori. Queste due distribuzioni a priori sono effettivamente differenti, ma non è chiaro quale delle due preferire. Il metodo, spesso sopravvalutato, di trasformazione dei gruppi di Jaynes può rispondere a tale questione in varie situazioni. In maniera simile, se ci è chiesto di stimare una proporzione incognita tra 0 e 1, noi possiamo affermare che tutte le proporzioni sono ugualmente probabili ed usare una distribuzione a priori uniforme. Alternativamente, potremmo dire che tutti gli ordini di grandezza per la proporzione sono ugualmente probabili, e scegliere la distribuzione a priori logaritmica, la quale è la distribuzione a priori uniforme sul logaritmo della proporzione. La distribuzione a priori di Jeffreys tenta di risolvere questo problema calcolando una distribuzione a priori che esprime la medesima credenza indipendentemente dalla metrica utilizzata. La distribuzione a priori di Jeffreys per una proporzione incognita "p" è "p"(1 − "p"), che differisce da quella raccomandata da Jaynes. Distribuzioni a priori basate sulla nozione di probabilità algoritmica vengono impiegate nel campo dell'inferenza induttiva come base induttiva in configurazioni del tutto generali. Problemi pratici associati con le distribuzioni a priori non informative includono il requisito che la distribuzione a posteriori sia propria. Le distribuzioni a priori non informative su variabili continue, non limitate sono improprie. Questo non è necessariamente un problema se la distribuzione a posteriori è propria. Un altro argomento importante è quello in cui se una distribuzione a priori non informativa viene usata in maniera regolare, cioè con svariati insiemi di dati, allora essa avrebbe buone proprietà frequentiste. Normalmente un bayesiano non dovrebbe porsi questo problema, ma potrebbe essere importante farlo in questa situazione. Per esempio, uno potrebbe volere che qualsiasi regola di decisione basata sulla distribuzione a posteriori sia ammissibile sotto la funzionedi perdita adottata. Sfortunatamente, l'ammissibilità è difficile da verificare, nonostante vari risultati siano noti ("cfr." ad esempio, Berger and Strawderman, 1996). Il problema è particolarmente acuto con i modelli di Bayes gerarchici; le distribuzioni a priori usuali (ad esempio la distribuzione a priori di Jeffreys) possono dare regole di decisione praticamente inammissibili se impiegate ai livelli gerarchici più elevati. Se il teorema di Bayes viene scritto come allora è chiaro che si otterrebbe il medesimo risultato se tutte le probabilità a priori "P"("A") e "P"("A") fossero moltiplicate per una data costante; lo stesso sarebbe vero per una variabile casuale continua. Se la sommatoria al denominatore converge, le probabilità a posteriori sommeranno (o integreranno) ancora a 1 anche se i valori della distribuzione a priori non lo fanno, e in tal modo può solo essere necessario richiedere alle distribuzioni a priori di essere specificate nella proporzione corretta. Spingendo oltre questa idea, in molti casi non è neanche richiesto che la somma o l'integrale dei valori della distribuzione a priori sia finita per ottenere risposte significative circa le probabilità a posteriori. Quando questo è il caso, la distribuzione a priori è chiamata distribuzione a priori impropria. Tuttavia, se la distribuzione a priori è impropria, allora non è necessario che la distribuzione a posteriori sia propria. Questo è chiaro nella situazione in cui l'evento "B" è indipendente da tutti gli altri eventi "A". Vari statistici usano le distribuzioni a priori improprie come distribuzioni a priori non informative. Per esempio, se hanno bisogno di una distribuzione a priori per la media e la varianza di una variabile casuale, allora essi assumono "p"("m", "v") ~ 1/"v" (per "v" > 0) il che suggerirebbe che qualsiasi valore per la media è "ugualmente probabile" e che un valore per la varianza positiva diventa "meno probabile" in proporzione inversa al suo valore. Molti autori (Lindley, 1973; De Groot, 1937; Kass and Wasserman, 1996) mettono in guardia contro il pericolo di sovra-interpretare tali distribuzioni a priori poiché non sono densità di probabilità. La loro sola rilevanza che esse hanno si trova nella distribuzione a posteriori corrispondente, fintanto che questa è ben definita per tutte le osservazioni. (La distribuzione a priori di Haldane è un tipico controesempio.) Esempi di distribuzioni a priori includono: Il concetto di probabilità algoritmica fornisce una via per specificare la probabilità delle distribuzioni a priori basata sulla complessità relativa di modelli presi in considerazione e tra loro alternativi.

Distribuzione di probabilità a priori

Nel campo dell'apprendimento automatico, una rete neurale artificiale (in inglese "artificial neural network", abbreviato in ANN o anche come NN) è un modello computazionale composto di "neuroni" artificiali, ispirato vagamente dalla semplificazione di una rete neurale biologica. Questi modelli matematici sono troppo semplici per ottenere una comprensione delle reti neurali biologiche, ma sono utilizzati per tentare di risolvere problemi ingegneristici di intelligenza artificiale come quelli che si pongono in diversi ambiti tecnologici (in elettronica, informatica, simulazione, e altre discipline). Una rete neurale artificiale può essere realizzata sia da programmi software che da hardware dedicato (DSP, "Digital Signal Processing"). Questa branca può essere utilizzata in congiunzione alla logica fuzzy. L'ampia varietà di modelli non può prescindere dal costituente di base, il neurone artificiale proposto da W.S. McCulloch e Walter Pitts in un famoso lavoro del 1943: ""A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity"", il quale schematizza un combinatore lineare a soglia, con dati binari multipli in entrata e un singolo dato binario in uscita: un numero opportuno di tali elementi, connessi in modo da formare una rete, è in grado di calcolare semplici funzioni booleane. Le prime ipotesi di apprendimento furono introdotte da D. O. Hebb nel libro del 1949: ""The organization of behavior"", nel quale vengono proposti collegamenti con i modelli complessi del cervello. Nel 1958, J. Von Neumann nella sua opera ""The computer and the brain"" esamina le soluzioni proposte dai precedenti autori sottolineando la scarsa precisione che queste strutture possedevano per potere svolgere operazioni complesse. Nello stesso anno, Frank Rosenblatt nel libro "Psychological review" introduce il primo schema di rete neurale, detto "Perceptron" (percettrone), antesignano delle attuali reti neurali, per il riconoscimento e la classificazione di forme, allo scopo di fornire un'interpretazione dell'organizzazione generale dei sistemi biologici. Il modello probabilistico di Rosenblatt è quindi mirato all'analisi, in forma matematica, di funzioni quali l'immagazzinamento delle informazioni, e della loro influenza sul riconoscimento dei pattern; esso costituisce un progresso decisivo rispetto al modello binario di McCulloch e Pitts, perché i suoi pesi sinaptici sono variabili e quindi il percettrone è in grado di apprendere. L'opera di Rosenblatt stimola una quantità di studi e ricerche che dura per un decennio, e suscita un vivo interesse e notevoli aspettative nella comunità scientifica, destinate tuttavia ad essere notevolmente ridimensionate allorché nel 1969 Marvin Minsky e Seymour A. Papert, nell'opera ""An introduction to computational geometry"", mostrano i limiti operativi delle semplici reti a due strati basate sul percettrone, e dimostrano l'impossibilità di risolvere per questa via molte classi di problemi, ossia tutti quelli non caratterizzati da separabilità lineare delle soluzioni: questo tipo di rete neurale non è abbastanza potente: non è infatti neanche in grado di calcolare la funzione "or esclusivo" (XOR). A causa di queste limitazioni, al periodo di euforia dovuto ai primi risultati della cibernetica (come veniva chiamata negli anni sessanta) segue un periodo di diffidenza durante il quale tutte le ricerche in questo campo non ricevono più alcun finanziamento dal governo degli Stati Uniti d'America; le ricerche sulle reti tendono, di fatto, a ristagnare per oltre un decennio, e l'entusiasmo iniziale risulta fortemente ridimensionato. Il contesto matematico per addestrare le reti MLP ("Multi-Layers Perceptron", ossia percettrone multistrato) fu stabilito dal matematico americano Paul Werbos nella sua tesi di dottorato (Ph.D.) del 1974. Non fu dato molto peso al suo lavoro tanto fu forte la confutazione dimostrata da Minsky e Papert anni prima, e solo l'intervento di J. J. Hopfield, nel 1982, che in un suo lavoro studia dei modelli di riconoscimento di pattern molto generali, si oppose in modo diretto alla confutazione di Minsky riaprendo così degli spiragli per la ricerca in questo campo. Uno dei metodi più noti ed efficaci per l'addestramento di tale classe di reti neurali è il cosiddetto algoritmo di retropropagazione dell'errore (error backpropagation), proposto nel 1986 da David E. Rumelhart, G. Hinton e R. J. Williams, il quale modifica sistematicamente i pesi delle connessioni tra i nodi, così che la risposta della rete si avvicini sempre di più a quella desiderata. Tale lavoro fu prodotto riprendendo il modello creato da Werbos. L'algoritmo di retropropagazione ("backpropagation" o BP) è una tecnica d'apprendimento tramite esempi, costituente una generalizzazione dell'algoritmo d'apprendimento per il percettrone sviluppato da Rosenblatt nei primi anni '60. Mediante questa tecnica era possibile, come detto, trattare unicamente applicazioni caratterizzabili come funzioni booleane linearmente separabili. L'algoritmo di apprendimento si basa sul metodo della discesa del gradiente che permette di trovare un minimo locale di una funzione in uno spazio a N dimensioni. I pesi associati ai collegamenti tra gli strati di neuroni si inizializzano a valori piccoli (ovvero molto inferiori ai valori reali che poi assumeranno) e casuali e poi si applica la regola di apprendimento presentando alla rete dei pattern di esempio. Queste reti neurali sono poi capaci di generalizzare in modo appropriato, cioè di dare risposte plausibili per input che non hanno mai visto. L'addestramento di une rete neurale di tipo BP avviene in due diversi stadi: "forward-pass" e "backward-pass". Nella prima fase i vettori in input sono applicati ai nodi in ingresso con una propagazione in avanti dei segnali attraverso ciascun livello della rete ("forward-pass"). Durante questa fase i valori dei pesi sinaptici sono tutti fissati. Nella seconda fase la risposta della rete viene confrontata con l'uscita desiderata ottenendo il segnale d'errore. L'errore calcolato è propagato nella direzione inversa rispetto a quella delle connessioni sinaptiche. I pesi sinaptici infine sono modificati in modo da minimizzare la differenza tra l'uscita attuale e l'uscita desiderata ("backward-pass"). Tale algoritmo consente di superare le limitazioni del percettrone e di risolvere il problema della separabilità non lineare (e quindi di calcolare la funzione XOR), segnando il definitivo rilancio delle reti neurali, come testimoniato anche dall'ampia varietà d'applicazioni commerciali: attualmente la BP rappresenta un algoritmo di largo uso in molti campi applicativi. Una rete neurale artificiale (ANN ""Artificial Neural Network"" in inglese), normalmente chiamata solo "rete neurale" (NN ""Neural Network"" in inglese), è un modello matematico/informatico di calcolo basato sulle reti neurali biologiche. Tale modello è costituito da un gruppo di interconnessioni di informazioni costituite da neuroni artificiali e processi che utilizzano un approccio di connessionismo di calcolo. Nella maggior parte dei casi una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la propria struttura in base a informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete stessa durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Una rete neurale artificiale riceve segnali esterni su uno strato di nodi (unità di elaborazione) d'ingresso, ciascuno dei quali è collegato con numerosi nodi interni, organizzati in più livelli. Ogni nodo elabora i segnali ricevuti e trasmette il risultato a nodi successivi. Il concetto di rete neurale si pone perché una funzione formula_1 è definita come una composizione di altre funzioni formula_2, che possono a loro volta essere ulteriormente definite come composizione di altre funzioni. Questo può essere comodamente rappresentato come una struttura di reti, con le frecce raffiguranti le dipendenze tra variabili. Una rappresentazione ampiamente utilizzata è la somma ponderata non lineare, dove formula_3, dove formula_4 è una funzione predefinita, come ad esempio la tangente iperbolica. Sarà conveniente per le seguenti far riferimento ad un insieme di funzioni come un vettore formula_5. La Figura 1 esemplifica una decomposizione della funzione formula_6, con dipendenze tra le variabili indicate dalle frecce. Queste possono essere interpretate in due modi: I due punti di vista sono in gran parte equivalenti. In entrambi i casi, per questa particolare architettura di rete, i componenti dei singoli strati sono indipendenti l'uno dall'altro (ad esempio, le componenti di formula_8 sono indipendenti l'una dall'altra, dato il loro ingresso formula_15). Questo, naturalmente, permette un certo grado di parallelismo nella costruzione del sistema. Reti, come ad esempio quelle precedenti vengono comunemente chiamate ""feedforward"", perché il loro è un grafico aciclico diretto. Reti con cicli al loro interno sono comunemente chiamati reti ricorrenti. Tali reti sono comunemente raffigurate nel modo indicato nella parte superiore della Figura 2, dove la funzione formula_6 è mostrata come dipendente su se stessa. Tuttavia, vi è una dipendenza temporale implicita che non è possibile dimostrare. Questo significa in pratica che il valore di formula_6 ad un certo punto nel tempo formula_18 dipende dai valori di formula_6 al tempo zero o su uno o più altri punti temporali. Il modello del grafico nella parte inferiore della Figura 2 illustra il caso in cui il valore di formula_6 al tempo formula_18 dipende solo dal suo valore finale. Tuttavia la funzionalità più interessante di queste funzioni, ciò che ha attirato l'interesse e lo studio per la maggior parte delle reti neurali, è la possibilità di apprendimento, che in pratica significa la seguente: Ciò comporta la definizione di una funzione di costo formula_24 tale che, per la soluzione ottimale formula_25 formula_26 nessuna soluzione ha un costo inferiore al costo della soluzione ottimale. La funzione di costo formula_27 è un concetto importante nell'apprendimento, poiché si tratta di una misura di quanto è lontana da noi la soluzione ottimale del problema che vogliamo risolvere. Quindi vi sono una serie di algoritmi di apprendimento che cercano nello spazio delle soluzioni al fine di trovare una funzione che abbia il minor costo possibile. Per applicazioni in cui la soluzione dipende da alcuni dati, il costo deve essere necessariamente funzione delle osservazioni. Mentre è possibile definire per alcune reti una funzione di costo ad hoc, spesso si può utilizzare una particolare funzione di costo poiché gode delle proprietà desiderate (ad esempio, la convessità), o perché proviene da una particolare formulazione del problema (vale a dire, in una formulazione probabilistica, la probabilità a posteriori del modello può essere utilizzata come l'inverso del costo). In ultima analisi, la funzione di costo dipenderà dal compito. Vi sono tre grandi paradigmi di apprendimento, ciascuno corrispondente ad un particolare compito astratto di apprendimento. Si tratta dell'apprendimento supervisionato, apprendimento non supervisionato e l'apprendimento per rinforzo. Di solito un tipo di architettura di rete può essere impiegato in qualsiasi di tali compiti. L'algoritmo di apprendimento hebbiano (1984) si basa sul semplice principio che se due neuroni si attivano contemporaneamente, la loro interconnessione deve essere rafforzata. formula_28 dove formula_29, dove formula_30 è l'formula_31 ingresso e formula_32 è il tasso di apprendimento formula_33. La regola di Hebb è la seguente: l'efficacia di una particolare sinapsi cambia se e solo se c'è un'intensa attività simultanea dei due neuroni, con un'alta trasmissione di input nella sinapsi in questione. Esempio di procedura: In questo modo le connessioni possono solo irrobustirsi. Le connessioni si considerano irrobustite quando le unità presinaptica e postsinaptica sono d'accordo, altrimenti si indeboliscono. Si considerano funzioni bipolari (-1,1) invece che booleane (0,1). Le reti neurali si basano principalmente sulla simulazione di neuroni artificiali opportunamente collegati. Il modello rappresentato in figura è quello proposto da McCulloch e Pitts. I suddetti neuroni ricevono in ingresso degli stimoli e li elaborano. L'elaborazione può essere anche molto sofisticata ma in un caso semplice si può pensare che i singoli ingressi vengano moltiplicati per un opportuno valore detto peso, il risultato delle moltiplicazioni viene sommato e se la somma supera una certa soglia il neurone si attiva attivando la sua uscita. Il peso indica l'efficacia sinaptica della linea di ingresso e serve a quantificarne l'importanza, un ingresso molto importante avrà un peso elevato, mentre un ingresso poco utile all'elaborazione avrà un peso inferiore. Si può pensare che se due neuroni comunicano fra loro utilizzando maggiormente alcune connessioni allora tali connessioni avranno un peso maggiore, fino a che non si creeranno delle connessioni tra l'ingresso e l'uscita della rete che sfruttano "percorsi preferenziali". Tuttavia è sbagliato pensare che la rete finisca col produrre un unico percorso di connessione: tutte le combinazioni infatti avranno un certo peso, e quindi contribuiscono al collegamento ingresso/uscita. Il modello in figura rappresenta una classica rete neurale pienamente connessa. I singoli neuroni vengono collegati alla schiera di neuroni successivi, in modo da formare una rete di neuroni. Normalmente una rete è formata da tre strati. Nel primo abbiamo gli ingressi (I), questo strato si preoccupa di trattare gli ingressi in modo da adeguarli alle richieste dei neuroni. Se i segnali in ingresso sono già trattati può anche non esserci. Il secondo strato è quello nascosto (H, "hidden"), si preoccupa dell'elaborazione vera e propria e può essere composto anche da più colonne di neuroni. Il terzo strato è quello di uscita (O) e si preoccupa di raccogliere i risultati ed adattarli alle richieste del blocco successivo della rete neurale. Queste reti possono essere anche molto complesse e coinvolgere migliaia di neuroni e decine di migliaia di connessioni. Per costruire la struttura di una rete neurale multistrato si possono inserire formula_38 strati "hidden." L'efficacia di generalizzare di una rete neurale multistrato dipende ovviamente dall'addestramento che ha ricevuto e dal fatto di essere riuscita o meno ad entrare in un minimo locale buono. L'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation") è utilizzato nell'apprendimento con supervisione. Esso permette di modificare i pesi delle connessioni in modo tale che si minimizzi una certa funzione errore E. Tale funzione dipende dal vettore h-esimo di output formula_39 restituito dalla rete, dato il vettore h-esimo di ingresso formula_40 e dal vettore h-esimo di output formula_41che noi desideriamo (che fa parte del training set). Il training set è dunque un insieme di N coppie di vettori formula_42, con formula_43. La funzione errore che si deve minimizzare si può scrivere come: formula_44 dove l'indice k rappresenta il valore corrispondente al k-esimo neurone di output. E(w) è una funzione dipendente dai pesi (che in generale variano nel tempo), per minimizzarla si può usare l'algoritmo della discesa del gradiente ("gradient descent"). L'algoritmo parte da un punto generico formula_45 e calcola il gradiente formula_46. Il gradiente dà la direzione verso cui muoversi lungo la quale si ha il massimo incremento (o decremento se considero formula_47). Definita la direzione ci si muove di una distanza formula_32 predefinita a priori e si trova un nuovo punto formula_49 sul quale è calcolato nuovamente il gradiente. Si continua iterativamente finché il gradiente non è nullo. L'algoritmo di backpropagation può essere diviso in due passi: I passi logici per addestrare una rete neurale con apprendimento supervisionato sono i seguenti: Per l'addestramento di reti neurali profonde, impiegando dataset molto vasti, la discesa del gradiente classica risulta computazionalmente proibitiva, per cui nell'ottimizzare i parametri del modello si fa tipicamente uso dell'algoritmo di discesa stocastica del gradiente. Nel 1982, il fisico John J. Hopfield pubblica un articolo fondamentale in cui presenta un modello matematico comunemente noto appunto come rete di Hopfield: tale rete si distingue per "l'emergere spontaneo di nuove capacità computazionali dal comportamento collettivo di un gran numero di semplici elementi d'elaborazione". Le proprietà collettive del modello producono una memoria associativa per il riconoscimento di configurazioni corrotte e il recupero di informazioni mancanti. Inoltre, Hopfield ritiene che ogni sistema fisico possa essere considerato come un potenziale dispositivo di memoria, qualora esso disponga di un certo numero di stati stabili, i quali fungano da attrattore per il sistema stesso. Sulla base di tale considerazione, egli si spinge a formulare la tesi secondo cui la stabilità e la collocazione di tali attrattori sono proprietà spontanee di sistemi costituiti, come accennato, da considerevoli quantità di neuroni reciprocamente interagenti. Le applicazioni delle reti di Hopfield riguardano principalmente la realizzazione di memorie associative, resistenti all'alterazione delle condizioni operative, e la soluzione di problemi d'ottimizzazione combinatoriale. Da un punto di vista strutturale, la rete di Hopfield costituisce una rete neurale ricorrente simmetrica, di cui è garantita la convergenza. Una rete ricorrente è un modello neurale in cui è presente un flusso bidirezionale d'informazioni; in altri termini, mentre nelle reti di tipo feedforward la propagazione dei segnali avviene unicamente, in maniera continua, nella direzione che conduce dagli ingressi alle uscite, nelle reti ricorrenti tale propagazione può anche manifestarsi da uno strato neurale successivo ad uno precedente, oppure tra neuroni appartenenti ad uno stesso strato, e persino tra un neurone e sé stesso. Un significativo e noto esempio di semplice rete ricorrente è dovuto a Jeffrey L. Elman (1990). Essa costituisce una variazione sul tema del percettrone multistrato, con esattamente tre strati e l'aggiunta di un insieme di neuroni "contestuali" nello strato d'ingresso. Le connessioni retroattive si propagano dallo strato intermedio (e nascosto) a tali unità contestuali, alle quali si assegna peso costante e pari all'unità. In ciascun istante, gli ingressi si propagano nel modo tradizionale e tipico delle reti feedforward, compresa l'applicazione dell'algoritmo d'apprendimento (solitamente la "backpropagation"). Le connessioni retroattive fisse hanno come effetto quello di mantenere una copia dei precedenti valori dei neuroni intermedi, dal momento che tale flusso avviene sempre prima della fase d'apprendimento. In questo modo la rete di Elman tiene conto del suo stato precedente, cosa che le consente di svolgere compiti di previsione di sequenze temporali che sono difficilmente alla portata dei percettroni multistrato convenzionali. Infine, un ultimo interessante tipo di rete è costituita dalla cosiddetta mappa auto-organizzante o rete SOM ("Self-Organizing Map"). Tale innovativo tipo di rete neurale è stata elaborata da Teuvo Kohonen dell'Università Tecnologica di Helsinki; il suo algoritmo d'apprendimento è senza dubbio una brillante formulazione di apprendimento non supervisionato, e ha dato luogo a un gran numero di applicazioni nell'ambito dei problemi di classificazione. Una mappa o rete SOM è basata essenzialmente su un reticolo o griglia di neuroni artificiali i cui pesi sono continuamente adattati ai vettori presentati in ingresso nel relativo insieme di addestramento. Tali vettori possono essere di dimensione generica, anche se nella maggior parte delle applicazioni essa è piuttosto alta. Per ciò che riguarda le uscite della rete, al contrario, ci si limita di solito ad una dimensione massima pari a tre, il che consente di dare luogo a mappe 2D o 3D. In termini più analitici, l'algoritmo può essere agevolmente descritto, come accennato, nei termini di un insieme di neuroni artificiali, ciascuno con una precisa collocazione sulla mappa rappresentativa degli "output", che prendono parte ad un processo noto come "winner takes all" ("Il vincitore piglia tutto"), al termine del quale il nodo avente un vettore di pesi più vicino ad un certo "input" è dichiarato vincitore, mentre i pesi stessi sono aggiornati in modo da avvicinarli al vettore in ingresso. Ciascun nodo ha un certo numero di nodi adiacenti. Quando un nodo vince una competizione, anche i pesi dei nodi adiacenti sono modificati, secondo la regola generale che più un nodo è lontano dal nodo vincitore, meno marcata deve essere la variazione dei suoi pesi. Il processo è quindi ripetuto per ogni vettore dell'insieme di "training", per un certo numero, solitamente grande, di cicli. Va da sé che ingressi diversi producono vincitori diversi. Operando in tal modo, la mappa riesce alfine ad associare i nodi d'uscita con i gruppi o schemi ricorrenti nell'insieme dei dati in ingresso. Se questi schemi sono riconoscibili, essi possono essere associati ai corrispondenti nodi della rete addestrata. In maniera analoga a quella della maggioranza delle reti neurali artificiali, anche la mappa o rete SOM può operare in due distinte modalità: In generale una ANN ("Attractor Neural Network") è una rete di nodi (es: biologicamente ispirati), spesso interconnessi in modo ricorsivo, la cui dinamica nel tempo stabilisce un assestamento in un particolare modo di oscillazione. Questo modo di oscillazione può essere stazionario, variante nel tempo o di tipo stocastico ed è chiamato il suo 'attrattore'. In neuroscienza teorica diversi tipi di reti ad attrattori sono state associate a differenti funzioni, come: memoria, attenzione, condotta del moto e classificazione. Più precisamente, una rete ad attrattori è una rete di N nodi connessi in modo che la loro intera dinamica diventi stabile in uno spazio D dimensionale, dove solitamente N»D. Ciò assume che non vi sia più input dall'esterno del sistema. La stabilità nello stato ad attrattore indica l'esistenza di uno stato stabile in una qualche varietà algebrica (es: linea, cerchio, piano, toroide). L'utilità dei modelli di rete neurale sta nel fatto che queste possono essere usate per comprendere una funzione utilizzando solo le osservazioni sui dati. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni in cui la complessità dei dati o la difficoltà di elaborazione rende la progettazione di una tale funzione impraticabile con i normali procedimenti di analisi manuale. I compiti a cui le reti neurali sono applicate possono essere classificate nelle seguenti grandi categorie di applicazioni: Le aree di applicazione includono i sistemi di controllo (controllo di veicoli, controllo di processi), simulatori di giochi e processi decisionali (backgammon, scacchi), riconoscimento di pattern (sistemi radar, identificazione di volti, riconoscimento di oggetti, ecc), riconoscimenti di sequenze (riconoscimento di gesti, riconoscimento vocale, OCR), diagnosi medica, applicazioni finanziarie, data mining, filtri spam per e-mail. Le reti neurali per come sono costruite lavorano in parallelo e sono quindi in grado di trattare molti dati. Si tratta in sostanza di un sofisticato sistema di tipo statistico dotato di una buona immunità al rumore; se alcune unità del sistema dovessero funzionare male, la rete nel suo complesso avrebbe delle riduzioni di prestazioni ma difficilmente andrebbe incontro ad un blocco del sistema. I software di ultima generazione dedicati alle reti neurali richiedono comunque buone conoscenze statistiche; il grado di apparente utilizzabilità immediata non deve trarre in inganno, pur permettendo all'utente di effettuare subito previsioni o classificazioni, seppure con i limiti del caso. Da un punto di vista industriale, risultano efficaci quando si dispone di dati storici che possono essere trattati con gli algoritmi neurali. Ciò è di interesse per la produzione perché permette di estrarre dati e modelli senza effettuare ulteriori prove e sperimentazioni. I modelli prodotti dalle reti neurali, anche se molto efficienti, non sono spiegabili in linguaggio simbolico umano: i risultati vanno accettati "così come sono", da cui anche la definizione inglese delle reti neurali come "black box": in altre parole, a differenza di un sistema algoritmico, dove si può esaminare passo-passo il percorso che dall'input genera l'output, una rete neurale è in grado di generare un risultato valido, o comunque con una alta probabilità di essere accettabile, ma non è possibile spiegare come e perché tale risultato sia stato generato. Come per qualsiasi algoritmo di modellazione, anche le reti neurali sono efficienti solo se le variabili predittive sono scelte con cura. Non sono in grado di trattare in modo efficiente variabili di tipo categorico (per esempio, il nome della città) con molti valori diversi. Necessitano di una fase di addestramento del sistema che fissi i pesi dei singoli neuroni e questa fase può richiedere molto tempo, se il numero dei record e delle variabili analizzate è molto grande. Non esistono teoremi o modelli che permettano di definire la rete ottima, quindi la riuscita di una rete dipende molto dall'esperienza del creatore. Le reti neurali vengono solitamente usate in contesti dove i dati possono essere parzialmente errati oppure dove non esistano modelli analitici in grado di affrontare il problema. Un loro tipico utilizzo è nei software di OCR, nei sistemi di riconoscimento facciale e più in generale nei sistemi che si occupano di trattare dati soggetti a errori o rumore. Esse sono anche uno degli strumenti maggiormente utilizzati nelle analisi di Data mining. Le reti neurali vengono anche utilizzate come mezzo per previsioni nell'analisi finanziaria o meteorologica. Negli ultimi anni è aumentata notevolmente la loro importanza anche nel campo della bioinformatica nel quale vengono utilizzate per la ricerca di pattern funzionali e/o strutturali in proteine e acidi nucleici. Mostrando opportunamente una lunga serie di input (fase di training o apprendimento), la rete è in grado di fornire l'output più probabile. Negli ultimi anni inoltre sono in corso studi per il loro utilizzo nella previsione degli attacchi Epilettici (Analisi dei Dati provenienti dall' EEG). Recenti studi hanno dimostrato buone potenzialità delle reti neurali in sismologia per la localizzazione di epicentri di terremoti e predizione della loro intensità.

Rete neurale artificiale

In statistica, una correlazione è una relazione tra due variabili tale che a ciascun valore della prima corrisponda un valore della seconda, seguendo una certa regolarità . Il termine apparve per la prima volta in un'opera di Francis Galton, "Hereditary Genius" (1869). Non fu definita in modo più approfondito (la moralità di un individuo e la sua instabilità morale sono non correlate). Otto anni dopo, nel 1877, lo stesso Galton scoprì che i coefficienti di regressione lineare tra X e Y sono gli stessi se - ad entrambe le variabili - viene applicata la deviazione standard σ e σ: Galton utilizzò in realtà lo scarto interquartile, definendo il parametro "coefficiente di co-relazione" e abbreviando "regressione" in "r". In base alle caratteristiche presentate, la correlazione può definirsi: Inoltre, le correlazioni possono essere: Il grado di correlazione tra due variabili viene espresso tramite l'indice di correlazione. Il valore che esso assume è compreso tra −1 (correlazione inversa) e 1 (correlazione diretta e assoluta), con un indice pari a 0 che comporta l'assenza di correlazione; il valore nullo dell'indice non implica, tuttavia, che le variabili siano indipendenti. I coefficienti di correlazione sono derivati dagli indici, tenendo presenti le grandezze degli scostamenti dalla media. In particolare, l'indice di correlazione di Pearson è calcolato come rapporto tra la covarianza delle due variabili e il prodotto delle loro deviazioni standard.: Va comunque notato che gli indici e i coefficienti di correlazione siano da ritenersi sempre approssimativi, a causa dell'arbitrarietà con cui sono scelti gli elementi: ciò è vero, in particolare, nei casi di correlazioni multiple. Contrariamente a quanto si potrebbe intuire, la correlazione non dipende da un rapporto di causa-effetto quanto dalla tendenza di una variabile a cambiare in funzione di un'altra. Le variabili possono essere tra loro dipendenti (per esempio la relazione tra stature dei padri e dei figli) oppure comuni (relazione tra altezza e peso di una persona). Nel cercare una correlazione statistica tra due grandezze, per determinare un possibile rapporto di causa-effetto, essa non deve risultare una correlazione spuria.

Correlazione (statistica)

è un algoritmo di clustering partizionale correlato all'algoritmo K-means. Prevede in input un insieme di n oggetti e un numero k che determina quanti cluster si vogliono in output. Entrambi gli algoritmi sono partizionali (suddividendo il dataset in gruppi) ed entrambi cercano di minimizzare l'errore quadratico medio, la distanza tra punti di un cluster e il punto designato per esserne il centro. In K-means il punto è "artificiale" — è la pura media di tutti i punti nel cluster. Nel K-medoids è usato il punto collocato più centralmente, in questo modo il centro è uno dei datapoint attuali. K-medoids è più robusto al rumore e agli outlier rispetto al k-means. Un medoid può essere definito come un oggetto di un cluster la cui dissimilarità media rispetto a tutti gli oggetti nel cluster è minima, in questo modo esso sarà il punto più centrale di un dato dataset. L'algoritmo di clustering è il seguente: Si deve clusterizzare il seguente data set di 10 oggetti in 2 cluster, quindi n è 10 e k è 2: Si inizializzano i k centri. Assumiamo che C1=(3,4) e C2=(7,4) siano i nostri medoid iniziali. Calcoliamo la distanza così da associare ogni data object al suo medoid più vicino. Iniziamo quindi il clustering: Essendo (3,4) (2,6) (3,8) e (4,7) punti vicini a c1 essi formeranno un cluster mentre i punti rimanenti ne formeranno un altro. Il costo totale sarà 20. Il costo tra 2 punti qualsiasi è trovato usando la formula formula_1 Il costo totale è la somma dei costi per gli oggetti dal proprio medoid. Costo totale= {cost((3,4),(2,6)) + cost((3,4),(3,8)) + cost((3,4),(4,7))} + {cost((7,4),(6,2)) + cost((7,4),(6,4)) + cost((7,4),(7,3)) + cost((7,4),(8,5)) + cost((7,4),(7,6))} = 3 + 4 + 4 + 3 + 1 + 1 + 2 + 2 = 20 Selezione di un nonmedoid O' in modo casuale. Assumiamo O'=(7,3) I medoid sono quindi c1(3,4) e O'(7,3). Se c1 e O' sono nuovi medoid, si calcola il costo totale usando la formula al passo 1. Costo totale = 3 + 4 + 4 + 2 + 2 + 1 + 3 + 3 = 22 Così il costo per cambiare il medoid da c2 a O' sarà: S = Costo totale attuale – Costo totale precedente = 22 - 20 = 2 > 0 Quindi cambiare medoid in O' non è una buona idea, la scelta precedente è stata buona e l'algoritmo termina in questo punto (in quanto non ci sono cambiamenti per i medoid). Può accadere che qualche data point possa migrare da un cluster ad un altro, ciò dipende dalla vicinanza rispetto al nuovo medoid scelto.

K-medoids

statistica, quando si stima un parametro, la semplice individuazione di un singolo valore è spesso non sufficiente. È opportuno allora accompagnare la stima di un parametro con un intervallo di valori plausibili per quel parametro, che viene definito intervallo di confidenza (o intervallo di fiducia). Se formula_1 e formula_2 sono variabili casuali con distribuzioni di probabilità che dipendono da qualche parametro formula_3 e formula_4 (dove formula_5 è un numero tra 0 e 1), allora l'intervallo casuale formula_6 è un intervallo di confidenza al formula_7 per formula_8. I valori estremi dell'intervallo di confidenza si chiamano "limiti di confidenza". Ad esso si associa quindi un valore di probabilità cumulativa che caratterizza, indirettamente in termini di probabilità, la sua ampiezza rispetto ai valori massimi assumibili dalla variabile aleatoria misurando cioè la probabilità che l'evento casuale descritto dalla variabile aleatoria in oggetto cada all'interno di tale intervallo, graficamente pari all'area sottesa dalla curva di distribuzione di probabilità della variabile aleatoria nell'intervallo considerato. È bene non confondere l'intervallo di confidenza con la probabilità. Data l'espressione "vi è un livello di confidenza del 95% che formula_9 sia nell'intervallo", nulla si può dire sulla probabilità che l'intervallo ottenuto contenga formula_10 Si ipotizzi di voler calcolare l'età media degli abitanti di un luogo. Supponiamo che non si conosca l'età per ogni singolo abitante. Viene allora estratto un campione casuale di abitanti di cui è possibile sapere l'età, e dal campione si tenta di inferire ("predire") l'età media per tutta la popolazione residente e la variabilità di tale dato. Questo può essere fatto calcolando, ad esempio, l'età media delle persone presenti nel campione e ipotizzando che questo valore coincida con l'età media di tutta la popolazione inclusa quella non scelta nel campione. In questo caso si è fatta una "stima puntuale". Alternativamente, a partire dalle età delle persone nel campione, si può calcolare un intervallo di valori entro il quale si ritenga ci sia il valore della media di tutta la popolazione e, se la procedura è fatta in modo rigoroso e statisticamente corretto, è possibile stabilire un valore di "confidenza" di quanto sia "credibile" che l'intervallo ottenuto contenga effettivamente il valore cercato. In questo caso si è fatta una "stima per intervalli" e l'intervallo ottenuto è detto "intervallo di confidenza". Riassumendo: la stima puntuale fornisce un valore singolo che varia a seconda del campione, e difficilmente coincide con il valore vero della popolazione; la stima per intervalli fornisce un insieme di valori (intervallo) che con una certa "confidenza" contiene il valore vero della popolazione. Se formula_11 è una variabile aleatoria di media formula_9 e varianza formula_13 con formula_14 si indica la variabile campionaria corrispondente che ha media aritmetica degli formula_15 dati osservati nel campione e deviazione standard Il livello di confidenza è fissato dal ricercatore. Il valore scelto più di frequente è 95%. Tuttavia, meno di frequente, viene scelto anche un livello di confidenza del 90%, oppure del 99%. Se il valore di formula_18 non differisce molto dalla variabilità formula_19 della popolazione, può essere assunto come suo stimatore (ad esempio con un numero di soggetti osservati e replicazioni complessivamente maggiore di 60; in alternativa si ipotizza una distribuzione t di Student caratterizzata da una maggiore dispersione rispetto alla normale standard). In questa prima ipotesi, l'intervallo di confidenza per la media formula_9 ("vera media", della popolazione) al 99% (al livello formula_21), è dato da: Al 95% è dato da: Prima della diffusione dei computer si cercava di utilizzare l’approssimazione normale ogni qualvolta possibile. Adesso non è più strettamente necessario, e nella formula possono essere utilizzati percentili di altre distribuzioni, facendo rifierimento a campioni di dimensione più ridotta). Dalle formule risulta che i due intervalli di confidenza possono essere scritti in funzione dei "soli dati campionari" formula_24. Oltre a diminuire con il livello di confidenza, l'ampiezza dell'intervallo dipende dall'errore della stima formula_25 e diminuisce se: Qualora la popolazione non segua il modello gaussiano, se il campione è grande a sufficienza, la variabile campionaria tende a seguire comunque una legge normale (teorema centrale del limite). In altre parole, le due formule precedenti per l'intervallo di confidenza si possono usare anche nel caso in cui non è nota la sua legge di probabilità. Il livello di confidenza o copertura è il complemento a uno del livello di significatività formula_27: ad esempio, un intervallo di confidenza al formula_28 corrisponde a un livello di significatività di formula_29. Gli intervalli di confidenza sono spesso confusi con altri concetti della statistica, e talora oggetto di errate interpretazioni anche da parte di ricercatori professionisti. Alcuni errori comuni: Gli intervalli di confidenza furono introdotti da Jerzy Neyman in un articolo pubblicato nel 1937. C'è un metodo agevole per il calcolo degli intervalli di confidenza attraverso il test di verifica d'ipotesi (secondo l'impostazione di Neyman). Un intervallo di confidenza al 95% si può quindi ricavare da un test di verifica d'ipotesi di significatività 5%.

Intervallo di confidenza

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

Il test di verifica d'ipotesi si utilizza per verificare la bontà di un'ipotesi. Per ipotesi è da intendersi un'affermazione che ha come oggetto accadimenti nel mondo reale, che si presta ad essere confermata o smentita dai dati osservati sperimentalmente. Il metodo con cui si valuta l'attendibilità di un'ipotesi è il metodo sperimentale. Quest'ultimo consiste nel determinare le conseguenze di un'ipotesi in termini di eventi osservabili, e di valutare se la realtà effettivamente osservata si accorda o meno con l'ipotesi su di essa fatta. A tal riguardo si distinguono due ambiti in cui tale attività si esplica: Nell'ambito statistico, a seconda delle ipotesi si distingue tra: Nel primo caso, si tende a pervenire a delle conclusioni più sicure possibili. Ad esempio volendo provare se in un circuito elettrico passa corrente si inserirà una lampadina o un amperometro e si constaterà l'accensione o l'attivazione dello strumento. In tal caso si perviene con maggior sicurezza alla conclusione. Se la lampadina si accende allora passa corrente; in caso contrario il circuito non è predisposto correttamente. In questo ambito, se nel circuito passa corrente la maggior parte delle volte che si inserisce una lampadina questa si accende. In caso contrario il ripetuto inserimento della lampadina darà sempre esito negativo. Nel secondo caso la situazione è modificata in quanto interviene un elemento nuovo, ovvero il caso e/o l'errore di misura. Si supponga di avere una moneta recante due facce contrassegnate con testa e croce. Volendo verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta si eseguono 20 lanci e si contano quelli che danno esito testa. La conseguenza del bilanciamento consiste nell'osservare un valore di teste attorno a 10. Tuttavia anche in ipotesi di bilanciamento non si può escludere di osservare 20 teste. D'altronde, l'ipotesi di bilanciamento è logicamente compatibile con un numero di teste variante da 0 a 20. In tale contesto una qualsiasi decisione in merito all'ipotesi da verificare comporta un rischio di errore. Ad esempio rigettare l'ipotesi di bilanciamento della moneta avendo osservato 20 teste su 20 lanci comporta il rischio di prendere una decisione errata. Nel procedere alla verifica dell'ipotesi di bilanciamento della moneta, si ricorre a una variabile casuale X. Tale variabile casuale X è una variabile aleatoria discreta con distribuzione binomiale B(20; 0,5), dove 20 indica il numero di lanci e 0,5 la probabilità che si verifichi l'evento "testa". Il risultato sperimentale si deve quindi confrontare con tale distribuzione: quanto è distante tale risultato dal valore medio della distribuzione B(20; 0,5)? Per rispondere alla domanda si deve individuare un valore caratteristico della distribuzione B(20; 0,5). Nel nostro caso tale valore caratteristico è il valore medio 20/2 = 10. Per valutare la distanza tra il valore sperimentale e quello atteso si valuta la probabilità di ottenere un valore sperimentale lontano dal valore medio di B(20; 0,5), ossìa nel caso che dal nostro esperimento risulti X=15 (15 teste dopo 20 lanci), si calcola P{|X-10|>=15-10} quindi P{X<=5 oppure X>=15}=0,041. Quindi, usando una moneta ben bilanciata, la probabilità di ottenere un numero di teste X >= 15 (oppure X <= 5) dopo 20 lanci è pari a 0,041 ossia al 4,1%. Giudicando bassa tale probabilità si rifiuterà l'ipotesi di bilanciamento della moneta in esame, accettando quindi il rischio del 4,1% di compiere un errore nel rifiutarla. Di solito, il valore della probabilità adottato per rifiutare l'ipotesi nulla è < 0,05. Tale valore è detto livello di significatività ed è definibile come segue: il livello di significatività sotto l'ipotesi nulla è la probabilità di cadere nella zona di rifiuto quando l'ipotesi nulla è vera. Tale livello di significatività si indica convenzionalmente con α. Il livello di significatività osservato α del test per il quale si rifiuterebbe l'ipotesi nulla è detto valore-p ("p-value"). Riprendendo l'esempio sopra riportato il valore-p è pari a 0,041. Adottando nell'esempio α = 0,05, si rifiuterà l'ipotesi se P{|X-10|>=x}<0,05. Tale condizione si raggiunge appunto se X<6 oppure X>14. Tale insieme di valori si definisce convenzionalmente come regione di rifiuto. Viceversa l'insieme { 6,7…14} si definisce regione di accettazione. In questo modo si è costruita una regola di comportamento per verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta. Tale regola definisce il test statistico. In termini tecnici l'ipotesi da verificare si chiama ipotesi nulla e si indica con "H", mentre l'ipotesi alternativa con "H". Nel caso della moneta, se "p" è la probabilità di ottenere testa in un lancio la verifica di ipotesi si traduce nel seguente sistema: Come già osservato, il modo di condurre un test statistico comporta un rischio di errore. Nella pratica statistica si individuano due tipi di errori: Tornando all'esempio della moneta in cui la regione di accettazione è data dall'insieme di valori {6..14}, la probabilità di rifiutare H quando è vera è stato calcolato pari a 0,041.Tale probabilità rappresenta il rischio di incorrere in un errore di primo tipo e si indica con α. Per valutare la probabilità di un errore di secondo tipo è necessario specificare un valore di "p" in caso di verità di H. Si supponga che p=0,80, in tal caso la distribuzione di X è una B(20;0,80) Con tale distribuzione di probabilità, l'errore di tipo "2" si calcola sommando le probabilità relative ai valori di X della zona di accettazione, ciò supponendo H vera. Si trova quindi che la probabilità cercata è pari a circa 0,20. Tale probabilità quantifica il rischio di incorrere nell'errore di tipo "2." e si indica convenzionalmente con β. La quantità 1-β si chiama "potenza del test" ed esprime quindi la capacità di un test statistico di riconoscere la falsità di H quando questa è effettivamente falsa. La potenza del test trova applicazione nella pratica statistica in fase di pianificazione di un esperimento.

Test di verifica d'ipotesi

Nell'ambito dell'inferenza statistica bayesiana, una distribuzione di probabilità a priori, detta spesso anche distribuzione a priori, di una quantità incognita "p" (per esempio, supponiamo "p" essere la proporzione di votanti che voteranno per il politico Rossi in un'elezione futura) è la distribuzione di probabilità che esprimerebbe l'incertezza di "p" prima che i "dati" (per esempio, un sondaggio di opinione) siano presi in considerazione. Il proposito è di attribuire incertezza piuttosto che casualità a una quantità incerta. La quantità incognita può essere un parametro o una variabile latente. Si applica il teorema di Bayes, moltiplicando la distribuzione a priori per la funzione di verosimiglianza e quindi normalizzando, per ottenere la distribuzione di probabilità a posteriori, la quale è la distribuzione condizionata della quantità incerta una volta ottenuti i dati. Spesso una distribuzione a priori è l'accertamento soggettivo (elicitazione) di una persona esperta. Quando possibile, alcuni sceglieranno una "distribuzione a priori coniugata" per rendere più semplice il calcolo della distribuzione a posteriori. I parametri di una distribuzione a priori sono chiamati "iperparametri", per distinguerli dai parametri del modello dei dati sottostanti. Per esempio, se si sta usando una distribuzione beta per modellare la distribuzione di un parametro "p" di una distribuzione di Bernoulli, allora: Una "distribuzione a priori informativa" esprime una specifica, definita informazione circa una variabile. Un esempio è la distribuzione a priori per la temperatura di domattina. Un approccio ragionevole è costruire la distribuzione a priori come una distribuzione normale con valore atteso uguale alla temperatura mattutina di oggi, con una varianza uguale alla varianza giorno per giorno della temperatura atmosferica, oppure come una distribuzione della temperatura per quel tal giorno dell'anno. Questo esempio ha una proprietà in comune con molte distribuzioni a priori, ovvero che la distribuzione a posteriori di un problema (temperatura odierna) diventa la distribuzione a priori per un altro problema (temperatura di domani); l'evidenza preesistente, che è già stata tenuta in conto, è parte della distribuzione a priori e come ulteriore evidenza viene accumulata. La distribuzione a priori è largamente determinata dall'evidenza piuttosto che da qualche assunzione originale, sempre che l'assunzione originale ammetta la possibilità (ossia sia compatibile) con quello che l'evidenza suggerisce. I termini "a priori" e "a posteriori" sono generalmente relativi a un dato o un'osservazione specifica. Una "distribuzione a priori non informativa" esprime vaghezza o informazione a carattere generale circa una variabile. Il termine "non informativa" può essere un po' fuorviante; spesso, tale tipo di distribuzione è chiamata "a priori non molto informativa", oppure "a priori oggettiva", cioè una distribuzione che non è soggettivamente esplicitata. Le distribuzioni a priori non informative possono esprimere informazione "oggettiva" come ad esempio "la variabile è positiva" oppure "la variabile è minore di tal limite". La più semplice e vecchia regola per determinare una distribuzione a priori non informativa è il principio d'indifferenza, il quale assegna a tutti gli eventi uguale probabilità. In problemi di stima parametrica, l'uso di una distribuzione a priori non informativa dà risultati che sono non troppo differenti dall'analisi statistica convenzionale. Questo accade in quanto la funzione di verosimiglianza fornisce la parte maggiore dell'informazione rispetto a quella fornita dalla distribuzione a priori non informativa nel determinare una distribuzione a posteriori. Vari tentativi sono stati fatti per trovare probabilità a priori, cioè distribuzioni di probabilità in un certo senso logicamente richieste dalla natura di uno stato di incertezza; queste sono soggette a controversia filosofica, con i sostenitori del metodo bayesiano approssimativamente divisi in due scuole: i "bayesiani oggettivistici", che credono che tali distribuzioni a priori esistano in molte situazioni, e i "bayesiani soggettivisti" che credono che in pratica le distribuzioni a priori rappresentino giudizi di opinione che non possono essere rigorosamente giustificati. Per la maggiore le più forti argomentazioni a favore della scuola oggettivistica furono date da Edwin T. Jaynes. Come esempio di una distribuzione a priori, dovuta a, consideriamo una situazione in cui sappiamo che una pallina è nascosta sotto una di tre tazze rovesciate, A, B o C, ma nessun'altra informazione è disponibile circa la sua posizione. In questo caso una distribuzione a priori uniforme di formula_1 sembra intuitivamente verosimile la sola scelta ragionevole. Più formalmente, noi possiamo vedere che il problema rimane lo stesso se scambiamo le lettere identificative "A", "B" e "C" delle tazze. Sarebbe perciò strano scegliere una distribuzione a priori per la quale una permutazione delle lettere causerebbe un cambio nella nostra predizione circa la posizione dove la pallina sarà trovata; la distribuzione a priori uniforme è la sola che preserva questa invarianza. Se si accetta questo principio di invarianza allora si può vedere che la distribuzione a priori uniforme è la distribuzione logicamente corretta che rappresenta questo stato di conoscenza a priori. Si avrà notato che questa distribuzione a priori è "oggettiva" nel senso di essere la scelta corretta per rappresentare un particolare stato di conoscenza, ma non è oggettiva nel senso di essere una caratteristica del sistema osservato indipendente dall'osservatore: in realtà la pallina esiste sotto una specifica tazza e in questa situazione ha solo senso parlare di probabilità se c'è un osservatore con una conoscenza limitata del sistema ossia della posizione della pallina sotto le tazze. Come esempio più controverso, Jaynes pubblicò un argomento basato sui gruppi di Lie suggerente che la distribuzione a priori rappresentante in maniera completa l'incertezza sarebbe la distribuzione a priori di Haldane "p"(1 − "p"). L'esempio fornito da Jaynes è quello di trovare un chimico in un laboratorio e di chiedergli di eseguire ripetutamente degli esperimenti di dissoluzione in acqua. La distribuzione a priori di Haldane da prevalentemente la maggiore probabilità agli eventi formula_2 and formula_3, indicando che il campione ogni volta si scioglierà oppure no, con uguale probabilità. Tuttavia se sono stati osservati campioni non disciogliersi in un esperimento e disciogliersi in un altro, allora questa distribuzione a priori è aggiornata alla distribuzione uniforme sull'intervallo [0, 1]. Questo risultato si ottiene applicando il teorema di Bayes all'insieme di dati consistente in un'osservazione di dissoluzione e una di non dissoluzione, usando la distribuzione a priori precedente. sulla base che essa fornisce una distribuzione a posteriori impropria che pone il 100% del contenuto di probabilità sia a "p" = 0 o a "p" = 1 se un numero finito di esperimenti ha dato lo stesso risultato (ad esempio il discioglimento). La distribuzione a priori di Jeffreys "p"(1 − "p") è perciò preferita ("cfr." sotto). Se lo spazio parametrico X è dotato di una struttura di gruppo naturale che lascia invariato il nostro stato di conoscenza bayesiano, allora la distribuzione a priori può essere costruita proporzionale alla Misura di Haar. Questo può essere visto come una generalizzazione del principio di invarianza che giustificava la distribuzione a priori uniforme dell'esempio delle tre tazze visto sopra. Per esempio, in fisica ci si aspetta che un esperimento dia i medesimi risultati indipendentemente dalla scelta dell'origine del sistema di coordinate. Questo induce la struttura gruppale del gruppo delle traslazioni su "X", il quale determina la distribuzione di probabilità a priori come una distribuzione a priori impropria costante. Analogamente alcuni sistemi fisici presentano un'invarianza di scala (ossia i risultati sperimentali sono indipendenti dal fatto che, ad esempio, usiamo centimetri o pollici). In tal caso il gruppo di scala è la struttura di gruppo naturale, e la corrispondente distribuzione a priori su "X" è proporzionale a 1/"x". Qualche volta risulta importante se viene usata la misura di Haar invariante a sinistra piuttosto che quella invariante a destra. Per esempio, le misure di Haar invarianti a destra e a sinistra sul gruppo affine non sono uguali. Berger (1985, p. 413) arguisce che la scelta corretta è la misura di Haar invariante a destra. Un'altra idea, supportata da Edwin T. Jaynes, è di usare il principio di massima entropia (MAXENT). La motivazione è che l'entropia di Shannon di una distribuzione di probabilità misura l'ammontare di informazione contenuta nella distribuzione. Maggiore è l'entropia, minore è l'informazione fornita dalla distribuzione. Perciò, mediante la massimizzazione dell'entropia sopra un adeguato insieme di distribuzioni di probabilità su "X", si trova la distribuzione che è meno informativa nel senso che essa contiene il minore ammontare di informazione consistente con le costrizioni definite dall'insieme scelto. Per esempio, la distribuzione a priori di massima entropia su uno spazio discreto, dato solo il fatto che la probabilità è normalizzata a 1, è la distribuzione a priori che assegna uguale probabilità ad ogni stato. Mentre nel caso continuo, la distribuzione a priori di massima entropia con densità normalizzata, media nulla e varianza unitaria, è la ben nota distribuzione normale. Il principio di minima entropia incrociata generalizza il principio di massima entropia al caso di "aggiornamento" di una distribuzione a priori arbitraria con adeguate costrizioni nel senso di massima entropia. Un'idea collegata, la distribuzione a priori di riferimento, fu introdotta da José-Miguel Bernardo. Qui l'idea è di massimizzare il valore atteso della divergenza di Kullback–Leibler della distribuzione a posteriori rispetto alla distribuzione a priori. Questo massimizza l'informazione attesa riguardante "X" quando la densità a priori è "p"("x"); perciò, in un certo senso, "p"("x") è la distribuzione a priori "meno informativa" riguardo X. La distribuzione a priori di riferimento è definita nel limite asintotico, cioè si considera il limite delle distribuzioni a priori così ottenute come il numero di dati va all'infinito. Nei problemi multivariati spesso vengono scelte come distribuzioni a priori oggettive le distribuzioni a priori di riferimento, dato che altre scelte (ad esempio la regola di Jeffreys possono portare a distribuzioni a priori dal comportamento problematico. Distribuzioni a priori oggettive possono anche essere derivate da altri principi, come le teorie dell'informazione o le teorie della codifica (vedi ad esempio lunghezza di descrizione minima) oppure della statistica frequentista. Problemi filosofici legati alle distribuzioni a priori non informative sono associati alla scelta di una metrica appropriata o scala di misurazione. Supponiamo di volere una distribuzione a priori per la valocità di un corridore a noi sconosciuto. Potremmo specificare, diciamo, per la sua velocità una distribuzione a priori di tipo normale, ma in alternativa potremmo specificare una distribuzione a priori normale per il tempo impiegato a percorrere 100 metri, il quale è proporzionale al reciproco della prima distribuzione a priori. Queste due distribuzioni a priori sono effettivamente differenti, ma non è chiaro quale delle due preferire. Il metodo, spesso sopravvalutato, di trasformazione dei gruppi di Jaynes può rispondere a tale questione in varie situazioni. In maniera simile, se ci è chiesto di stimare una proporzione incognita tra 0 e 1, noi possiamo affermare che tutte le proporzioni sono ugualmente probabili ed usare una distribuzione a priori uniforme. Alternativamente, potremmo dire che tutti gli ordini di grandezza per la proporzione sono ugualmente probabili, e scegliere la distribuzione a priori logaritmica, la quale è la distribuzione a priori uniforme sul logaritmo della proporzione. La distribuzione a priori di Jeffreys tenta di risolvere questo problema calcolando una distribuzione a priori che esprime la medesima credenza indipendentemente dalla metrica utilizzata. La distribuzione a priori di Jeffreys per una proporzione incognita "p" è "p"(1 − "p"), che differisce da quella raccomandata da Jaynes. Distribuzioni a priori basate sulla nozione di probabilità algoritmica vengono impiegate nel campo dell'inferenza induttiva come base induttiva in configurazioni del tutto generali. Problemi pratici associati con le distribuzioni a priori non informative includono il requisito che la distribuzione a posteriori sia propria. Le distribuzioni a priori non informative su variabili continue, non limitate sono improprie. Questo non è necessariamente un problema se la distribuzione a posteriori è propria. Un altro argomento importante è quello in cui se una distribuzione a priori non informativa viene usata in maniera regolare, cioè con svariati insiemi di dati, allora essa avrebbe buone proprietà frequentiste. Normalmente un bayesiano non dovrebbe porsi questo problema, ma potrebbe essere importante farlo in questa situazione. Per esempio, uno potrebbe volere che qualsiasi regola di decisione basata sulla distribuzione a posteriori sia ammissibile sotto la funzionedi perdita adottata. Sfortunatamente, l'ammissibilità è difficile da verificare, nonostante vari risultati siano noti ("cfr." ad esempio, Berger and Strawderman, 1996). Il problema è particolarmente acuto con i modelli di Bayes gerarchici; le distribuzioni a priori usuali (ad esempio la distribuzione a priori di Jeffreys) possono dare regole di decisione praticamente inammissibili se impiegate ai livelli gerarchici più elevati. Se il teorema di Bayes viene scritto come allora è chiaro che si otterrebbe il medesimo risultato se tutte le probabilità a priori "P"("A") e "P"("A") fossero moltiplicate per una data costante; lo stesso sarebbe vero per una variabile casuale continua. Se la sommatoria al denominatore converge, le probabilità a posteriori sommeranno (o integreranno) ancora a 1 anche se i valori della distribuzione a priori non lo fanno, e in tal modo può solo essere necessario richiedere alle distribuzioni a priori di essere specificate nella proporzione corretta. Spingendo oltre questa idea, in molti casi non è neanche richiesto che la somma o l'integrale dei valori della distribuzione a priori sia finita per ottenere risposte significative circa le probabilità a posteriori. Quando questo è il caso, la distribuzione a priori è chiamata distribuzione a priori impropria. Tuttavia, se la distribuzione a priori è impropria, allora non è necessario che la distribuzione a posteriori sia propria. Questo è chiaro nella situazione in cui l'evento "B" è indipendente da tutti gli altri eventi "A". Vari statistici usano le distribuzioni a priori improprie come distribuzioni a priori non informative. Per esempio, se hanno bisogno di una distribuzione a priori per la media e la varianza di una variabile casuale, allora essi assumono "p"("m", "v") ~ 1/"v" (per "v" > 0) il che suggerirebbe che qualsiasi valore per la media è "ugualmente probabile" e che un valore per la varianza positiva diventa "meno probabile" in proporzione inversa al suo valore. Molti autori (Lindley, 1973; De Groot, 1937; Kass and Wasserman, 1996) mettono in guardia contro il pericolo di sovra-interpretare tali distribuzioni a priori poiché non sono densità di probabilità. La loro sola rilevanza che esse hanno si trova nella distribuzione a posteriori corrispondente, fintanto che questa è ben definita per tutte le osservazioni. (La distribuzione a priori di Haldane è un tipico controesempio.) Esempi di distribuzioni a priori includono: Il concetto di probabilità algoritmica fornisce una via per specificare la probabilità delle distribuzioni a priori basata sulla complessità relativa di modelli presi in considerazione e tra loro alternativi.

Distribuzione di probabilità a priori

In statistica, una correlazione è una relazione tra due variabili tale che a ciascun valore della prima corrisponda un valore della seconda, seguendo una certa regolarità . Il termine apparve per la prima volta in un'opera di Francis Galton, "Hereditary Genius" (1869). Non fu definita in modo più approfondito (la moralità di un individuo e la sua instabilità morale sono non correlate). Otto anni dopo, nel 1877, lo stesso Galton scoprì che i coefficienti di regressione lineare tra X e Y sono gli stessi se - ad entrambe le variabili - viene applicata la deviazione standard σ e σ: Galton utilizzò in realtà lo scarto interquartile, definendo il parametro "coefficiente di co-relazione" e abbreviando "regressione" in "r". In base alle caratteristiche presentate, la correlazione può definirsi: Inoltre, le correlazioni possono essere: Il grado di correlazione tra due variabili viene espresso tramite l'indice di correlazione. Il valore che esso assume è compreso tra −1 (correlazione inversa) e 1 (correlazione diretta e assoluta), con un indice pari a 0 che comporta l'assenza di correlazione; il valore nullo dell'indice non implica, tuttavia, che le variabili siano indipendenti. I coefficienti di correlazione sono derivati dagli indici, tenendo presenti le grandezze degli scostamenti dalla media. In particolare, l'indice di correlazione di Pearson è calcolato come rapporto tra la covarianza delle due variabili e il prodotto delle loro deviazioni standard.: Va comunque notato che gli indici e i coefficienti di correlazione siano da ritenersi sempre approssimativi, a causa dell'arbitrarietà con cui sono scelti gli elementi: ciò è vero, in particolare, nei casi di correlazioni multiple. Contrariamente a quanto si potrebbe intuire, la correlazione non dipende da un rapporto di causa-effetto quanto dalla tendenza di una variabile a cambiare in funzione di un'altra. Le variabili possono essere tra loro dipendenti (per esempio la relazione tra stature dei padri e dei figli) oppure comuni (relazione tra altezza e peso di una persona). Nel cercare una correlazione statistica tra due grandezze, per determinare un possibile rapporto di causa-effetto, essa non deve risultare una correlazione spuria.

Correlazione (statistica)

La regressione formalizza e risolve il problema di una relazione funzionale tra variabili misurate sulla base di dati campionari estratti da un'ipotetica popolazione infinita. Originariamente Galton utilizzava il termine come sinonimo di correlazione, tuttavia oggi in statistica l'analisi della regressione è associata alla risoluzione del modello lineare. Per la loro versatilità, le tecniche della regressione lineare trovano impiego nel campo delle scienze applicate: chimica, geologia, biologia, fisica, ingegneria, medicina, nonché nelle scienze sociali: economia, linguistica, psicologia e sociologia. Più formalmente, in statistica la regressione lineare rappresenta un metodo di stima del valore atteso condizionato di una variabile "dipendente", o "endogena", formula_1, dati i valori di altre variabili "indipendenti", o "esogene", formula_2: formula_3. L'uso dei termini "endogeno"/"esogeno" è talvolta criticato, in quanto implicherebbe una nozione di causalità che l'esistenza di una regressione non prevede; in determinati contesti, provocherebbe inoltre confusione, essendo ad esempio il concetto di esogeneità in econometria formalmente definito tramite l'ipotesi di ortogonalità alla base delle proprietà statistiche della regressione lineare col metodo dei minimi quadrati. La prima, e ancora popolare, forma di regressione lineare è quella basata sul metodo dei minimi quadrati (si veda oltre). La prima pubblicazione contenente un'applicazione del metodo nota è datata 1805, a nome di Adrien-Marie Legendre; Carl Friedrich Gauss elabora indipendentemente lo stesso metodo, pubblicando le sue ricerche nel 1809. Sebbene Gauss sostenne di avere sviluppato il metodo sin dal 1795, la paternità delle sue applicazioni in campo statistico è normalmente attribuita a Legendre; lo stesso termine "minimi quadrati" deriva dall'espressione francese, utilizzata da Legendre, "moindres carrés". Sia Gauss che Legendre applicano il metodo al problema di determinare, sulla base di osservazioni astronomiche, le orbite di corpi celesti intorno al sole. Eulero aveva lavorato allo stesso problema, con scarso successo, nel 1748. Nel 1821 Gauss pubblica un ulteriore sviluppo del metodo dei minimi quadrati, proponendo una prima versione di quello che è oggi noto come teorema di Gauss-Markov. L'origine del termine "regressione" è storicamente documentata. L'espressione "reversione" era usata nel XIX secolo per descrivere un fenomeno biologico, in base al quale la progenie di individui eccezionali tende in media a presentare caratteristiche meno notevoli di quelle dei genitori, e più simili a quelle degli antenati più remoti. Francis Galton studiò tale fenomeno, applicandovi il termine, forse improprio, di regressione verso la media (o la "mediocrità"). Per Galton l'espressione "regressione" ha solo tale significato, confinato all'ambito biologico. Il suo lavoro (1877, 1885) fu in seguito esteso da Karl Pearson e George Udny Yule a un contesto statistico più generale (1897, 1903); i lavori di Pearson e Yule ipotizzano che la distribuzione congiunta delle variabili dipendenti e indipendenti abbia natura gaussiana. Tale ipotesi è in seguito indebolita da Ronald Fisher, in lavori del 1922 e 1925. Fisher in particolare ipotizza che la distribuzione "condizionata" della variabile dipendente sia gaussiana, il che non implica necessariamente che così sia per quella congiunta di variabili dipendenti e indipendenti. Sotto tale profilo, la formulazione di Fisher è più vicina a quella di Gauss del 1821. Il modello di regressione lineare è: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Per ogni osservazione campionaria si dispone di una determinazione formula_1 e di formula_14 determinazioni non stocastiche formula_15. Si cerca quindi una relazione di tipo lineare tra la variabile formula_1 e le formula_14 variabili deterministiche. Una prima analisi può essere condotta considerando un modello semplice a due variabili (si suppone in pratica che formula_14 sia uguale a formula_19). Un tipico esempio è riscontrabile dall'esperienza economica considerando la relazione tra Consumi (formula_20) e Reddito (formula_1). Ricercando una relazione funzionale in cui i consumi siano "spiegati" dal reddito si può ricorrere alla relazione lineare: dove formula_24 rappresenta l'intercetta e formula_25 la pendenza della retta interpolatrice. Generalizzando il problema a due variabili formula_26 e formula_27, scriveremo: formula_29 è una generica funzione di formula_26 e comunemente si assume formula_31. Ponendo, senza perdita di generalità, tale condizione la formula diviene: Quindi la variabile dipendente formula_27 viene "spiegata" attraverso una relazione lineare della variabile indipendente formula_26 (cioè: formula_35) e da una quantità casuale formula_36. Il problema della regressione si traduce nella determinazione di formula_24 e formula_25 in modo da esprimere al ‘meglio' la relazione funzionale tra formula_27 e formula_26. Per avvalorare di un significato statistico la scelta dei coefficienti occorre realizzare alcune ipotesi sul modello lineare di regressione: Date queste ipotesi si calcolano i coefficienti formula_46 e formula_47 secondo il metodo dei minimi quadrati (in inglese "Ordinary Least Squares", o OLS, da cui il riferimento agli stimatori di seguito ottenuti come agli "stimatori OLS") proposto da Gauss; detta: le stime si ottengono risolvendo: Le soluzioni si ricavano uguagliando a zero le derivate parziali di formula_50 rispetto ad formula_24 e formula_25: Dove formula_55 denota il numero delle osservazioni; segue: da cui si ricavano le soluzioni: Essendo la varianza osservata data da: e la covarianza osservata da: dove formula_62 denotano le medie osservate, si possono scrivere i parametri nella forma: Si consideri il seguente problema teorico: date due variabili casuali formula_65 e formula_1, quale è il "migliore" stimatore per il valore atteso di formula_1, ossia quale stimatore presenta lo scarto quadratico medio (o MSE, dall'inglese "Mean Squared Error") minimo? Se si utilizza uno stimatore affine che sfrutta l'informazione relativa alla variabile casuale formula_68 allora formula_69, è possibile dimostrare che lo scarto quadratico medio formula_70 è minimizzato se: Tale osservazione fornisce una giustificazione di tipo probabilistico alle espressioni proposte sopra; si veda oltre per un'analisi formale, nel caso multivariato. Il metodo dei minimi quadrati è esaminato nel caso bivariato, deriva una retta che interpola uno scatter di punti minimizzando la somma dei quadrati delle distanze formula_72 dei punti stessi dalla retta; il grafico fornisce un'intuizione del procedimento. La scelta di minimizzare i "quadrati" degli formula_72 non è, ovviamente, arbitraria. Facendo ad esempio riferimento alla semplice somma degli formula_72, distanze positive (verso l'alto) e negative (verso il basso) si compenserebbero, rendendo in generale peggiore la qualità dell'interpolazione; se per contro si adottasse una funzione criterio uguale alla somma dei valori assoluti degli formula_72, non essendo la funzione valore assoluto derivabile su tutto l'asse reale non si potrebbe ricorrere all'elegante metodo di minimizzazione sopra illustrato. Si osservi inoltre che gli formula_72 rappresentano una distanza di un tipo alquanto particolare. In geometria la distanza di un punto da una retta è infatti data dalla lunghezza del segmento che unisce il punto alla retta, perpendicolare a quest'ultima; evidentemente non è questo il caso degli formula_72. La scelta operata trova giustificazione nelle proprietà statistiche delle stime, illustrate in seguito: la particolare forma degli stimatori dei minimi quadrati sopra ottenuti consente un più semplice trattamento delle loro proprietà statistiche. Due parole infine sul significato di regressione "lineare". Il nome di questa tecnica statistica "non" significa che nella funzione stimata la variabile dipendente formula_78 è una funzione lineare della(e) variabile(i) esplicativa(e) formula_79, ma dei "parametri" oggetto di stima (formula_24 e formula_25 sopra). La stima di una funzione del tipo: rientra nel raggio d'azione del modello lineare, dal momento che formula_78 è una funzione lineare dei parametri formula_84, formula_85, formula_86. Per ulteriori considerazioni al riguardo, si veda l'articolo Regressione nonlineare. Il metodo sopra illustrato può essere esteso al caso in cui più variabili contribuiscono a spiegare la variabile dipendente formula_1: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Raggruppando le osservazioni delle variabili esplicative in una matrice formula_65 di dimensioni formula_107, che si ipotizza avere rango pieno e uguale a formula_108 (il termine costante, o intercetta, corrisponde ad avere una colonna di formula_19 nella formula_65), è possibile scrivere, in notazione matriciale: Nella formulazione più elementare, si assume che formula_112, ossia: formula_113 formula_114 (omoschedasticità), formula_115 (assenza di correlazione nei disturbi). Si ipotizza inoltre che: ossia che non vi sia correlazione tra i regressori e i disturbi casuali — quest'ipotesi riveste un'importanza cruciale, in quanto rende possibile considerare i regressori compresi nella matrice formula_65 come variabili "esogene" (da cui il nome con cui l'ipotesi è spesso indicata: ipotesi di "esogeneità"). Quest'ultima proprietà è tutt'altro che banale, in quanto soltanto laddove essa è valida è possibile garantire che il vettore di stime dei parametri del modello, formula_118, abbia per valore atteso il vero valore dei parametri formula_85 (godendo così della proprietà di correttezza; si veda oltre). Sotto tali ipotesi, è possibile ottenere le stime del vettore di parametri formula_85 tramite il metodo dei minimi quadrati risolvendo il problema di minimo: Le condizioni del primo ordine per un minimo definiscono il sistema (detto delle equazioni normali): da cui: Per le proprietà della forma quadratica minimizzanda, si è certi che la soluzione trovata corrisponde a un minimo, non solo locale ma globale. Il vettore di stime OLS formula_124 consente di ottenere i valori previsti ("teorici") per la variabile dipendente: Formalmente, l'espressione sopra corrisponde a una proiezione ortogonale del vettore delle osservazioni formula_27 sullo spazio generato dalle colonne della matrice formula_65; la figura a lato illustra questo risultato. Per chiarire questo punto, sia formula_128 la proiezione di formula_27 sullo spazio generato dalle colonne matrice formula_65: Ciò significa che esisterà un vettore di pesi formula_86 tale per cui è possibile ottenere formula_128 come formula_134, ossia come combinazione lineare delle colonne di formula_65. A sua volta formula_27 sarà uguale a formula_128 più una componente formula_138 ortogonale allo spazio generato da formula_65: Dunque formula_141; premoltiplicando per formula_142 si ha: formula_143; così che: ossia l'espressione per il vettore di stime OLS formula_118 derivata in precedenza. Questa intuizione geometrica è formalizzata nel teorema di Frisch-Waugh-Lovell. Gli stimatori formula_124 degli OLS godono di una serie di interessanti proprietà algebriche; tali proprietà dipendono dal metodo dei minimi quadrati adottato, e non dal particolare modello oggetto di stima. Si osservi che le prime tre proprietà valgono solo se la matrice dei regressori include il termine costante, ossia se include un vettore di soli formula_19. L'R², o coefficiente di determinazione, è una misura della bontà dell'adattamento (in inglese "fitting") della regressione lineare stimata ai dati osservati. Al fine di definire l'R², sia formula_167; questa matrice trasforma i vettori in scarti dalla propria media, così che, ad esempio, formula_168. Si osservi che la matrice formula_169 è simmetrica (formula_170) e idempotente (formula_171). Dunque la somma degli scarti al quadrato delle formula_153 da formula_173 è semplicemente: formula_174. L'R² è definito come: Spesso le quantità al numeratore e al denominatore sono chiamate, rispettivamente, ESS (formula_176, dall'inglese "Explained Sum of Squares") e TSS (formula_174, dall'inglese "Total Sum of Squares"). Osservando che, per semplice sostituzione: dove l'ultima uguaglianza segue dal fatto che la media dei residui è zero, si ha: così che l'R² sarà un numero compreso tra formula_180 e formula_19 (alcuni pacchetti statistici trasformano tale numero in una percentuale); in analogia con quanto sopra, spesso la quantità formula_182 è indicata con la sigla RSS (dall'inglese "Residual Sum of Squares"), o SSR ("Sum of Squared Residuals", grammaticalmente più preciso, ma forse meno usato). Euristicamente, l'R² misura la frazione della variabilità delle osservazioni formula_153 che siamo in grado di spiegare tramite il modello lineare. Due importanti "caveat" devono in ogni caso essere tenuti a mente: È evidente che, al crescere del numero di regressori formula_14, formula_190 in generale decresce, correggendo l'artificiale incremento dell'R². Si può inoltre dimostrare che formula_190 aumenta, aggiungendo un regressore, soltanto se il valore della statistica formula_192 associata al coefficiente di tale regressore (si veda oltre) è maggiore di formula_19, così che il valore dell'R² corretto è legato alla significatività delle variabili aggiuntive. È opportuno far emergere alcune credenze sbagliate riguardo l'R². Innanzitutto non può mai assumere valori negativi perché è il rapporto di due varianze; tuttavia i software statistici possono produrre un output di una regressione che presenta un R² negativo. Ciò è dovuto al fatto che in questi programmi l'R² si calcola come differenza tra varianza spiegata e quella dei residui. Tuttavia nel caso di mispecificazione del modello (si "dimenticano" variabili che il data generating process contiene, intercetta compresa), il valore atteso della stima dei residui è in genere diverso da zero, quindi la media dello stimatore di formula_1 è diverso dalla media di formula_1. Pertanto il calcolo del software risulta errato perché non tiene conto di ciò. Sotto le ipotesi sopra formulate, il valore atteso dello stimatore formula_124 è uguale al vettore di parametri formula_85; tale proprietà è detta correttezza; al fine di verificare la correttezza di formula_124, è sufficiente osservare che: La varianza (in effetti, matrice varianza-covarianza) di formula_200 si ottiene come: Il teorema di Gauss-Markov stabilisce che tale varianza è minima tra quelle degli stimatori di formula_85 ottenibili come combinazione lineare delle osservazioni formula_27; in questo senso formula_124 è uno stimatore efficiente (in effetti si tratta di uno stimatore "BLUE", dall'inglese "Best Linear Unbiased Estimator", il migliore stimatore corretto lineare). Poiché formula_205 e le combinazioni lineari di variabili casuali normali indipendenti sono ancora normali, se ne conclude che: Volendo stimare il parametro formula_207, un naturale candidato sarebbe la varianza campionaria: In effetti lo stimatore sopra sarebbe anche lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_209. Semplici manipolazioni mostrano tuttavia che tale stimatore non gode della proprietà di correttezza; infatti: dove formula_212. Il valore atteso dell'espressione sopra è: dove formula_214 denota l'operatore traccia di una matrice. Lo stimatore corretto per il parametro formula_207 è dunque: Infatti: Si osservi inoltre che, poiché formula_112, formula_219 ha una distribuzione chi quadro con formula_220 gradi di libertà. Le tecniche del modello lineare sopra esposte possono trovare diverse applicazioni; con una qualche semplificazione, due sono i principali usi della regressione lineare: Confinando la nostra attenzione al secondo punto, nell'ambito della statistica classica (cioè non bayesiana) condurre un test statistico non può portare ad "accettare" un'ipotesi nulla, ma al più a "non rifiutarla", un po' come dire che lo statistico assolve per mancanza di prove. Un primo ordine di test concerne i singoli coefficienti del modello; volere stabilire se la j-esima variabile delle formula_65 abbia o meno potere esplicativo nei confronti della formula_27 equivale a sottoporre a verifica l'ipotesi nulla che il corrispondente coefficiente formula_223 sia nullo. A tal fine si ricorre alla statistica test: dove formula_225, che sotto l'ipotesi nulla formula_226 ha distribuzione t di Student. Un caso più complesso, e di maggiore interesse, riguarda il test di un insieme di restrizioni lineari sui coefficienti del modello; si consideri al riguardo ad un'ipotesi nulla nella forma: dove formula_228 è una matrice di rango formula_229. Ad esempio, volendo testare l'ipotesi che il primo e il terzo coefficiente siano uguali, sarà sufficiente ricorrere la matrice (in questo particolare caso, vettore) formula_230, con formula_231, così che l'ipotesi nulla risulti: formula_232. Al fine di sottoporre a verifica ipotesi di questo tipo, è sufficiente considerare che, essendo la combinazione lineare di variabili casuali normali ancora normale: sotto l'ipotesi nulla formula_227. Ne consegue che: per la nota proprietà per cui la combinazione lineare dei quadrati variabili casuali normali standardizzate ha distribuzione chi quadro, con gradi di libertà pari al rango della matrice formula_236, formula_229 (si osservi che in generale formula_238, e che formula_229 sarà solitamente pari al numero di restrizioni imposte sui parametri del modello). Naturalmente in generale il parametro formula_207 è incognito, per cui l'espressione sopra non può essere usata direttamente per fare inferenza statistica. Si ricorda tuttavia che: Essendo noto che il rapporto tra due variabili casuali aventi distribuzione chi quadro, divise per i rispettivi gradi di libertà, è distribuito come una F di Fisher, è possibile utilizzare la statistica test: avente sotto l'ipotesi nulla distribuzione F di Fisher con formula_229 e formula_220 gradi di libertà. Se due o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono linearmente dipendenti, non esiste l'inversa formula_246 per cui il vettore di stime OLS non può essere determinato. Se da un lato è assai improbabile che questa eventualità si verifichi nelle applicazioni pratiche, è comunque possibile che alcune colonne della matrice formula_68 siano prossime alla dipendenza lineare; in tal caso sarà ancora possibile ottenere un vettore di stime OLS, ma sorgerà il problema della multicollinearità. Si parla di multicollinearità allorché una o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono prossime a essere linearmente dipendenti. L'effetto della multicollinearità è che la matrice formula_249 è prossima all'essere singolare. Questo ha due conseguenze di particolare rilievo nelle applicazioni: Il primo punto implica che gli intervalli di confidenza per i valori dei coefficienti saranno relativamente ampi; se tali intervalli includono lo zero, non si può rifiutare l'ipotesi nulla che la variabile corrispondente non abbia alcun effetto sulla variabile dipendente. Un indicatore di multicollinearità spesso utilizzato nella pratica è il "variance inflation factor" (fattore di inflazione della varianza), o VIF. Il VIF è calcolato per ciascuna variabile del modello (spesso automaticamente da diversi software statistici), in base all'espressione: dove formula_251 è il coefficiente R² di una regressione della colonna formula_5-esima di formula_65 su tutti gli altri regressori (incluso il termine costante, se è presente). È possibile dimostrare che la varianza dell'elemento formula_5-esimo del vettore delle stime OLS formula_124 è proporzionale al VIF; dunque un VIF elevato comporterà una minore significatività del coefficiente formula_256, andando a ridurre il valore della statistica formula_192 di Student associata. Un formula_251 elevato è indice di dipendenza lineare tra la colonna formula_5-esima e le restanti colonne della matrice formula_65, ossia è un indice di multicollinearità. Non esiste, tuttavia, un particolare valore soglia del VIF che determina inequivocabilmente la multicollinearità; sta alla sensibilità del ricercatore valutare, con l'ausilio dell'indicazione del VIF, se sussista o meno multicollinearità, nel qual caso è opportuno rimuovere il regressore formula_5-esimo (colonna formula_5-esima della matrice formula_65 sulla quale si è riscontrata multicollinearità). Le stime e le statistiche test presentate sopra costituiscono l'obiettivo del ricercatore che effettua un'analisi di regressione lineare. Sebbene le convenzioni nella presentazione dei risultati varino significativamente a seconda dell'ambito scientifico o del tipo di pubblicazione, alcuni standard sono in generale rispettati. I risultati della stima di un modello di regressione lineare potrebbero e dovrebbero riportare: Particolare attenzione si deve porre nel ritenere che un modello: implichi che le variabili ricomprese nella matrice formula_65 "causino" la formula_27. È importante osservare che l'esistenza di regressione (formalmente definita nei paragrafi precedenti) "non implica altro che l'esistenza di un valore atteso condizionato": In particolare, non si può in generale affermare che l'espressione sopra significhi che le variabili in formula_65 "causino" il comportamento della formula_27. Come espresso con efficacia da Cochrane (2003), "le regressioni non hanno cause al secondo membro e conseguenze al primo membro." Tuttavia resta vero che uno dei principali task dell'analisi di regressione verte proprio sulle indagini di tipo causale; peraltro in contesti sperimentali "controllati" questa possibilità è tipicamente accettata. Inoltre anche in contesti osservazionali l'interpretazione causale, anche se molto più delicata, non si esclude assolutamente, anzi in certi contesti resta il task più importante. Particolare rilievo in questo contesto è giocato dal problema delle "variabili omesse", se siamo portati a ritenere che tale problema non sia rilevante, allora l'interpretazione causale è lecita. I concetti di validità esterna ed interna forniscono uno schema di riferimento per valutare se uno studio statistico o econometrico sia utile per rispondere ad una domanda specifica di interesse. L'analisi è esternamente valida se le sue inferenze e conclusioni possono essere generalizzate dalla popolazione e dal contesto studiati ad altre popolazioni e contesti. Deve essere giudicata usando la conoscenza specifica della popolazione e del contesto usato e di quelli oggetto d'interesse. Un'ipotesi cruciale del modello classico di regressione lineare è che i regressori siano ortogonali al disturbo stocastico, ossia, formalmente: Il motivo per cui tale ipotesi — anche nota come "ipotesi di esogeneità" — è fondamentale è presto illustrato; basta osservare che: così che: In altri termini: l'ipotesi di esogeneità dei regressori è condizione necessaria per la correttezza dello stimatore formula_118 del metodo dei minimi quadrati (un'analoga argomentazione può essere data in termini asintotici, passando dalla correttezza alla consistenza dello stimatore). In tutti i casi in cui si ha motivo di credere che l'ipotesi di esogeneità sia violata — tutti i casi in cui si sospetta "endogeneità" dei regressori — non si può fare affidamento sui risultati di una regressione condotta col metodo dei minimi quadrati ordinari (la soluzione è di ricorrere a una regressione con variabili strumentali). È la differenza tra la popolazione studiata e la popolazione d'interesse. Un esempio è quello di effettuare lo stesso test sui topi e sugli uomini senza chiedersi se vi siano delle differenze che inficino l'analisi. Anche se la popolazione studiata e quella d'interesse fossero uguali, sarebbe opportuno valutarne il contesto. Un esempio è uno studio su una campagna di alcolici su degli studenti universitari e su degli studenti delle classi primarie. Un'analisi statistica è internamente valida se le inferenze statistiche sugli effetti causali sono validi per la popolazione oggetto di studio. La distorsione da variabile omessa nasce quando viene omessa una variabile dalla regressione, che è una determinante di formula_1 ed è correlata con uno o più dei regressori. L'omissione di variabili rilevanti (nel senso precisato in quanto segue) può rendere le stime OLS inconsistenti. Si supponga che il modello "vero" sia: ma si stimi un modello: che omette la variabile "rilevante" formula_282 che contribuisce a spiegare la variabile dipendente formula_27. Si ha allora: Poiché formula_285, nel secondo modello il regressore formula_286 è correlato col disturbo formula_287. Per la precisione: Risulta così violata una delle ipotesi del modello classico di regressione lineare, e le stime del parametro formula_289 col metodo dei minimi quadrati ordinari sono inconsistenti. Si osservi che, qualora la variabile rilevante formula_282 sia ortogonale a formula_286 (e, di conseguenza, formula_292), il problema scompare (il teorema di Frisch-Waugh-Lovell precisa ed estende quest'ultima considerazione). Questo errore sorge quando la funzione di regressione che descrive i dati non è corretta. Ad esempio una funzione di regressione di una popolazione non lineare è descritta come lineare. Tipicamente è un errore di misura o confusione, che va a distorcere l'intero data set. La distorsione di causalità simultanea si verifica in una regressione di Y su X quando, in aggiunta al legame causale d'interesse da formula_65 a formula_1, c'è un legame causale da formula_1 a formula_65. Questa causalità inversa rende formula_65 correlato con l'errore statistico nella regressione d'interesse. Si verifica quando il processo di selezione è legato al valore della variabile dipendente; ciò può introdurre la correlazione tra l'errore statistico ed il regressore, portando così ad una distorsione dello stimatore OLS. Si supponga di non poter osservare direttamente un regressore, che deve essere stimato (o "generato", secondo una diversa terminologia); per concretezza, si consideri un "vero" modello: e si ipotizzi di disporre soltanto di una stima di formula_300: Se si procede nella stima di: Si ottiene: con: Supponendo che formula_307, la stima del parametro formula_85 risulta più vicina a zero di quanto non sia il "vero" valore del parametro (questo effetto è noto con termine inglese come "attenuation bias"). È immediato osservare che il problema è meno pronunciato laddove la varianza dell'errore nell'osservazione di formula_300, formula_310 risulta minore della varianza di formula_300 stesso — ossia, non sorprendentemente, quando formula_300 può essere stimato con relativa precisione. Si osservi infine che nessun problema si pone nel caso in cui la variabile dipendente — formula_27 — sia stimata o generata. In tal caso, il termine di errore in essa contenuto sarà semplicemente incorporato nel disturbo della regressione — formula_314, senza ledere la consistenza delle stime OLS. Le proprietà sopra esposte possono essere generalizzate al caso in cui le ipotesi sulla distribuzione dei termini di errore non siano necessariamente valide per campioni di dimensione finita. In questo caso, si ricorre alle proprietà "asintotiche" delle stime, supponendo implicitamente che, per campioni di dimensione sufficientemente grande, la distribuzione asintotica delle stime coincida, o approssimi ragionevolmente, quella effettiva. I risultati si fondano sul teorema del limite centrale, o su sue generalizzazioni. Al fine di illustrare le proprietà asintotiche degli stimatori dei minimi quadrati ordinari, si ipotizzi: dove formula_318 denota la convergenza in probabilità e formula_319 la matrice identità. L'espressione per lo stimatore dei minimi quadrati ordinari può essere riscritta come: Passando al limite per formula_321, si ha allora: (si osservi che il limite in probabilità dell'inversa di formula_323 è l'inversa di formula_324). Dunque, lo stimatore formula_118 converge in probabilità al vero valore del vettore di parametri formula_85 – si dice dunque che formula_118 gode della proprietà di consistenza. Applicando una banale estensione del teorema del limite centrale al caso multivariato, si ha inoltre: dove formula_329 denota la convergenza in distribuzione. Da quest'ultimo risultato discende allora che: In altre parole, lo stimatore dei minimi quadrati ordinari è non solo consistente, ma anche asintoticamente normalmente distribuito; l'insieme di queste proprietà si indica con la sigla inglese CAN ("Consistent and Asymptotically Normal"). I metodi sopra esposti costituiscono il nucleo del modello classico di regressione lineare; quantunque validi strumenti di analisi per un ampio spettro di discipline e casi di studio, essi prestano il fianco a una serie di critiche, incentrate sulla semplicità delle ipotesi alla base del modello. Tali critiche hanno portato alla formulazione di modelli più generali, caratterizzati da ipotesi meno restrittive rispetto a quelle poste sopra. L'analisi ha battuto alcune vie principali: Ciò ha consentito lo sviluppo di modelli alternativi, o quantomeno complementari, al modello classico; tra i più noti, il metodo dei minimi quadrati generalizzati, metodi di stima tramite variabili strumentali, i vari modelli di regressione robusta, nonché numerosi modelli sviluppati nell'ambito dell'analisi delle serie storiche e dei dati panel. Nell'ambito dell'econometria (manuali, si veda anche l'articolo econometria): Nell'ambito della finanza: Nell'ambito della fisica: Nell'ambito della Ricerca sociale: Nell'ambito della linguistica, in particolare della psicolinguistica:

Regressione lineare

L'analisi della regressione è una tecnica usata per analizzare una serie di dati che consistono in una variabile dipendente e una o più variabili indipendenti. Lo scopo è stimare un'eventuale relazione funzionale esistente tra la variabile dipendente e le variabili indipendenti. La variabile dipendente nell'"equazione di regressione" è una funzione delle variabili indipendenti più un "termine d'errore". Quest'ultimo è una variabile casuale e rappresenta una variazione non controllabile e imprevedibile nella variabile dipendente. I parametri sono stimati in modo da descrivere al meglio i dati. Il metodo più comunemente utilizzato per ottenere le migliori stime è il metodo dei "minimi quadrati" (OLS), ma sono utilizzati anche altri metodi. Il "data modeling" può essere usato senza alcuna conoscenza dei processi sottostanti che hanno generato i dati; in questo caso il modello è un modello empirico. Inoltre, nella modellizzazione, non è richiesta la conoscenza della distribuzione di probabilità degli errori. L'analisi della regressione richiede ipotesi riguardanti la distribuzione di probabilità degli errori. Test statistici vengono effettuati sulla base di tali ipotesi. Nell'analisi della regressione il termine "modello" comprende sia la funzione usata per modellare i dati che le assunzioni concernenti la distribuzione di probabilità. L'analisi della regressione può essere usata per effettuare previsioni (ad esempio per prevedere dati futuri di una serie temporale), inferenza statistica, per testare ipotesi o per modellare delle relazioni di dipendenza. Questi usi della regressione dipendono fortemente dal fatto che le assunzioni di partenza siano verificate. L'uso dell'analisi della regressione è stato criticato in diversi casi in cui le ipotesi di partenza non possono essere verificate. Un fattore che contribuisce all'uso improprio della regressione è che richiede più competenze per criticare un modello che per adattarlo. La prima forma di regressione fu il metodo dei minimi quadrati, pubblicato da Legendre nel 1805, e da Gauss nel 1809. Il termine “minimi quadrati” deriva da quello usato da Legendre: "moindres carrés". Tuttavia, Gauss affermò di essere a conoscenza di questo metodo fin dal 1795. Legendre e Gauss applicarono entrambi il metodo al problema di determinare, a partire da osservazioni astronomiche, l'orbita dei pianeti attorno al Sole. Eulero aveva lavorato sullo stesso problema intorno al 1748, ma senza successo. Gauss pubblicò un ulteriore sviluppo della teoria dei minimi quadrati nel 1821, includendo una versione del teorema di Gauss-Markov. Il termine "regressione" venne coniato nel diciannovesimo secolo per descrivere un fenomeno biologico, ovvero che la progenie di individui eccezionali tende in genere ad essere meno eccezionale dei propri genitori e più simile ai loro avi più distanti. Francis Galton, un cugino di Charles Darwin, studiò questo fenomeno e applicò il termine vagamente fuorviante di "regressione verso il centro/regressione verso la media". Per Galton, la regressione aveva solo questo significato biologico, ma il suo lavoro venne in seguito esteso da Udny Yule e Karl Pearson in un contesto statistico più generale. Oggi il termine "regressione" è spesso sinonimo di "curva intercetta dei minimi quadrati". Queste condizioni sono sufficienti (ma non tutte necessarie) perché lo stimatore dei minimi quadrati goda di buone proprietà. In particolare queste assunzioni implicano che lo stimatore sia non distorto, consistente ed efficiente nella classe degli stimatori lineari non distorti. Molte di queste assunzioni possono essere rilassate in analisi più avanzate. Nella regressione lineare, il modello assume che la variabile dipendente, formula_1 sia una combinazione lineare dei "parametri" (ma non è necessario che sia lineare nella "variabile indipendente"). Ad esempio, nella regressione lineare semplice con formula_2 osservazioni ci sono una variabile indipendente: formula_3, e due parametri, formula_4 e formula_5: Nella regressione lineare multipla, ci sono più variabili indipendenti o funzioni di variabili indipendenti. Ad esempio, aggiungendo un termine in formula_7 alla regressione precedente si ottiene: Si tratta ancora di una regressione lineare: sebbene l'espressione sulla destra sia quadratica nella variabile indipendente formula_3, è comunque lineare nei parametri formula_4, formula_5 e formula_12 In entrambi i casi, formula_13 è un termine di errore e l'indice formula_14 identifica una particolare osservazione. Dato un campione casuale della popolazione, stimiamo i parametri della popolazione e otteniamo il modello di regressione lineare semplice: Il termine formula_16 è il residuo, formula_17. Un metodo di stima è quello dei minimi quadrati ordinari. Questo metodo ottiene le stime dei parametri che minimizzano la somma dei quadrati dei residui, SSE: La minimizzazione di questa funzione risulta essere un sistema di equazioni normali, un insieme di equazioni lineari simultanee nei parametri, che vengono risolte per trovare le stime dei parametri, formula_19. Vedi coefficienti di regressione per informazioni sulle proprietà statistiche di tali stimatori. Nel caso della regressione semplice, le formule per le stime dei minimi quadrati sono dove formula_22 è la media (media) dei valori formula_23 e formula_24 è la media dei valori formula_25. Sotto l'ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia una varianza costante, la stima di quella varianza è data da: formula_26 Questo è la radice dell'errore quadratico medio (RMSE) della regressione. Gli errori standard delle stime dei parametri sono dati da Sotto l'ulteriore ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia distribuzione normale, il ricercatore può usare questi errori standard stimati per creare intervalli di confidenza e condurre test d'ipotesi sui parametri della popolazione. Nel più generale modello di regressione multipla, ci sono formula_29 variabili indipendenti: Le stime dei parametri dei minimi quadrati sono ottenute da formula_29 equazioni normali. Il residuo può essere scritto come Le equazioni normali sono In notazione matriciale, le equazioni normali sono scritte come Una volta costruito un modello di regressione, è importante confermare la bontà di adattamento del modello e la significatività statistica dei parametri stimati. I controlli della bontà di adattamento comunemente usati includono l'indice R-quadro, analisi dei residui e test di ipotesi. La significatività statistica è verificata con un test F dell'adattamento globale, seguito da t-test per ogni singolo parametro. L'interpretazione di questi test dipende fortemente dalle assunzioni sul modello. Nonostante l'analisi dei residui sia usata per determinare la bontà di un modello, i risultati dei test-T e dei test-F sono difficili da interpretare nel caso in cui le assunzioni di partenza non siano soddisfatte. Ad esempio, se la distribuzione degli errori non è normale, può accadere che in campioni di numerosità ridotta le stime dei parametri non seguano una distribuzione normale, cosa che complica l'inferenza. Per grandi campioni, il teorema del limite centrale permette di effettuare i test usando un'approssimazione asintotica delle distribuzioni. La variabile risposta può essere non continua. Per le variabili binarie (zero/uno), si può procedere con un particolare tipo di modello lineare linear probability model. Se si usa un modello non-lineare i modelli più utilizzati sono il probit e il modello logit. Il modello probit multivariato rende possibile stimare congiuntamente la relazione tra più variabili binarie dipendenti e alcune variabili indipendenti. Per variabili categoriche con più di due valori si utilizza il modello logit multinomiale. Per variabili ordinali con più di due valori, si utilizzano i modelli logit cumulativo e probit cumulativo. Un'alternativa a tali procedure è la regressione lineare basata su polychoric o polyserial correlazioni tra le variabili categoriche. Tali procedure differiscono nelle ipotesi fatte sulla distribuzione delle variabili nella popolazione. Se la variabile rappresenta una ripetizione di un evento nel tempo, è positiva e con poche realizzazioni ("eventi rari"), si possono utilizzare modelli di Poisson o binomiale negativa. I modelli di regressione predicono una variabile formula_25 partendo dai valori di altre variabili formula_23. Se i valori della previsione sono compresi nell'intervallo dei valori delle variabili formula_23 utilizzate per la costruzione del modello si parla di interpolazione. Se i valori escono dal range delle variabili esplicative si parla di estrapolazione. In questo caso la previsione diventa più rischiosa. Quando la funzione del modello non è lineare nei parametri la somma dei quadrati deve essere minimizzata da una procedura iterativa. Sebbene i parametri di un modello di regressione siano di solito stimati usando il metodo dei minimi quadrati, altri metodi includono: Tutti i principali pacchetti statistici eseguono i tipi comuni di analisi di regressione correttamente e in modo semplice. La regressione lineare semplice può essere fatta in alcuni fogli elettronici. C'è una quantità di programmi che esegue forme specializzate di regressione, e gli esperti possono scegliere di scrivere il loro proprio codice per usare o software per analisi numerica.

Analisi della regressione

è un termine utilizzato in statistica per definire, in un insieme di osservazioni, un valore anomalo e aberrante. Un valore quindi chiaramente distante dalle altre osservazioni disponibili. In statistica viene definito outlier un valore al di fuori dall'intervallo: Dove formula_2 e formula_3 sono rispettivamente primo e terzo quartile. formula_4 è una costante che regola l'ampiezza dell'intervallo. Normalmente assume il valore unitario. Gli outlier sono valori numericamente distanti dal resto dei dati raccolti (ad esempio, in un campionamento). Le statistiche che derivano da campioni contenenti outlier possono essere fuorvianti. Per esempio, se misurassimo la temperatura di dieci oggetti presenti in una stanza, la maggior parte dei quali risultasse avere una temperatura compresa fra 20 e 25 gradi Celsius, allora il forno acceso, avente una temperatura di 350 gradi, sarebbe un dato aberrante. La mediana dei valori sarebbe circa 23, mentre la temperatura media salirebbe a circa 55 gradi: un indice chiaramente non rappresentativo della maggioranza dei valori di temperatura riscontrati nella stanza. In questo caso, la mediana rifletterebbe meglio della media aritmetica le misure della temperatura degli oggetti. Gli outliers possono essere indicativi del fatto che, in un dato campione, alcuni dati appartengono ad una popolazione differente rispetto a quella del resto del campione. Nella maggioranza dei grandi campioni, alcuni dati saranno più lontani dalla media del campione di quanto sarebbe logico aspettarsi. Ciò può essere dovuto ad un errore sistematico che si è verificato nella raccolta dei dati, oppure a una fallacia nella teoria che ha orientato l'assunzione di una data distribuzione campionaria di probabilità, ma potrebbe anche essere semplicemente dovuto al caso, che ha fatto sì che nella raccolta dei dati alcune osservazioni abbiano prodotto dati molto lontani dai valori medi del campione. Inoltre, gli outliers potrebbero essere indicativi di dati errati, procedure erronee o aree sperimentali in cui alcune teorie potrebbero non essere valide. Tuttavia, un piccolo numero di dati aberranti non dovuti a condizioni anomale è dato per scontato nei grandi campioni. Stimatori poco influenzati dai dati aberranti sono detti robusti.

Outlier

In statistica, la funzione di verosimiglianza (o funzione di likelihood) è una funzione di probabilità condizionata, considerata come funzione del suo "secondo" argomento, mantenendo fissato il primo argomento. In gergo colloquiale spesso "verosimiglianza" è usato come sinonimo di "probabilità", ma in campo statistico vi è una distinzione tecnica precisa. Questo esempio chiarisce la differenza tra i due concetti: una persona potrebbe chiedere "Se lanciassi una moneta non truccata 100 volte, qual è la probabilità che esca testa tutte le volte?" oppure "Dato che ho lanciato una moneta 100 volte ed è uscita testa 100 volte, qual è la verosimiglianza che la moneta sia truccata?". Scambiare tra loro, nelle due frasi, i termini "verosimiglianza" e "probabilità" sarebbe errato. Una distribuzione di probabilità che dipende da un parametro può essere considerata in due modi differenti: Formalmente la funzione di verosimiglianza è una funzione: Si definisce ancora funzione di verosimiglianza ogni funzione proporzionale a tale probabilità. Dunque, la funzione di verosimiglianza per formula_2 è la classe delle funzioni: per ogni costante formula_4. A causa di ciò, l'esatto valore di formula_5 non è in generale rilevante; ciò che è importante sono rapporti nella forma: formula_6, invarianti rispetto alla costante di proporzionalità. A livello interpretativo, l'uso di una funzione di verosimiglianza trae giustificazione dal teorema di Bayes, in base al quale, per due qualsiasi eventi formula_7 e formula_2: dove sia formula_10 che formula_11 sono funzioni di verosimiglianza. L'uso di funzioni di verosimiglianza ai fini dell'inferenza statistica costituisce un tratto distintivo dell'inferenza classica, o "frequentista"; esso rappresenta inoltre una fondamentale differenza rispetto alla scuola dell'inferenza bayesiana, in quanto lo statistico bayesiano conduce inferenza tramite la probabilità formula_12 nell'espressione sopra. Alcune idee relative alla funzione di verosimiglianza sembrano essere state introdotte da T. N. Thiele in un lavoro del 1889. Il primo contributo in cui il concetto di funzione di verosimiglianza è esplicitamente formulato è tuttavia dovuto a Ronald Fisher in un suo lavoro del 1922. In tale lavoro, Fisher usa inoltre l'espressione metodo della massima verosimiglianza; argomenta inoltre contro il ricorso alla condizionata nella forma formula_13 nell'espressione sopra, da lui ritenuta ingiustificabile a causa dell'elemento di soggettività introdotto tramite la probabilità "a priori" (nel linguaggio che ora è proprio della statistica bayesiana) formula_14. Il metodo della massima verosimiglianza ha le sue applicazioni più rilevanti nella prassi come metodo di stima di modelli parametrici. Considerando un insieme di osservazioni formula_15, e una famiglia di funzioni di densità (o di massa, nel caso di distribuzioni discrete), parametrizzate tramite il vettore formula_16: la funzione di verosimiglianza associata è: Nel caso in cui, come normalmente si ipotizza, gli formula_19 siano indipendenti e identicamente distribuiti, inoltre: Poiché l'espressione sopra può risultare scarsamente trattabile, specie nei problemi di massimizzazione collegati al metodo della massima verosimiglianza, spesso risulta preferibile lavorare sul logaritmo della funzione di verosimiglianza, in gergo chiamata "log-verosimiglianza":

Funzione di verosimiglianza

In statistica bayesiana, la probabilità a posteriori di un evento aleatorio o di una proposizione incerta, è la probabilità condizionata che è assegnata dopo che si è tenuto conto dell'informazione rilevante o degli antefatti relativi a tale evento aleatorio o a tale proposizione incerta. Similmente, la distribuzione di probabilità a posteriori è la distribuzione di una quantità incognita, trattata come una variabile casuale, condizionata sull'informazione posta in evidenza da un esperimento o da un processo di raccolta di informazione rilevanti (es. un'ispezione, un'indagine conoscitiva, ecc.). La probabilità a posteriori è la probabilità dei parametri formula_1 data la conoscenza di formula_2: formula_3. Essa differisce dalla funzione di verosimiglianza, che è la probabilità di possedere una data conoscenza una volta dati i parametri: formula_4. I due concetti sono però tra loro collegati: Supponiamo di avere una credenza a priori che la funzione di distribuzione di probabilità sia formula_5 e i dati osservati formula_2 con una verosimiglianza formula_4, allora la probabilità a posteriori è definita come La probabilità a posteriori può essere scritta in una forma mnemonica come Consideriamo una scuola mista composta dal 60% di ragazzi e dal 40% di ragazze. Le ragazze indossano pantaloni o gonne in numeri eguali, i ragazzi indossano tutti pantaloni. Un osservatore vede da distante uno studente (a caso); tutto quello che può dire è che indossa pantaloni. Qual è la probabilità che lo studente sia una ragazza? La risposta corretta può essere dedotta applicando il teorema di Bayes. L'evento "G" è quello in cui lo studente visto è una ragazza, e l'evento "T" è quello in cui lo studente visto indossa pantaloni. Per calcolare P("G"|"T") abbiamo prima bisogno di sapere: Una volta ottenute tutte queste informazioni, la probabilità che l'osservatore abbia individuato una ragazza una volta visto uno studente che indossa pantaloni può essere calcolata sostituendo i valori nella formula: La distribuzione di probabilità a posteriori di una variabile casuale dato il valore di un'altra, può essere calcolata con il teorema di Bayes moltiplicando la distribuzione di probabilità a priori per la funzione di verosimiglianza, e quindi dividendo per una costante di normalizzazione come segue: la quale fornisce la funzione di densità di probabilità per una variabile casuale "X" una volta dato "Y" = "y", dove Nell'ambito della classificazione statistica le probabilità a posteriori riflettono l'incertezza nell'assegnare un'osservazione ad una classe particolare. Mentre i metodi di classificazione statistica per definizione generano probabilità a posteriori, gli apprenditori automatici solitamente forniscono valori di appartenenza che non inducono alcuna confidenza di tipo probabilistico. È desiderabile trasformare o convertire i valori di appartenenza a valori di probabilità di appartenenza ad una certa classe in quanto tali classi sono, in confronto ai primi, di più facile trattamento in susseguenti elaborazioni.

Probabilità a posteriori

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

In informatica un linguaggio di interrogazione (o in inglese query language o data query language DQL) è un linguaggio usato per creare query sui database e sui sistemi informativi da parte degli utenti. Serve per rendere possibile l'estrazione di informazioni dal database, attraverso il relativo DBMS, interrogando la base dei dati e interfacciandosi dunque con l'utente e le sue richieste di servizio. Alcuni esempi di linguaggi di interrogazione sono: IL DQL ("data query language" – linguaggio di interrogazione dei dati) secondo lo standard SQL comprende i comandi per leggere ed elaborare i dati presenti in un database, strutturato secondo il modello relazionale. Questi dati devono essere stati precedentemente inseriti attraverso il Data Manipulation Language (DML) in strutture o tabelle create con il Data Definition Language (DDL), mentre il Data Control Language (DCL) stabilisce se l'utente può accedervi. Col comando "select" abbiamo la possibilità di estrarre i dati, in modo mirato, dal database. dove: Di default il comando "select" agisce con il metodo "all", ma specificando "distinct" è possibile eliminare dai risultati le righe duplicate. La clausola "ORDER BY" serve per ordinare i risultati in base a uno o più campi. "Limit" (o "top", a seconda delle implementazioni) limita il numero delle righe fornite: LIMIT 10 prende le prime 10 righe della mia tabella. È anche possibile scartare un certo numero di righe all'inizio dei risultati aggiungendo un parametro a "LIMIT" o la clausola "OFFSET". L'SQL standard non prevede alcun ordinamento se non si specifica la clausola "ORDER BY", pertanto senza di essa anche "LIMIT" ha un effetto imprevedibile. Un esempio è il seguente: Questa "query" estrae l'elenco di tutti gli utenti maggiorenni ordinando l'output in base al cognome. La definizione di "select" è comunque molto più ampia, prevede molte altre opzioni ma in linea di massima con queste opzioni si compongono la maggior parte delle interrogazioni. l'asterisco permette di includere nella selezione tutte le colonne della tabella "utenti" Con le select è possibile anche eseguire dei calcoli: questo produce dati estratti ma anche dati calcolati. La clausola AS serve per dare un nome alla nuova colonna nella nuova tabella che creerà la select. Molti DBMS supportano la clausola non standard LIMIT, che deve essere posta per ultima e può avere tre forme: "numero_risultati" è il numero delle righe da estrarre. "pos_primo_risultato" è l'indice della prima riga da estrarre. Insieme, possono essere utilizzati per suddividere i risultati in blocchi e leggerli un po' alla volta (per esempio per comodità del DBA, o per la paginazione dei risultati mostrati da una applicazione web). Una forma di select composto tra più tabelle con uno o più campi comuni si ottiene attraverso la clausola Join. Le subquery possono essere inserite ovunque il linguaggio SQL ammetta un'espressione che restituisce un singolo valore e nella clausola FROM. In questo secondo caso, le subquery sono chiamate anche "tabelle derivate" (derived table). Le subquery propriamente dette possono restituire un singolo valore, oppure un insieme di risultati, a seconda dei casi. Un esempio piuttosto semplice è quello in cui si vogliono estrarre da una tabella i valori numerici superiori alla media. Una sola Select non può leggere la media e al contempo i valori che la superano. A questo scopo si avrà una select che legge la media: Questa query verrà inserita nella clausola WHERE della query più esterna; la subquery viene eseguita per prima: Come si vede, da un punto di vista sintattico è necessario porre le subquery tra parentesi. Le tabelle derivate sono un caso particolare di subquery: una Select interna estrae i dati che verranno poi interrogati dalla Select esterna. L'esempio seguente viene utilizzato a scopo didattico, ma non rappresenta un approccio ottimale. Si supponga comunque di voler estrarre i record per i quali il campo mail non è vuoto, scegliendoli tra gli utenti la cui registrazione è stata confermata. Ecco come ottenere questo risultato con una tabella derivata: In realtà le tabelle derivate sono utili laddove non vi sono altri approcci possibili, il che accade quando la query esterna contiene una JOIN.

Linguaggio di interrogazione

Lo scarto quadratico medio (o deviazione standard o scarto tipo) è un indice di dispersione statistico, vale a dire una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una variabile casuale. È uno dei modi per esprimere la dispersione dei dati intorno ad un indice di posizione, quale può essere, ad esempio, la media aritmetica o una sua stima. Ha pertanto la stessa unità di misura dei valori osservati (al contrario della varianza che ha come unità di misura il quadrato dell'unità di misura dei valori di riferimento). In statistica la precisione si può esprimere come lo scarto quadratico medio. Il termine ""standard deviation"" è stato introdotto in statistica da Pearson nel 1894 assieme alla lettera greca formula_1 (sigma) che lo rappresenta. Il termine italiano "deviazione standard" ne è la traduzione più utilizzata nel linguaggio comune; il termine dell'Ente Nazionale Italiano di Unificazione è tuttavia "scarto tipo", definito come la radice quadrata positiva della varianza per lo meno fin dal 1984. Se non indicato diversamente, lo scarto quadratico medio è la radice quadrata della varianza, la quale viene coerentemente rappresentata con il quadrato di sigma (formula_2). In statistica lo scarto quadratico medio di un carattere rilevato su una popolazione di formula_3 unità statistiche si definisce esplicitamente come: dove formula_5 è la media aritmetica di formula_6. Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile può essere calcolata a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato. A partire dallo scarto quadratico medio si definisce anche il coefficiente di variazione o la "deviazione standard relativa" come il rapporto tra lo scarto tipo formula_7 e il valore assoluto della media aritmetica della variabile in esame: Questo indice relativo (che viene spesso espresso in termini percentuali) consente di effettuare confronti tra dispersioni di dati di tipo diverso, indipendentemente dalle loro quantità assolute. Nell'ambito della statistica inferenziale (dove è noto solo un campione della popolazione), soprattutto nell'ambito della teoria della stima, a volte si rimpiazza il denominatore formula_3 con formula_10 ottenendo: Sostanzialmente, poiché non è nota la media dell'intera popolazione, ma solo una sua stima (la media del campione), bisogna utilizzare formula_10 per ottenere uno stimatore corretto formula_13 della varianza incognita formula_7 di formula_6 sull'intera popolazione a partire dai dati del campione. La sua radice quadrata diviene lo scarto quadratico medio "corretto". Questa correzione al denominatore fa sì che la nuova definizione sia un po' più grande della precedente, correggendo così la tendenza della precedente a sottostimare le incertezze soprattutto nel caso in cui si lavori con pochi dati (formula_3 piccolo). Osserviamo il caso limite di formula_17, cioè quando si ha un campione di un solo elemento: la prima definizione dà il risultato formula_18, che ovviamente non è molto ragionevole nell'ambito della statistica inferenziale, mentre quella "corretta" dà un risultato non definito del tipo formula_19, rispecchiando così la totale ignoranza inerente all'incertezza su una singola misura. In questo senso, si dice che la statistica non dice nulla sul singolo caso. Osserviamo che la differenza tra le due definizioni per campioni molto estesi è spesso numericamente insignificante. Il calcolo può essere semplificato come segue: cioè, applicando il tutto alla formula originale: Sia formula_6 una variabile aleatoria, lo scarto quadratico medio è definito come la radice quadrata della varianza di formula_6 Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile aleatoria può essere calcolato a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato, cioè dove formula_26 è il valore atteso di formula_6. In ambito finanziario, lo scarto quadratico medio viene usato per indicare la variabilità di un'attività finanziaria e dei suoi payoff (rendimenti). Esso fornisce quindi, implicitamente, una misura della volatilità dell'attività, quindi del suo rischio. In fisica, è un ottimo indice dell'errore casuale della misurazione di una grandezza fisica. In ambito sportivo è utilizzato per valutare la prestazione di un giocatore di bowling in riferimento ad un certo numero di partite. Il valore trovato non incide sul punteggio ma sintetizza le capacità e i miglioramenti del giocatore. In ingegneria, è uno dei parametri da considerare per valutare la capacità di un processo produttivo. Nelle applicazioni informatiche, è a volte conveniente utilizzare la formula che consente, con sole tre variabili formula_29, di calcolare lo scarto quadratico medio, oltre che la media, di un flusso di numeri di lunghezza formula_3 senza dover ricorrere ad una memorizzazione degli stessi.

Scarto quadratico medio

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.

Rete bayesiana

, o richiamo (in inglese "precision" e "recall") sono due comuni classificazioni statistiche, utilizzate in diversi ambiti del sapere, come per es. l'information retrieval. La precisione può essere vista come una misura di "esattezza" o fedeltà, mentre il recupero è una misura di "completezza". Nell'Information Retrieval, la precisione è definita come il numero di documenti attinenti recuperati da una ricerca diviso il numero totale di documenti recuperati dalla stessa ricerca, e il recupero è definito come il numero di documenti attinenti recuperati da una ricerca diviso il numero totale di documenti attinenti esistenti (che dovrebbe essere stato recuperato). In un processo di classificazione statistica, la precisione per una classe è il numero di veri positivi (il numero di oggetti etichettati correttamente come appartenenti alla classe) diviso il numero totale di elementi etichettati come appartenenti alla classe (la somma di veri positivi e falsi positivi, che sono oggetti etichettati erroneamente come appartenenti alla classe). Recupero in questo contesto è definito come il numero di veri positivi diviso il numero totale di elementi che attualmente appartengono alla classe (per esempio la somma di veri positivi e falsi negativi, che sono oggetti che non sono stati etichettati come appartenenti alla classe ma dovrebbero esserlo). Nell'Information Retrieval, un valore di precisione di 1.0 significa che ogni risultato recuperato da una ricerca è attinente mentre un valore di recupero pari a 1.0 significa che tutti i documenti attinenti sono stati recuperati dalla ricerca. In un processo di classificazione, un valore di precisione di 1.0 per la classe C significa che ogni oggetto che è stato etichettato come appartenente alla classe C vi appartiene davvero (ma non dice niente sul numero di elementi della classe C che non sono stati etichettati correttamente) mentre un valore di recupero pari ad 1.0 significa che ogni oggetto della classe C è stato etichettato come appartenente ad essa (ma non dice niente sul numero di elementi etichettati non correttamente con C). Nell'information retrieval, precisione e recupero sono definite in termini di insieme di documenti recuperati (lista di documenti restituiti da un motore di ricerca rispetto ad una query) e un insieme di documenti attinenti (lista di tutti i documenti che sono attinenti per l'argomento cercato). formula_1 formula_2 In un processo di classificazione, i termini vero positivo, vero negativo, falso positivo e falso negativo sono usati per confrontare la classificazione di un oggetto (l'etichetta di classe assegnata all'oggetto da un classificatore) con la corretta classificazione desiderata (la classe a cui in realtà appartiene l'oggetto). Precisione e recupero sono definite come:

Precisione e recupero

Il test di verifica d'ipotesi si utilizza per verificare la bontà di un'ipotesi. Per ipotesi è da intendersi un'affermazione che ha come oggetto accadimenti nel mondo reale, che si presta ad essere confermata o smentita dai dati osservati sperimentalmente. Il metodo con cui si valuta l'attendibilità di un'ipotesi è il metodo sperimentale. Quest'ultimo consiste nel determinare le conseguenze di un'ipotesi in termini di eventi osservabili, e di valutare se la realtà effettivamente osservata si accorda o meno con l'ipotesi su di essa fatta. A tal riguardo si distinguono due ambiti in cui tale attività si esplica: Nell'ambito statistico, a seconda delle ipotesi si distingue tra: Nel primo caso, si tende a pervenire a delle conclusioni più sicure possibili. Ad esempio volendo provare se in un circuito elettrico passa corrente si inserirà una lampadina o un amperometro e si constaterà l'accensione o l'attivazione dello strumento. In tal caso si perviene con maggior sicurezza alla conclusione. Se la lampadina si accende allora passa corrente; in caso contrario il circuito non è predisposto correttamente. In questo ambito, se nel circuito passa corrente la maggior parte delle volte che si inserisce una lampadina questa si accende. In caso contrario il ripetuto inserimento della lampadina darà sempre esito negativo. Nel secondo caso la situazione è modificata in quanto interviene un elemento nuovo, ovvero il caso e/o l'errore di misura. Si supponga di avere una moneta recante due facce contrassegnate con testa e croce. Volendo verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta si eseguono 20 lanci e si contano quelli che danno esito testa. La conseguenza del bilanciamento consiste nell'osservare un valore di teste attorno a 10. Tuttavia anche in ipotesi di bilanciamento non si può escludere di osservare 20 teste. D'altronde, l'ipotesi di bilanciamento è logicamente compatibile con un numero di teste variante da 0 a 20. In tale contesto una qualsiasi decisione in merito all'ipotesi da verificare comporta un rischio di errore. Ad esempio rigettare l'ipotesi di bilanciamento della moneta avendo osservato 20 teste su 20 lanci comporta il rischio di prendere una decisione errata. Nel procedere alla verifica dell'ipotesi di bilanciamento della moneta, si ricorre a una variabile casuale X. Tale variabile casuale X è una variabile aleatoria discreta con distribuzione binomiale B(20; 0,5), dove 20 indica il numero di lanci e 0,5 la probabilità che si verifichi l'evento "testa". Il risultato sperimentale si deve quindi confrontare con tale distribuzione: quanto è distante tale risultato dal valore medio della distribuzione B(20; 0,5)? Per rispondere alla domanda si deve individuare un valore caratteristico della distribuzione B(20; 0,5). Nel nostro caso tale valore caratteristico è il valore medio 20/2 = 10. Per valutare la distanza tra il valore sperimentale e quello atteso si valuta la probabilità di ottenere un valore sperimentale lontano dal valore medio di B(20; 0,5), ossìa nel caso che dal nostro esperimento risulti X=15 (15 teste dopo 20 lanci), si calcola P{|X-10|>=15-10} quindi P{X<=5 oppure X>=15}=0,041. Quindi, usando una moneta ben bilanciata, la probabilità di ottenere un numero di teste X >= 15 (oppure X <= 5) dopo 20 lanci è pari a 0,041 ossia al 4,1%. Giudicando bassa tale probabilità si rifiuterà l'ipotesi di bilanciamento della moneta in esame, accettando quindi il rischio del 4,1% di compiere un errore nel rifiutarla. Di solito, il valore della probabilità adottato per rifiutare l'ipotesi nulla è < 0,05. Tale valore è detto livello di significatività ed è definibile come segue: il livello di significatività sotto l'ipotesi nulla è la probabilità di cadere nella zona di rifiuto quando l'ipotesi nulla è vera. Tale livello di significatività si indica convenzionalmente con α. Il livello di significatività osservato α del test per il quale si rifiuterebbe l'ipotesi nulla è detto valore-p ("p-value"). Riprendendo l'esempio sopra riportato il valore-p è pari a 0,041. Adottando nell'esempio α = 0,05, si rifiuterà l'ipotesi se P{|X-10|>=x}<0,05. Tale condizione si raggiunge appunto se X<6 oppure X>14. Tale insieme di valori si definisce convenzionalmente come regione di rifiuto. Viceversa l'insieme { 6,7…14} si definisce regione di accettazione. In questo modo si è costruita una regola di comportamento per verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta. Tale regola definisce il test statistico. In termini tecnici l'ipotesi da verificare si chiama ipotesi nulla e si indica con "H", mentre l'ipotesi alternativa con "H". Nel caso della moneta, se "p" è la probabilità di ottenere testa in un lancio la verifica di ipotesi si traduce nel seguente sistema: Come già osservato, il modo di condurre un test statistico comporta un rischio di errore. Nella pratica statistica si individuano due tipi di errori: Tornando all'esempio della moneta in cui la regione di accettazione è data dall'insieme di valori {6..14}, la probabilità di rifiutare H quando è vera è stato calcolato pari a 0,041.Tale probabilità rappresenta il rischio di incorrere in un errore di primo tipo e si indica con α. Per valutare la probabilità di un errore di secondo tipo è necessario specificare un valore di "p" in caso di verità di H. Si supponga che p=0,80, in tal caso la distribuzione di X è una B(20;0,80) Con tale distribuzione di probabilità, l'errore di tipo "2" si calcola sommando le probabilità relative ai valori di X della zona di accettazione, ciò supponendo H vera. Si trova quindi che la probabilità cercata è pari a circa 0,20. Tale probabilità quantifica il rischio di incorrere nell'errore di tipo "2." e si indica convenzionalmente con β. La quantità 1-β si chiama "potenza del test" ed esprime quindi la capacità di un test statistico di riconoscere la falsità di H quando questa è effettivamente falsa. La potenza del test trova applicazione nella pratica statistica in fase di pianificazione di un esperimento.

Test di verifica d'ipotesi

La statistica descrittiva è la branca della statistica che studia i criteri di rilevazione, classificazione, sintesi e rappresentazione dei dati appresi dallo studio di una popolazione o di una parte di essa (detta campione). I risultati ottenuti nell'ambito della statistica descrittiva si possono definire certi, a meno di errori di misurazione dovuti al caso, che sono in media pari a zero. Da questo punto di vista si differenzia dalla statistica inferenziale, alla quale sono associati inoltre errori di valutazione. La rilevazione dei dati di un'intera popolazione è detta "censimento". Quando invece l'indagine si concentra su un determinato campione rappresentativo, si parla di "sondaggio". I dati raccolti possono essere classificati attraverso distribuzioni semplici o complesse: I dati raccolti possono essere sintetizzati attraverso famiglie di indici, quali: I dati di un'indagine possono essere rappresentati attraverso molteplici rappresentazioni grafiche, tra cui:

Statistica descrittiva

tatistica, gli indici di posizione (anche detti indicatori di posizione, o indici di tendenza centrale o misure di tendenza centrale, in quanto in generale tendono a essere posizionati centralmente rispetto agli altri dati della distribuzione) sono indici che danno un'idea approssimata dell'ordine di grandezza (la posizione sulla scala dei numeri, appunto) dei valori esistenti. Sono indici di posizione: Un modo per rappresentare graficamente alcuni indici di posizione è il box-plot.

Indice di posizione

In statistica, in particolare in statistica descrittiva, data una distribuzione di un carattere quantitativo oppure qualitativo ordinabile (ovvero le cui modalità possano essere ordinate in base a qualche criterio), si definisce la mediana (o valore mediano) come il valore/modalità (o l'insieme di valori/modalità) assunto dalle unità statistiche che si trovano nel mezzo della distribuzione. La mediana è un indice di posizione e rientra nell'insieme delle statistiche d'ordine. Il termine "mediano" venne introdotto da Antoine Augustin Cournot e adottato da Francis Galton. Gustav Theodor Fechner sviluppò l'uso della mediana come sostituto della media in quanto riteneva che il calcolo della media fosse troppo laborioso rispetto al vantaggio in termini di precisioni che offriva. Se si procede al riordinamento delle unità in base ai valori crescenti del carattere da esse detenuto, in sostanza la mediana bipartisce la distribuzione in due sotto-distribuzioni: la prima a sinistra della mediana (costituita dalla metà delle unità la cui modalità è minore o uguale alla mediana) e la seconda a destra della mediana (costituita dalla metà delle unità la cui modalità è maggiore o uguale alla mediana). Tecnicamente si afferma che la mediana è il valore/modalità per il quale la frequenza relativa cumulata vale (o supera) 0,5, cioè il secondo quartile, ossia il 50° percentile. Usualmente si indica la mediana con Me. Per calcolare la mediana di formula_1 dati: Se le modalità sono raggruppate in classi non si definisce un valore univoco, ma una classe mediana formula_7. La determinazione di tale classe avviene considerando le frequenze cumulate; indicando con formula_8 la generica frequenza cumulata relativa dell'osservazione i-esima sarà:formula_9 e formula_10. Pur essendo corretto considerare un qualsiasi elemento dell'intervallo formula_7 un valore mediano si è soliti procedere, al fine di avere una misura unica del valore, a un'approssimazione della mediana con la seguente formula: se si assume che la distribuzione dei dati all'interno della classe sia uniforme, che corrisponde ad un processo di interpolazione. Una proprietà della mediana è di rendere minima la somma dei valori assoluti degli scarti delle formula_13 da un generico valore Infatti, sia formula_15 la variabile aleatoria alla quale si riferiscono le osservazioni formula_13. Per la linearità del valore atteso e dell'operatore di derivazione si ha dove formula_18 è la funzione segno di formula_19. Per la definizione di valore atteso dove formula_21 indica la probabilità che formula_15 sia minore di formula_23 e formula_24 quella che formula_15 sia maggiore di formula_23. Per le proprietà di normalizzazione della probabilità, cioè formula_27, l'equazione diventa Quindi cioè formula_23 è la mediana. In un sondaggio fatto all'interno di una facoltà composta da 250 studenti (la popolazione statistica), si intende rilevare il carattere "Gradimento dei professori", secondo le cinque modalità "molto deluso", "insoddisfatto", "parzialmente soddisfatto", "soddisfatto", "entusiasta". Risulta che 10 studenti si dicono entusiasti dell'operato dei professori, 51 si dicono soddisfatti, 63 parzialmente soddisfatti, 90 insoddisfatti, 36 molto delusi. La distribuzione di frequenza viene rappresentata con una tabella come la seguente: Nel caso ipotizzato, la mediana è rappresentata dalla modalità "insoddisfatto". Questo significa che "almeno" la metà degli studenti non è soddisfatto dei professori.

Mediana (statistica)

tatistica, gli indici di posizione (anche detti indicatori di posizione, o indici di tendenza centrale o misure di tendenza centrale, in quanto in generale tendono a essere posizionati centralmente rispetto agli altri dati della distribuzione) sono indici che danno un'idea approssimata dell'ordine di grandezza (la posizione sulla scala dei numeri, appunto) dei valori esistenti. Sono indici di posizione: Un modo per rappresentare graficamente alcuni indici di posizione è il box-plot.

Indice di posizione

Una foresta casuale (in inglese: "random forest") è un classificatore d'insieme ottenuto dall'aggregazione tramite bagging di alberi di decisione L'algoritmo per la creazione di una una foresta casuale fu sviluppato orignariamente da Leo Breiman e Adele Cutler. Il nome viene dalle foreste di decisione casuali che furono proposte per primo da Tin Kam Ho dei Bell Labs nel 1995. Il metodo combina l'idea dell'insaccamento di Breiman della selezione casuale delle caratteristiche, introdotta indipendentemente da Ho e Amit Geman per costruire una collezione di alberi di decisione con la variazione controllata. La selezione di un sottoinsieme di caratteristiche è un esempio del metodo del sottoinsieme casuale che, nella formulazione di Ho, è un modo di implementare la discriminazione stocastica proposta da Eugene Kleinberg.

Foresta casuale

In matematica, una funzione di densità di probabilità (o PDF dall'inglese "probability density function") è l'analogo della funzione di probabilità di una variabile casuale nel caso in cui la variabile casuale formula_1 sia continua, cioè l'insieme dei possibili valori che ha la potenza del continuo. Essa descrive la "densità" di probabilità in ogni punto nello spazio campionario. La funzione di densità di probabilità di una variabile casuale formula_1 è un'applicazione formula_3 non negativa integrabile secondo Lebesgue e reale di variabile reale tale che la probabilità dell'insieme "A" sia data da per tutti i sottinsiemi "A" dello spazio campionario. Intuitivamente, se una distribuzione di probabilità ha densità formula_3, allora l'intervallo formula_6 ha probabilità formula_7. Da ciò deriva che la funzione formula_3 è un'applicazione definita come Assumendo formula_10, ciò corrisponde al limite della probabilità che formula_11 si trovi nell'intervallo formula_6 per formula_13 che tende a zero. Di qui il nome di funzione di 'densità', in quanto essa rappresenta il rapporto tra una probabilità e un'ampiezza. Per la condizione di normalizzazione l'integrale su tutto lo spazio di formula_3 deve essere 1. Di conseguenza ogni funzione non negativa, integrabile secondo Lebesgue, con integrale su tutto lo spazio uguale a 1, è la funzione densità di probabilità di una ben definita distribuzione di probabilità. Una variabile casuale che possiede densità si dice "variabile casuale continua". Per le variabili casuali multivariate (o vettoriali) la trattazione formale è assolutamente identica: formula_15 si dice assolutamente continua se esiste una funzione a valori reali definita in formula_16, detta densità congiunta, tale che per ogni sottoinsieme "A" dello spazio campionario Essa conserva tutte le proprietà di una densità scalare: è una funzione non negativa a integrale unitario su tutto lo spazio. Una proprietà importante è che se formula_15 è assolutamente continua allora lo è ogni sua componente; il viceversa invece non vale. La densità di una componente, detta densità marginale, si ottiene con un ragionamento analogo al teorema della probabilità assoluta, cioè fissando l'insieme di suoi valori di cui si vuole determinare la probabilità e lasciando libere di variare tutte le altre componenti. Infatti (nel caso bivariato per semplicità) l'evento formula_19 è l'evento formula_20, dunque utilizzando il teorema di Fubini. La densità marginale di formula_1 è data dunque da La funzione di densità della variabile casuale normale di media 0 e varianza 1 (detta "normale standard"), di cui a destra è riportato il grafico e l'espressione analitica della corrispondente densità nel caso generico (media formula_24 e varianza formula_25). Un altro esempio può essere dato dalla densità di probabilità uniforme su un segmento (0,1). Si può verificare immediatamente che è densità di probabilità facendo l'integrale tra (0,1).

Funzione di densità di probabilità

, o richiamo (in inglese "precision" e "recall") sono due comuni classificazioni statistiche, utilizzate in diversi ambiti del sapere, come per es. l'information retrieval. La precisione può essere vista come una misura di "esattezza" o fedeltà, mentre il recupero è una misura di "completezza". Nell'Information Retrieval, la precisione è definita come il numero di documenti attinenti recuperati da una ricerca diviso il numero totale di documenti recuperati dalla stessa ricerca, e il recupero è definito come il numero di documenti attinenti recuperati da una ricerca diviso il numero totale di documenti attinenti esistenti (che dovrebbe essere stato recuperato). In un processo di classificazione statistica, la precisione per una classe è il numero di veri positivi (il numero di oggetti etichettati correttamente come appartenenti alla classe) diviso il numero totale di elementi etichettati come appartenenti alla classe (la somma di veri positivi e falsi positivi, che sono oggetti etichettati erroneamente come appartenenti alla classe). Recupero in questo contesto è definito come il numero di veri positivi diviso il numero totale di elementi che attualmente appartengono alla classe (per esempio la somma di veri positivi e falsi negativi, che sono oggetti che non sono stati etichettati come appartenenti alla classe ma dovrebbero esserlo). Nell'Information Retrieval, un valore di precisione di 1.0 significa che ogni risultato recuperato da una ricerca è attinente mentre un valore di recupero pari a 1.0 significa che tutti i documenti attinenti sono stati recuperati dalla ricerca. In un processo di classificazione, un valore di precisione di 1.0 per la classe C significa che ogni oggetto che è stato etichettato come appartenente alla classe C vi appartiene davvero (ma non dice niente sul numero di elementi della classe C che non sono stati etichettati correttamente) mentre un valore di recupero pari ad 1.0 significa che ogni oggetto della classe C è stato etichettato come appartenente ad essa (ma non dice niente sul numero di elementi etichettati non correttamente con C). Nell'information retrieval, precisione e recupero sono definite in termini di insieme di documenti recuperati (lista di documenti restituiti da un motore di ricerca rispetto ad una query) e un insieme di documenti attinenti (lista di tutti i documenti che sono attinenti per l'argomento cercato). formula_1 formula_2 In un processo di classificazione, i termini vero positivo, vero negativo, falso positivo e falso negativo sono usati per confrontare la classificazione di un oggetto (l'etichetta di classe assegnata all'oggetto da un classificatore) con la corretta classificazione desiderata (la classe a cui in realtà appartiene l'oggetto). Precisione e recupero sono definite come:

Precisione e recupero

Nell'ambito dell'Intelligenza artificiale, la matrice di confusione, detta anche tabella di errata classificazione, restituisce una rappresentazione dell'accuratezza di classificazione statistica. Ogni colonna della matrice rappresenta i valori predetti, mentre ogni riga rappresenta i valori reali. L'elemento sulla riga i e sulla colonna j è il numero di casi in cui il classificatore ha classificato la classe "vera" i come classe j. Attraverso questa matrice è osservabile se vi è "confusione" nella classificazione di diverse classi. Attraverso l'uso della matrice di confusione è possibile calcolare il coefficiente kappa, anche conosciuto come coefficiente kappa di Cohen. Esaminiamo il caso di una classificazione dove si distinguono tre classi: gatto, cane e coniglio. Nelle righe si scrivono i valori veri, reali. Mentre nelle colonne quelli predetti, stimati dal sistema. Nell'esempio si può notare che dei 7 gatti reali, il sistema ne ha classificati 2 come cani. Allo stesso modo si può notare come dei 12 conigli veri, solamente 1 è stato classificato erroneamente. Gli oggetti che sono stati classificati correttamente sono indicati sulla diagonale della matrice, per questo è immediato osservare dalla matrice se il classificatore ha commesso o no degli errori. Inoltre, è possibile ottenere due valori di accuratezza significativi: Nel caso della classe "gatto", questo ha i seguenti valori (vedi la matrice qui sopra): Nell'apprendimento automatico questa tabella può anche essere utilizzata con i valori di "veri positivi"/"falsi positivi" e "falsi negativi"/"veri negativi". Così facendo è possibile calcolare:

Matrice di confusione

La regressione formalizza e risolve il problema di una relazione funzionale tra variabili misurate sulla base di dati campionari estratti da un'ipotetica popolazione infinita. Originariamente Galton utilizzava il termine come sinonimo di correlazione, tuttavia oggi in statistica l'analisi della regressione è associata alla risoluzione del modello lineare. Per la loro versatilità, le tecniche della regressione lineare trovano impiego nel campo delle scienze applicate: chimica, geologia, biologia, fisica, ingegneria, medicina, nonché nelle scienze sociali: economia, linguistica, psicologia e sociologia. Più formalmente, in statistica la regressione lineare rappresenta un metodo di stima del valore atteso condizionato di una variabile "dipendente", o "endogena", formula_1, dati i valori di altre variabili "indipendenti", o "esogene", formula_2: formula_3. L'uso dei termini "endogeno"/"esogeno" è talvolta criticato, in quanto implicherebbe una nozione di causalità che l'esistenza di una regressione non prevede; in determinati contesti, provocherebbe inoltre confusione, essendo ad esempio il concetto di esogeneità in econometria formalmente definito tramite l'ipotesi di ortogonalità alla base delle proprietà statistiche della regressione lineare col metodo dei minimi quadrati. La prima, e ancora popolare, forma di regressione lineare è quella basata sul metodo dei minimi quadrati (si veda oltre). La prima pubblicazione contenente un'applicazione del metodo nota è datata 1805, a nome di Adrien-Marie Legendre; Carl Friedrich Gauss elabora indipendentemente lo stesso metodo, pubblicando le sue ricerche nel 1809. Sebbene Gauss sostenne di avere sviluppato il metodo sin dal 1795, la paternità delle sue applicazioni in campo statistico è normalmente attribuita a Legendre; lo stesso termine "minimi quadrati" deriva dall'espressione francese, utilizzata da Legendre, "moindres carrés". Sia Gauss che Legendre applicano il metodo al problema di determinare, sulla base di osservazioni astronomiche, le orbite di corpi celesti intorno al sole. Eulero aveva lavorato allo stesso problema, con scarso successo, nel 1748. Nel 1821 Gauss pubblica un ulteriore sviluppo del metodo dei minimi quadrati, proponendo una prima versione di quello che è oggi noto come teorema di Gauss-Markov. L'origine del termine "regressione" è storicamente documentata. L'espressione "reversione" era usata nel XIX secolo per descrivere un fenomeno biologico, in base al quale la progenie di individui eccezionali tende in media a presentare caratteristiche meno notevoli di quelle dei genitori, e più simili a quelle degli antenati più remoti. Francis Galton studiò tale fenomeno, applicandovi il termine, forse improprio, di regressione verso la media (o la "mediocrità"). Per Galton l'espressione "regressione" ha solo tale significato, confinato all'ambito biologico. Il suo lavoro (1877, 1885) fu in seguito esteso da Karl Pearson e George Udny Yule a un contesto statistico più generale (1897, 1903); i lavori di Pearson e Yule ipotizzano che la distribuzione congiunta delle variabili dipendenti e indipendenti abbia natura gaussiana. Tale ipotesi è in seguito indebolita da Ronald Fisher, in lavori del 1922 e 1925. Fisher in particolare ipotizza che la distribuzione "condizionata" della variabile dipendente sia gaussiana, il che non implica necessariamente che così sia per quella congiunta di variabili dipendenti e indipendenti. Sotto tale profilo, la formulazione di Fisher è più vicina a quella di Gauss del 1821. Il modello di regressione lineare è: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Per ogni osservazione campionaria si dispone di una determinazione formula_1 e di formula_14 determinazioni non stocastiche formula_15. Si cerca quindi una relazione di tipo lineare tra la variabile formula_1 e le formula_14 variabili deterministiche. Una prima analisi può essere condotta considerando un modello semplice a due variabili (si suppone in pratica che formula_14 sia uguale a formula_19). Un tipico esempio è riscontrabile dall'esperienza economica considerando la relazione tra Consumi (formula_20) e Reddito (formula_1). Ricercando una relazione funzionale in cui i consumi siano "spiegati" dal reddito si può ricorrere alla relazione lineare: dove formula_24 rappresenta l'intercetta e formula_25 la pendenza della retta interpolatrice. Generalizzando il problema a due variabili formula_26 e formula_27, scriveremo: formula_29 è una generica funzione di formula_26 e comunemente si assume formula_31. Ponendo, senza perdita di generalità, tale condizione la formula diviene: Quindi la variabile dipendente formula_27 viene "spiegata" attraverso una relazione lineare della variabile indipendente formula_26 (cioè: formula_35) e da una quantità casuale formula_36. Il problema della regressione si traduce nella determinazione di formula_24 e formula_25 in modo da esprimere al ‘meglio' la relazione funzionale tra formula_27 e formula_26. Per avvalorare di un significato statistico la scelta dei coefficienti occorre realizzare alcune ipotesi sul modello lineare di regressione: Date queste ipotesi si calcolano i coefficienti formula_46 e formula_47 secondo il metodo dei minimi quadrati (in inglese "Ordinary Least Squares", o OLS, da cui il riferimento agli stimatori di seguito ottenuti come agli "stimatori OLS") proposto da Gauss; detta: le stime si ottengono risolvendo: Le soluzioni si ricavano uguagliando a zero le derivate parziali di formula_50 rispetto ad formula_24 e formula_25: Dove formula_55 denota il numero delle osservazioni; segue: da cui si ricavano le soluzioni: Essendo la varianza osservata data da: e la covarianza osservata da: dove formula_62 denotano le medie osservate, si possono scrivere i parametri nella forma: Si consideri il seguente problema teorico: date due variabili casuali formula_65 e formula_1, quale è il "migliore" stimatore per il valore atteso di formula_1, ossia quale stimatore presenta lo scarto quadratico medio (o MSE, dall'inglese "Mean Squared Error") minimo? Se si utilizza uno stimatore affine che sfrutta l'informazione relativa alla variabile casuale formula_68 allora formula_69, è possibile dimostrare che lo scarto quadratico medio formula_70 è minimizzato se: Tale osservazione fornisce una giustificazione di tipo probabilistico alle espressioni proposte sopra; si veda oltre per un'analisi formale, nel caso multivariato. Il metodo dei minimi quadrati è esaminato nel caso bivariato, deriva una retta che interpola uno scatter di punti minimizzando la somma dei quadrati delle distanze formula_72 dei punti stessi dalla retta; il grafico fornisce un'intuizione del procedimento. La scelta di minimizzare i "quadrati" degli formula_72 non è, ovviamente, arbitraria. Facendo ad esempio riferimento alla semplice somma degli formula_72, distanze positive (verso l'alto) e negative (verso il basso) si compenserebbero, rendendo in generale peggiore la qualità dell'interpolazione; se per contro si adottasse una funzione criterio uguale alla somma dei valori assoluti degli formula_72, non essendo la funzione valore assoluto derivabile su tutto l'asse reale non si potrebbe ricorrere all'elegante metodo di minimizzazione sopra illustrato. Si osservi inoltre che gli formula_72 rappresentano una distanza di un tipo alquanto particolare. In geometria la distanza di un punto da una retta è infatti data dalla lunghezza del segmento che unisce il punto alla retta, perpendicolare a quest'ultima; evidentemente non è questo il caso degli formula_72. La scelta operata trova giustificazione nelle proprietà statistiche delle stime, illustrate in seguito: la particolare forma degli stimatori dei minimi quadrati sopra ottenuti consente un più semplice trattamento delle loro proprietà statistiche. Due parole infine sul significato di regressione "lineare". Il nome di questa tecnica statistica "non" significa che nella funzione stimata la variabile dipendente formula_78 è una funzione lineare della(e) variabile(i) esplicativa(e) formula_79, ma dei "parametri" oggetto di stima (formula_24 e formula_25 sopra). La stima di una funzione del tipo: rientra nel raggio d'azione del modello lineare, dal momento che formula_78 è una funzione lineare dei parametri formula_84, formula_85, formula_86. Per ulteriori considerazioni al riguardo, si veda l'articolo Regressione nonlineare. Il metodo sopra illustrato può essere esteso al caso in cui più variabili contribuiscono a spiegare la variabile dipendente formula_1: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Raggruppando le osservazioni delle variabili esplicative in una matrice formula_65 di dimensioni formula_107, che si ipotizza avere rango pieno e uguale a formula_108 (il termine costante, o intercetta, corrisponde ad avere una colonna di formula_19 nella formula_65), è possibile scrivere, in notazione matriciale: Nella formulazione più elementare, si assume che formula_112, ossia: formula_113 formula_114 (omoschedasticità), formula_115 (assenza di correlazione nei disturbi). Si ipotizza inoltre che: ossia che non vi sia correlazione tra i regressori e i disturbi casuali — quest'ipotesi riveste un'importanza cruciale, in quanto rende possibile considerare i regressori compresi nella matrice formula_65 come variabili "esogene" (da cui il nome con cui l'ipotesi è spesso indicata: ipotesi di "esogeneità"). Quest'ultima proprietà è tutt'altro che banale, in quanto soltanto laddove essa è valida è possibile garantire che il vettore di stime dei parametri del modello, formula_118, abbia per valore atteso il vero valore dei parametri formula_85 (godendo così della proprietà di correttezza; si veda oltre). Sotto tali ipotesi, è possibile ottenere le stime del vettore di parametri formula_85 tramite il metodo dei minimi quadrati risolvendo il problema di minimo: Le condizioni del primo ordine per un minimo definiscono il sistema (detto delle equazioni normali): da cui: Per le proprietà della forma quadratica minimizzanda, si è certi che la soluzione trovata corrisponde a un minimo, non solo locale ma globale. Il vettore di stime OLS formula_124 consente di ottenere i valori previsti ("teorici") per la variabile dipendente: Formalmente, l'espressione sopra corrisponde a una proiezione ortogonale del vettore delle osservazioni formula_27 sullo spazio generato dalle colonne della matrice formula_65; la figura a lato illustra questo risultato. Per chiarire questo punto, sia formula_128 la proiezione di formula_27 sullo spazio generato dalle colonne matrice formula_65: Ciò significa che esisterà un vettore di pesi formula_86 tale per cui è possibile ottenere formula_128 come formula_134, ossia come combinazione lineare delle colonne di formula_65. A sua volta formula_27 sarà uguale a formula_128 più una componente formula_138 ortogonale allo spazio generato da formula_65: Dunque formula_141; premoltiplicando per formula_142 si ha: formula_143; così che: ossia l'espressione per il vettore di stime OLS formula_118 derivata in precedenza. Questa intuizione geometrica è formalizzata nel teorema di Frisch-Waugh-Lovell. Gli stimatori formula_124 degli OLS godono di una serie di interessanti proprietà algebriche; tali proprietà dipendono dal metodo dei minimi quadrati adottato, e non dal particolare modello oggetto di stima. Si osservi che le prime tre proprietà valgono solo se la matrice dei regressori include il termine costante, ossia se include un vettore di soli formula_19. L'R², o coefficiente di determinazione, è una misura della bontà dell'adattamento (in inglese "fitting") della regressione lineare stimata ai dati osservati. Al fine di definire l'R², sia formula_167; questa matrice trasforma i vettori in scarti dalla propria media, così che, ad esempio, formula_168. Si osservi che la matrice formula_169 è simmetrica (formula_170) e idempotente (formula_171). Dunque la somma degli scarti al quadrato delle formula_153 da formula_173 è semplicemente: formula_174. L'R² è definito come: Spesso le quantità al numeratore e al denominatore sono chiamate, rispettivamente, ESS (formula_176, dall'inglese "Explained Sum of Squares") e TSS (formula_174, dall'inglese "Total Sum of Squares"). Osservando che, per semplice sostituzione: dove l'ultima uguaglianza segue dal fatto che la media dei residui è zero, si ha: così che l'R² sarà un numero compreso tra formula_180 e formula_19 (alcuni pacchetti statistici trasformano tale numero in una percentuale); in analogia con quanto sopra, spesso la quantità formula_182 è indicata con la sigla RSS (dall'inglese "Residual Sum of Squares"), o SSR ("Sum of Squared Residuals", grammaticalmente più preciso, ma forse meno usato). Euristicamente, l'R² misura la frazione della variabilità delle osservazioni formula_153 che siamo in grado di spiegare tramite il modello lineare. Due importanti "caveat" devono in ogni caso essere tenuti a mente: È evidente che, al crescere del numero di regressori formula_14, formula_190 in generale decresce, correggendo l'artificiale incremento dell'R². Si può inoltre dimostrare che formula_190 aumenta, aggiungendo un regressore, soltanto se il valore della statistica formula_192 associata al coefficiente di tale regressore (si veda oltre) è maggiore di formula_19, così che il valore dell'R² corretto è legato alla significatività delle variabili aggiuntive. È opportuno far emergere alcune credenze sbagliate riguardo l'R². Innanzitutto non può mai assumere valori negativi perché è il rapporto di due varianze; tuttavia i software statistici possono produrre un output di una regressione che presenta un R² negativo. Ciò è dovuto al fatto che in questi programmi l'R² si calcola come differenza tra varianza spiegata e quella dei residui. Tuttavia nel caso di mispecificazione del modello (si "dimenticano" variabili che il data generating process contiene, intercetta compresa), il valore atteso della stima dei residui è in genere diverso da zero, quindi la media dello stimatore di formula_1 è diverso dalla media di formula_1. Pertanto il calcolo del software risulta errato perché non tiene conto di ciò. Sotto le ipotesi sopra formulate, il valore atteso dello stimatore formula_124 è uguale al vettore di parametri formula_85; tale proprietà è detta correttezza; al fine di verificare la correttezza di formula_124, è sufficiente osservare che: La varianza (in effetti, matrice varianza-covarianza) di formula_200 si ottiene come: Il teorema di Gauss-Markov stabilisce che tale varianza è minima tra quelle degli stimatori di formula_85 ottenibili come combinazione lineare delle osservazioni formula_27; in questo senso formula_124 è uno stimatore efficiente (in effetti si tratta di uno stimatore "BLUE", dall'inglese "Best Linear Unbiased Estimator", il migliore stimatore corretto lineare). Poiché formula_205 e le combinazioni lineari di variabili casuali normali indipendenti sono ancora normali, se ne conclude che: Volendo stimare il parametro formula_207, un naturale candidato sarebbe la varianza campionaria: In effetti lo stimatore sopra sarebbe anche lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_209. Semplici manipolazioni mostrano tuttavia che tale stimatore non gode della proprietà di correttezza; infatti: dove formula_212. Il valore atteso dell'espressione sopra è: dove formula_214 denota l'operatore traccia di una matrice. Lo stimatore corretto per il parametro formula_207 è dunque: Infatti: Si osservi inoltre che, poiché formula_112, formula_219 ha una distribuzione chi quadro con formula_220 gradi di libertà. Le tecniche del modello lineare sopra esposte possono trovare diverse applicazioni; con una qualche semplificazione, due sono i principali usi della regressione lineare: Confinando la nostra attenzione al secondo punto, nell'ambito della statistica classica (cioè non bayesiana) condurre un test statistico non può portare ad "accettare" un'ipotesi nulla, ma al più a "non rifiutarla", un po' come dire che lo statistico assolve per mancanza di prove. Un primo ordine di test concerne i singoli coefficienti del modello; volere stabilire se la j-esima variabile delle formula_65 abbia o meno potere esplicativo nei confronti della formula_27 equivale a sottoporre a verifica l'ipotesi nulla che il corrispondente coefficiente formula_223 sia nullo. A tal fine si ricorre alla statistica test: dove formula_225, che sotto l'ipotesi nulla formula_226 ha distribuzione t di Student. Un caso più complesso, e di maggiore interesse, riguarda il test di un insieme di restrizioni lineari sui coefficienti del modello; si consideri al riguardo ad un'ipotesi nulla nella forma: dove formula_228 è una matrice di rango formula_229. Ad esempio, volendo testare l'ipotesi che il primo e il terzo coefficiente siano uguali, sarà sufficiente ricorrere la matrice (in questo particolare caso, vettore) formula_230, con formula_231, così che l'ipotesi nulla risulti: formula_232. Al fine di sottoporre a verifica ipotesi di questo tipo, è sufficiente considerare che, essendo la combinazione lineare di variabili casuali normali ancora normale: sotto l'ipotesi nulla formula_227. Ne consegue che: per la nota proprietà per cui la combinazione lineare dei quadrati variabili casuali normali standardizzate ha distribuzione chi quadro, con gradi di libertà pari al rango della matrice formula_236, formula_229 (si osservi che in generale formula_238, e che formula_229 sarà solitamente pari al numero di restrizioni imposte sui parametri del modello). Naturalmente in generale il parametro formula_207 è incognito, per cui l'espressione sopra non può essere usata direttamente per fare inferenza statistica. Si ricorda tuttavia che: Essendo noto che il rapporto tra due variabili casuali aventi distribuzione chi quadro, divise per i rispettivi gradi di libertà, è distribuito come una F di Fisher, è possibile utilizzare la statistica test: avente sotto l'ipotesi nulla distribuzione F di Fisher con formula_229 e formula_220 gradi di libertà. Se due o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono linearmente dipendenti, non esiste l'inversa formula_246 per cui il vettore di stime OLS non può essere determinato. Se da un lato è assai improbabile che questa eventualità si verifichi nelle applicazioni pratiche, è comunque possibile che alcune colonne della matrice formula_68 siano prossime alla dipendenza lineare; in tal caso sarà ancora possibile ottenere un vettore di stime OLS, ma sorgerà il problema della multicollinearità. Si parla di multicollinearità allorché una o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono prossime a essere linearmente dipendenti. L'effetto della multicollinearità è che la matrice formula_249 è prossima all'essere singolare. Questo ha due conseguenze di particolare rilievo nelle applicazioni: Il primo punto implica che gli intervalli di confidenza per i valori dei coefficienti saranno relativamente ampi; se tali intervalli includono lo zero, non si può rifiutare l'ipotesi nulla che la variabile corrispondente non abbia alcun effetto sulla variabile dipendente. Un indicatore di multicollinearità spesso utilizzato nella pratica è il "variance inflation factor" (fattore di inflazione della varianza), o VIF. Il VIF è calcolato per ciascuna variabile del modello (spesso automaticamente da diversi software statistici), in base all'espressione: dove formula_251 è il coefficiente R² di una regressione della colonna formula_5-esima di formula_65 su tutti gli altri regressori (incluso il termine costante, se è presente). È possibile dimostrare che la varianza dell'elemento formula_5-esimo del vettore delle stime OLS formula_124 è proporzionale al VIF; dunque un VIF elevato comporterà una minore significatività del coefficiente formula_256, andando a ridurre il valore della statistica formula_192 di Student associata. Un formula_251 elevato è indice di dipendenza lineare tra la colonna formula_5-esima e le restanti colonne della matrice formula_65, ossia è un indice di multicollinearità. Non esiste, tuttavia, un particolare valore soglia del VIF che determina inequivocabilmente la multicollinearità; sta alla sensibilità del ricercatore valutare, con l'ausilio dell'indicazione del VIF, se sussista o meno multicollinearità, nel qual caso è opportuno rimuovere il regressore formula_5-esimo (colonna formula_5-esima della matrice formula_65 sulla quale si è riscontrata multicollinearità). Le stime e le statistiche test presentate sopra costituiscono l'obiettivo del ricercatore che effettua un'analisi di regressione lineare. Sebbene le convenzioni nella presentazione dei risultati varino significativamente a seconda dell'ambito scientifico o del tipo di pubblicazione, alcuni standard sono in generale rispettati. I risultati della stima di un modello di regressione lineare potrebbero e dovrebbero riportare: Particolare attenzione si deve porre nel ritenere che un modello: implichi che le variabili ricomprese nella matrice formula_65 "causino" la formula_27. È importante osservare che l'esistenza di regressione (formalmente definita nei paragrafi precedenti) "non implica altro che l'esistenza di un valore atteso condizionato": In particolare, non si può in generale affermare che l'espressione sopra significhi che le variabili in formula_65 "causino" il comportamento della formula_27. Come espresso con efficacia da Cochrane (2003), "le regressioni non hanno cause al secondo membro e conseguenze al primo membro." Tuttavia resta vero che uno dei principali task dell'analisi di regressione verte proprio sulle indagini di tipo causale; peraltro in contesti sperimentali "controllati" questa possibilità è tipicamente accettata. Inoltre anche in contesti osservazionali l'interpretazione causale, anche se molto più delicata, non si esclude assolutamente, anzi in certi contesti resta il task più importante. Particolare rilievo in questo contesto è giocato dal problema delle "variabili omesse", se siamo portati a ritenere che tale problema non sia rilevante, allora l'interpretazione causale è lecita. I concetti di validità esterna ed interna forniscono uno schema di riferimento per valutare se uno studio statistico o econometrico sia utile per rispondere ad una domanda specifica di interesse. L'analisi è esternamente valida se le sue inferenze e conclusioni possono essere generalizzate dalla popolazione e dal contesto studiati ad altre popolazioni e contesti. Deve essere giudicata usando la conoscenza specifica della popolazione e del contesto usato e di quelli oggetto d'interesse. Un'ipotesi cruciale del modello classico di regressione lineare è che i regressori siano ortogonali al disturbo stocastico, ossia, formalmente: Il motivo per cui tale ipotesi — anche nota come "ipotesi di esogeneità" — è fondamentale è presto illustrato; basta osservare che: così che: In altri termini: l'ipotesi di esogeneità dei regressori è condizione necessaria per la correttezza dello stimatore formula_118 del metodo dei minimi quadrati (un'analoga argomentazione può essere data in termini asintotici, passando dalla correttezza alla consistenza dello stimatore). In tutti i casi in cui si ha motivo di credere che l'ipotesi di esogeneità sia violata — tutti i casi in cui si sospetta "endogeneità" dei regressori — non si può fare affidamento sui risultati di una regressione condotta col metodo dei minimi quadrati ordinari (la soluzione è di ricorrere a una regressione con variabili strumentali). È la differenza tra la popolazione studiata e la popolazione d'interesse. Un esempio è quello di effettuare lo stesso test sui topi e sugli uomini senza chiedersi se vi siano delle differenze che inficino l'analisi. Anche se la popolazione studiata e quella d'interesse fossero uguali, sarebbe opportuno valutarne il contesto. Un esempio è uno studio su una campagna di alcolici su degli studenti universitari e su degli studenti delle classi primarie. Un'analisi statistica è internamente valida se le inferenze statistiche sugli effetti causali sono validi per la popolazione oggetto di studio. La distorsione da variabile omessa nasce quando viene omessa una variabile dalla regressione, che è una determinante di formula_1 ed è correlata con uno o più dei regressori. L'omissione di variabili rilevanti (nel senso precisato in quanto segue) può rendere le stime OLS inconsistenti. Si supponga che il modello "vero" sia: ma si stimi un modello: che omette la variabile "rilevante" formula_282 che contribuisce a spiegare la variabile dipendente formula_27. Si ha allora: Poiché formula_285, nel secondo modello il regressore formula_286 è correlato col disturbo formula_287. Per la precisione: Risulta così violata una delle ipotesi del modello classico di regressione lineare, e le stime del parametro formula_289 col metodo dei minimi quadrati ordinari sono inconsistenti. Si osservi che, qualora la variabile rilevante formula_282 sia ortogonale a formula_286 (e, di conseguenza, formula_292), il problema scompare (il teorema di Frisch-Waugh-Lovell precisa ed estende quest'ultima considerazione). Questo errore sorge quando la funzione di regressione che descrive i dati non è corretta. Ad esempio una funzione di regressione di una popolazione non lineare è descritta come lineare. Tipicamente è un errore di misura o confusione, che va a distorcere l'intero data set. La distorsione di causalità simultanea si verifica in una regressione di Y su X quando, in aggiunta al legame causale d'interesse da formula_65 a formula_1, c'è un legame causale da formula_1 a formula_65. Questa causalità inversa rende formula_65 correlato con l'errore statistico nella regressione d'interesse. Si verifica quando il processo di selezione è legato al valore della variabile dipendente; ciò può introdurre la correlazione tra l'errore statistico ed il regressore, portando così ad una distorsione dello stimatore OLS. Si supponga di non poter osservare direttamente un regressore, che deve essere stimato (o "generato", secondo una diversa terminologia); per concretezza, si consideri un "vero" modello: e si ipotizzi di disporre soltanto di una stima di formula_300: Se si procede nella stima di: Si ottiene: con: Supponendo che formula_307, la stima del parametro formula_85 risulta più vicina a zero di quanto non sia il "vero" valore del parametro (questo effetto è noto con termine inglese come "attenuation bias"). È immediato osservare che il problema è meno pronunciato laddove la varianza dell'errore nell'osservazione di formula_300, formula_310 risulta minore della varianza di formula_300 stesso — ossia, non sorprendentemente, quando formula_300 può essere stimato con relativa precisione. Si osservi infine che nessun problema si pone nel caso in cui la variabile dipendente — formula_27 — sia stimata o generata. In tal caso, il termine di errore in essa contenuto sarà semplicemente incorporato nel disturbo della regressione — formula_314, senza ledere la consistenza delle stime OLS. Le proprietà sopra esposte possono essere generalizzate al caso in cui le ipotesi sulla distribuzione dei termini di errore non siano necessariamente valide per campioni di dimensione finita. In questo caso, si ricorre alle proprietà "asintotiche" delle stime, supponendo implicitamente che, per campioni di dimensione sufficientemente grande, la distribuzione asintotica delle stime coincida, o approssimi ragionevolmente, quella effettiva. I risultati si fondano sul teorema del limite centrale, o su sue generalizzazioni. Al fine di illustrare le proprietà asintotiche degli stimatori dei minimi quadrati ordinari, si ipotizzi: dove formula_318 denota la convergenza in probabilità e formula_319 la matrice identità. L'espressione per lo stimatore dei minimi quadrati ordinari può essere riscritta come: Passando al limite per formula_321, si ha allora: (si osservi che il limite in probabilità dell'inversa di formula_323 è l'inversa di formula_324). Dunque, lo stimatore formula_118 converge in probabilità al vero valore del vettore di parametri formula_85 – si dice dunque che formula_118 gode della proprietà di consistenza. Applicando una banale estensione del teorema del limite centrale al caso multivariato, si ha inoltre: dove formula_329 denota la convergenza in distribuzione. Da quest'ultimo risultato discende allora che: In altre parole, lo stimatore dei minimi quadrati ordinari è non solo consistente, ma anche asintoticamente normalmente distribuito; l'insieme di queste proprietà si indica con la sigla inglese CAN ("Consistent and Asymptotically Normal"). I metodi sopra esposti costituiscono il nucleo del modello classico di regressione lineare; quantunque validi strumenti di analisi per un ampio spettro di discipline e casi di studio, essi prestano il fianco a una serie di critiche, incentrate sulla semplicità delle ipotesi alla base del modello. Tali critiche hanno portato alla formulazione di modelli più generali, caratterizzati da ipotesi meno restrittive rispetto a quelle poste sopra. L'analisi ha battuto alcune vie principali: Ciò ha consentito lo sviluppo di modelli alternativi, o quantomeno complementari, al modello classico; tra i più noti, il metodo dei minimi quadrati generalizzati, metodi di stima tramite variabili strumentali, i vari modelli di regressione robusta, nonché numerosi modelli sviluppati nell'ambito dell'analisi delle serie storiche e dei dati panel. Nell'ambito dell'econometria (manuali, si veda anche l'articolo econometria): Nell'ambito della finanza: Nell'ambito della fisica: Nell'ambito della Ricerca sociale: Nell'ambito della linguistica, in particolare della psicolinguistica:

Regressione lineare

In statistica, la regressione di Poisson è una forma di modello lineare generalizzato di analisi di regressione usato per modellare il conteggio dei dati in tabelle contingenti. La regressione di Poisson assume che la variabile di risposta Y ha una distribuzione di Poisson, e assume che il logaritmo del suo valore aspettato possa essere modellato da una combinazione lineare di parametri sconosciuti. La regressione di Poisson è talvolta conosciuta anche come modello log-lineare, specialmente quando viene usato per modellare tabelle contingenti. La regressione binomiale negativa (NB2) è una famosa generalizzazione della regressione di Poisson perché allenta il presupposto altamente restrittivo che la varianza è uguale alla media come nel modello di Poisson La NB2 si basa sulla distribuzione mista Poisson-Gamma. Questo modello è molto usato perché modella l'eterogeneità della Poisson con la distribuzione Gamma.

Regressione di Poisson

In statistica, la funzione di verosimiglianza (o funzione di likelihood) è una funzione di probabilità condizionata, considerata come funzione del suo "secondo" argomento, mantenendo fissato il primo argomento. In gergo colloquiale spesso "verosimiglianza" è usato come sinonimo di "probabilità", ma in campo statistico vi è una distinzione tecnica precisa. Questo esempio chiarisce la differenza tra i due concetti: una persona potrebbe chiedere "Se lanciassi una moneta non truccata 100 volte, qual è la probabilità che esca testa tutte le volte?" oppure "Dato che ho lanciato una moneta 100 volte ed è uscita testa 100 volte, qual è la verosimiglianza che la moneta sia truccata?". Scambiare tra loro, nelle due frasi, i termini "verosimiglianza" e "probabilità" sarebbe errato. Una distribuzione di probabilità che dipende da un parametro può essere considerata in due modi differenti: Formalmente la funzione di verosimiglianza è una funzione: Si definisce ancora funzione di verosimiglianza ogni funzione proporzionale a tale probabilità. Dunque, la funzione di verosimiglianza per formula_2 è la classe delle funzioni: per ogni costante formula_4. A causa di ciò, l'esatto valore di formula_5 non è in generale rilevante; ciò che è importante sono rapporti nella forma: formula_6, invarianti rispetto alla costante di proporzionalità. A livello interpretativo, l'uso di una funzione di verosimiglianza trae giustificazione dal teorema di Bayes, in base al quale, per due qualsiasi eventi formula_7 e formula_2: dove sia formula_10 che formula_11 sono funzioni di verosimiglianza. L'uso di funzioni di verosimiglianza ai fini dell'inferenza statistica costituisce un tratto distintivo dell'inferenza classica, o "frequentista"; esso rappresenta inoltre una fondamentale differenza rispetto alla scuola dell'inferenza bayesiana, in quanto lo statistico bayesiano conduce inferenza tramite la probabilità formula_12 nell'espressione sopra. Alcune idee relative alla funzione di verosimiglianza sembrano essere state introdotte da T. N. Thiele in un lavoro del 1889. Il primo contributo in cui il concetto di funzione di verosimiglianza è esplicitamente formulato è tuttavia dovuto a Ronald Fisher in un suo lavoro del 1922. In tale lavoro, Fisher usa inoltre l'espressione metodo della massima verosimiglianza; argomenta inoltre contro il ricorso alla condizionata nella forma formula_13 nell'espressione sopra, da lui ritenuta ingiustificabile a causa dell'elemento di soggettività introdotto tramite la probabilità "a priori" (nel linguaggio che ora è proprio della statistica bayesiana) formula_14. Il metodo della massima verosimiglianza ha le sue applicazioni più rilevanti nella prassi come metodo di stima di modelli parametrici. Considerando un insieme di osservazioni formula_15, e una famiglia di funzioni di densità (o di massa, nel caso di distribuzioni discrete), parametrizzate tramite il vettore formula_16: la funzione di verosimiglianza associata è: Nel caso in cui, come normalmente si ipotizza, gli formula_19 siano indipendenti e identicamente distribuiti, inoltre: Poiché l'espressione sopra può risultare scarsamente trattabile, specie nei problemi di massimizzazione collegati al metodo della massima verosimiglianza, spesso risulta preferibile lavorare sul logaritmo della funzione di verosimiglianza, in gergo chiamata "log-verosimiglianza":

Funzione di verosimiglianza

In matematica, una funzione di densità di probabilità (o PDF dall'inglese "probability density function") è l'analogo della funzione di probabilità di una variabile casuale nel caso in cui la variabile casuale formula_1 sia continua, cioè l'insieme dei possibili valori che ha la potenza del continuo. Essa descrive la "densità" di probabilità in ogni punto nello spazio campionario. La funzione di densità di probabilità di una variabile casuale formula_1 è un'applicazione formula_3 non negativa integrabile secondo Lebesgue e reale di variabile reale tale che la probabilità dell'insieme "A" sia data da per tutti i sottinsiemi "A" dello spazio campionario. Intuitivamente, se una distribuzione di probabilità ha densità formula_3, allora l'intervallo formula_6 ha probabilità formula_7. Da ciò deriva che la funzione formula_3 è un'applicazione definita come Assumendo formula_10, ciò corrisponde al limite della probabilità che formula_11 si trovi nell'intervallo formula_6 per formula_13 che tende a zero. Di qui il nome di funzione di 'densità', in quanto essa rappresenta il rapporto tra una probabilità e un'ampiezza. Per la condizione di normalizzazione l'integrale su tutto lo spazio di formula_3 deve essere 1. Di conseguenza ogni funzione non negativa, integrabile secondo Lebesgue, con integrale su tutto lo spazio uguale a 1, è la funzione densità di probabilità di una ben definita distribuzione di probabilità. Una variabile casuale che possiede densità si dice "variabile casuale continua". Per le variabili casuali multivariate (o vettoriali) la trattazione formale è assolutamente identica: formula_15 si dice assolutamente continua se esiste una funzione a valori reali definita in formula_16, detta densità congiunta, tale che per ogni sottoinsieme "A" dello spazio campionario Essa conserva tutte le proprietà di una densità scalare: è una funzione non negativa a integrale unitario su tutto lo spazio. Una proprietà importante è che se formula_15 è assolutamente continua allora lo è ogni sua componente; il viceversa invece non vale. La densità di una componente, detta densità marginale, si ottiene con un ragionamento analogo al teorema della probabilità assoluta, cioè fissando l'insieme di suoi valori di cui si vuole determinare la probabilità e lasciando libere di variare tutte le altre componenti. Infatti (nel caso bivariato per semplicità) l'evento formula_19 è l'evento formula_20, dunque utilizzando il teorema di Fubini. La densità marginale di formula_1 è data dunque da La funzione di densità della variabile casuale normale di media 0 e varianza 1 (detta "normale standard"), di cui a destra è riportato il grafico e l'espressione analitica della corrispondente densità nel caso generico (media formula_24 e varianza formula_25). Un altro esempio può essere dato dalla densità di probabilità uniforme su un segmento (0,1). Si può verificare immediatamente che è densità di probabilità facendo l'integrale tra (0,1).

Funzione di densità di probabilità

In teoria della probabilità la probabilità condizionata di un evento "A" rispetto a un evento "B" è la probabilità che si verifichi "A", sapendo che "B" è verificato. Questa probabilità, indicata formula_1 o formula_2, esprime una "correzione" delle aspettative per "A", dettata dall'osservazione di "B". Poiché, come si vedrà nella successiva definizione, formula_3 compare al denominatore, formula_1 ha senso solo se "B" ha una probabilità non nulla di verificarsi. È utile osservare che la notazione con il simbolo "Barra verticale" è comune con la definizione del connettivo logico NAND. Per esempio, la probabilità di ottenere "4" con il lancio di un dado a sei facce (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa Si consideri questo secondo esempio, la probabilità di ottenere "1" con il lancio di un comune dado (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa La probabilità di "A" condizionata da "B" è dove formula_8 è la probabilità congiunta dei due eventi, ovvero la probabilità che si verifichino entrambi. In termini più rigorosi, dato uno spazio misurabile formula_9 di misura "P", ogni evento "B" eredita una struttura di spazio misurato formula_10, restringendo gli insiemi misurabili a quelli contenuti in "B", ed induce una nuova misura formula_11 su formula_9, con formula_13. Se formula_14 è uno spazio probabilizzato (formula_15) e "B" non è trascurabile (formula_16), allora riscalando formula_17 a formula_18 si ottiene lo spazio probabilizzato formula_19 delle probabilità condizionate da "B". La formula della probabilità condizionata permette di descrivere la probabilità congiunta come Ovvero, la probabilità che si verifichino sia "A" sia "B" è pari alla probabilità che si verifichi "B" moltiplicata per la probabilità che si verifichi "A" supponendo che "B" sia verificato. Due eventi "A" e "B" sono indipendenti quando vale una delle tre equazioni equivalenti Per trovare la probabilità dell'evento a destra negato si può usare la seguente formula: formula_24. Se "A" e "B" sono eventi disgiunti, cioè se formula_25, le loro probabilità condizionate sono nulle: sapendo che uno dei due eventi si è verificato, è impossibile che si sia verificato "anche" l'altro. Se l'evento "A" implica l'evento "B", cioè se formula_26, allora la loro intersezione è "A", per cui formula_27 e: Nel caso di una misura di probabilità uniforme su uno spazio Ω finito, questa formula per "P(A|B)" esprime la definizione classica di probabilità come "casi favorevoli ("A") su casi possibili ("B")". Invece, per "P(B|A)" otteniamo il valore 1 che, per un numero finito di valori lo stesso Bayes interpretò in senso lato come la certezza che il tutto sia condizionato dalla parte. La speranza condizionata formula_30 di una variabile aleatoria "X" ad un evento "B" è la speranza di "X" calcolata sulle probabilità formula_31 (condizionate da "B"). La probabilità di un evento "A" può essere condizionata da una variabile aleatoria discreta "X", originando una nuova variabile aleatoria, formula_32, che per "X=x" assume il valore formula_33. Il teorema di Bayes esprime l'uguaglianza simmetrica formula_34 del teorema della probabilità composta come Questo teorema è alla base dell'inferenza bayesiana in statistica, dove "P" è detta "probabilità "a priori" di "B"" e "P" "probabilità "a posteriori" di "B"". Molti paradossi sono legati alla probabilità condizionata e derivano sia da un'errata formulazione del problema sia dalla confusione di "P(A|B)" con "P(A)" o con "P(B|A)". Esempi particolari sono il paradosso delle due buste, il paradosso dei due bambini, il problema di Monty Hall e il paradosso di Simpson.

Probabilità condizionata

Nella teoria delle decisioni (per esempio nella gestione dei rischi), un albero di decisione è un grafo di decisioni e delle loro possibili conseguenze, (incluso i relativi costi, risorse e rischi) utilizzato per creare un 'piano di azioni' ("plan") mirato ad uno scopo ("goal"). Un albero di decisione è costruito al fine di supportare l'azione decisionale ("decision making"). Nel machine learning un albero di decisione è un modello predittivo, dove ogni nodo interno rappresenta una variabile, un arco verso un nodo figlio rappresenta un possibile valore per quella proprietà e una foglia il valore predetto per la variabile obiettivo a partire dai valori delle altre proprietà, che nell'albero è rappresentato dal cammino ("path") dal nodo radice ("root") al nodo foglia. Normalmente un albero di decisione viene costruito utilizzando tecniche di apprendimento a partire dall'insieme dei dati iniziali ("data set"), il quale può essere diviso in due sottoinsiemi: il "training set" sulla base del quale si crea la struttura dell'albero e il "test set" che viene utilizzato per testare l'accuratezza del modello predittivo così creato. Nel data mining un albero di decisione viene utilizzato per classificare le istanze di grandi quantità di dati (per questo viene anche chiamato albero di classificazione). In questo ambito un albero di decisione descrive una struttura ad albero dove i nodi foglia rappresentano le classificazioni e le ramificazioni l'insieme delle proprietà che portano a quelle classificazioni. Di conseguenza ogni nodo interno risulta essere una macro-classe costituita dall'unione delle classi associate ai suoi nodi figli. Il predicato che si associa ad ogni nodo interno (sulla base del quale avviene la ripartizione dei dati) è chiamato "condizione di split". In molte situazioni è utile definire un criterio di arresto ("halting"), o anche "criterio di potatura" ("pruning") al fine di determinarne la profondità massima. Questo perché il crescere della profondità di un albero (ovvero della sua dimensione) non influisce direttamente sulla bontà del modello. Infatti, una crescita eccessiva della dimensione dell'albero potrebbe portare solo ad aumento sproporzionato della complessità computazionale rispetto ai benefici riguardanti l'accuratezza delle previsioni/classificazioni. Una sua evoluzione è la tecnica foresta casuale ("random forest"). I parametri più largamente usati per le condizioni di split sono: formula_1 L'indice di Gini raggiunge il suo minimo (zero) quando il nodo appartiene ad una singola categoria. formula_2 In entrambe le formule "f" rappresenta la frequenza del valore "j" nel nodo "i". L'indice di Gini e la variazione di entropia sono i parametri che vengono usualmente utilizzati per guidare la costruzione dell'albero, mentre la valutazione del tasso di errore nella classificazione viene utilizzato per effettuare una ottimizzazione dell'albero nota come processo di "pruning" ("potatura" dei nodi superflui). Poiché, in generale, in un buon albero di decisione i nodi foglia dovrebbero essere il più possibile "puri" (ovvero contenere solo istanze di dati che appartengono ad una sola classe), un'ottimizzazione dell'albero consiste nel cercare di minimizzare il livello di entropia man mano che si scende dalla radice verso le foglie. In tal senso, la valutazione dell'entropia determina quali sono, fra le varie scelte a disposizione, le condizioni di split ottimali per l'albero di classificazione.

Albero di decisione

Nel campo dell'apprendimento automatico, una rete neurale artificiale (in inglese "artificial neural network", abbreviato in ANN o anche come NN) è un modello computazionale composto di "neuroni" artificiali, ispirato vagamente dalla semplificazione di una rete neurale biologica. Questi modelli matematici sono troppo semplici per ottenere una comprensione delle reti neurali biologiche, ma sono utilizzati per tentare di risolvere problemi ingegneristici di intelligenza artificiale come quelli che si pongono in diversi ambiti tecnologici (in elettronica, informatica, simulazione, e altre discipline). Una rete neurale artificiale può essere realizzata sia da programmi software che da hardware dedicato (DSP, "Digital Signal Processing"). Questa branca può essere utilizzata in congiunzione alla logica fuzzy. L'ampia varietà di modelli non può prescindere dal costituente di base, il neurone artificiale proposto da W.S. McCulloch e Walter Pitts in un famoso lavoro del 1943: ""A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity"", il quale schematizza un combinatore lineare a soglia, con dati binari multipli in entrata e un singolo dato binario in uscita: un numero opportuno di tali elementi, connessi in modo da formare una rete, è in grado di calcolare semplici funzioni booleane. Le prime ipotesi di apprendimento furono introdotte da D. O. Hebb nel libro del 1949: ""The organization of behavior"", nel quale vengono proposti collegamenti con i modelli complessi del cervello. Nel 1958, J. Von Neumann nella sua opera ""The computer and the brain"" esamina le soluzioni proposte dai precedenti autori sottolineando la scarsa precisione che queste strutture possedevano per potere svolgere operazioni complesse. Nello stesso anno, Frank Rosenblatt nel libro "Psychological review" introduce il primo schema di rete neurale, detto "Perceptron" (percettrone), antesignano delle attuali reti neurali, per il riconoscimento e la classificazione di forme, allo scopo di fornire un'interpretazione dell'organizzazione generale dei sistemi biologici. Il modello probabilistico di Rosenblatt è quindi mirato all'analisi, in forma matematica, di funzioni quali l'immagazzinamento delle informazioni, e della loro influenza sul riconoscimento dei pattern; esso costituisce un progresso decisivo rispetto al modello binario di McCulloch e Pitts, perché i suoi pesi sinaptici sono variabili e quindi il percettrone è in grado di apprendere. L'opera di Rosenblatt stimola una quantità di studi e ricerche che dura per un decennio, e suscita un vivo interesse e notevoli aspettative nella comunità scientifica, destinate tuttavia ad essere notevolmente ridimensionate allorché nel 1969 Marvin Minsky e Seymour A. Papert, nell'opera ""An introduction to computational geometry"", mostrano i limiti operativi delle semplici reti a due strati basate sul percettrone, e dimostrano l'impossibilità di risolvere per questa via molte classi di problemi, ossia tutti quelli non caratterizzati da separabilità lineare delle soluzioni: questo tipo di rete neurale non è abbastanza potente: non è infatti neanche in grado di calcolare la funzione "or esclusivo" (XOR). A causa di queste limitazioni, al periodo di euforia dovuto ai primi risultati della cibernetica (come veniva chiamata negli anni sessanta) segue un periodo di diffidenza durante il quale tutte le ricerche in questo campo non ricevono più alcun finanziamento dal governo degli Stati Uniti d'America; le ricerche sulle reti tendono, di fatto, a ristagnare per oltre un decennio, e l'entusiasmo iniziale risulta fortemente ridimensionato. Il contesto matematico per addestrare le reti MLP ("Multi-Layers Perceptron", ossia percettrone multistrato) fu stabilito dal matematico americano Paul Werbos nella sua tesi di dottorato (Ph.D.) del 1974. Non fu dato molto peso al suo lavoro tanto fu forte la confutazione dimostrata da Minsky e Papert anni prima, e solo l'intervento di J. J. Hopfield, nel 1982, che in un suo lavoro studia dei modelli di riconoscimento di pattern molto generali, si oppose in modo diretto alla confutazione di Minsky riaprendo così degli spiragli per la ricerca in questo campo. Uno dei metodi più noti ed efficaci per l'addestramento di tale classe di reti neurali è il cosiddetto algoritmo di retropropagazione dell'errore (error backpropagation), proposto nel 1986 da David E. Rumelhart, G. Hinton e R. J. Williams, il quale modifica sistematicamente i pesi delle connessioni tra i nodi, così che la risposta della rete si avvicini sempre di più a quella desiderata. Tale lavoro fu prodotto riprendendo il modello creato da Werbos. L'algoritmo di retropropagazione ("backpropagation" o BP) è una tecnica d'apprendimento tramite esempi, costituente una generalizzazione dell'algoritmo d'apprendimento per il percettrone sviluppato da Rosenblatt nei primi anni '60. Mediante questa tecnica era possibile, come detto, trattare unicamente applicazioni caratterizzabili come funzioni booleane linearmente separabili. L'algoritmo di apprendimento si basa sul metodo della discesa del gradiente che permette di trovare un minimo locale di una funzione in uno spazio a N dimensioni. I pesi associati ai collegamenti tra gli strati di neuroni si inizializzano a valori piccoli (ovvero molto inferiori ai valori reali che poi assumeranno) e casuali e poi si applica la regola di apprendimento presentando alla rete dei pattern di esempio. Queste reti neurali sono poi capaci di generalizzare in modo appropriato, cioè di dare risposte plausibili per input che non hanno mai visto. L'addestramento di une rete neurale di tipo BP avviene in due diversi stadi: "forward-pass" e "backward-pass". Nella prima fase i vettori in input sono applicati ai nodi in ingresso con una propagazione in avanti dei segnali attraverso ciascun livello della rete ("forward-pass"). Durante questa fase i valori dei pesi sinaptici sono tutti fissati. Nella seconda fase la risposta della rete viene confrontata con l'uscita desiderata ottenendo il segnale d'errore. L'errore calcolato è propagato nella direzione inversa rispetto a quella delle connessioni sinaptiche. I pesi sinaptici infine sono modificati in modo da minimizzare la differenza tra l'uscita attuale e l'uscita desiderata ("backward-pass"). Tale algoritmo consente di superare le limitazioni del percettrone e di risolvere il problema della separabilità non lineare (e quindi di calcolare la funzione XOR), segnando il definitivo rilancio delle reti neurali, come testimoniato anche dall'ampia varietà d'applicazioni commerciali: attualmente la BP rappresenta un algoritmo di largo uso in molti campi applicativi. Una rete neurale artificiale (ANN ""Artificial Neural Network"" in inglese), normalmente chiamata solo "rete neurale" (NN ""Neural Network"" in inglese), è un modello matematico/informatico di calcolo basato sulle reti neurali biologiche. Tale modello è costituito da un gruppo di interconnessioni di informazioni costituite da neuroni artificiali e processi che utilizzano un approccio di connessionismo di calcolo. Nella maggior parte dei casi una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la propria struttura in base a informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete stessa durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Una rete neurale artificiale riceve segnali esterni su uno strato di nodi (unità di elaborazione) d'ingresso, ciascuno dei quali è collegato con numerosi nodi interni, organizzati in più livelli. Ogni nodo elabora i segnali ricevuti e trasmette il risultato a nodi successivi. Il concetto di rete neurale si pone perché una funzione formula_1 è definita come una composizione di altre funzioni formula_2, che possono a loro volta essere ulteriormente definite come composizione di altre funzioni. Questo può essere comodamente rappresentato come una struttura di reti, con le frecce raffiguranti le dipendenze tra variabili. Una rappresentazione ampiamente utilizzata è la somma ponderata non lineare, dove formula_3, dove formula_4 è una funzione predefinita, come ad esempio la tangente iperbolica. Sarà conveniente per le seguenti far riferimento ad un insieme di funzioni come un vettore formula_5. La Figura 1 esemplifica una decomposizione della funzione formula_6, con dipendenze tra le variabili indicate dalle frecce. Queste possono essere interpretate in due modi: I due punti di vista sono in gran parte equivalenti. In entrambi i casi, per questa particolare architettura di rete, i componenti dei singoli strati sono indipendenti l'uno dall'altro (ad esempio, le componenti di formula_8 sono indipendenti l'una dall'altra, dato il loro ingresso formula_15). Questo, naturalmente, permette un certo grado di parallelismo nella costruzione del sistema. Reti, come ad esempio quelle precedenti vengono comunemente chiamate ""feedforward"", perché il loro è un grafico aciclico diretto. Reti con cicli al loro interno sono comunemente chiamati reti ricorrenti. Tali reti sono comunemente raffigurate nel modo indicato nella parte superiore della Figura 2, dove la funzione formula_6 è mostrata come dipendente su se stessa. Tuttavia, vi è una dipendenza temporale implicita che non è possibile dimostrare. Questo significa in pratica che il valore di formula_6 ad un certo punto nel tempo formula_18 dipende dai valori di formula_6 al tempo zero o su uno o più altri punti temporali. Il modello del grafico nella parte inferiore della Figura 2 illustra il caso in cui il valore di formula_6 al tempo formula_18 dipende solo dal suo valore finale. Tuttavia la funzionalità più interessante di queste funzioni, ciò che ha attirato l'interesse e lo studio per la maggior parte delle reti neurali, è la possibilità di apprendimento, che in pratica significa la seguente: Ciò comporta la definizione di una funzione di costo formula_24 tale che, per la soluzione ottimale formula_25 formula_26 nessuna soluzione ha un costo inferiore al costo della soluzione ottimale. La funzione di costo formula_27 è un concetto importante nell'apprendimento, poiché si tratta di una misura di quanto è lontana da noi la soluzione ottimale del problema che vogliamo risolvere. Quindi vi sono una serie di algoritmi di apprendimento che cercano nello spazio delle soluzioni al fine di trovare una funzione che abbia il minor costo possibile. Per applicazioni in cui la soluzione dipende da alcuni dati, il costo deve essere necessariamente funzione delle osservazioni. Mentre è possibile definire per alcune reti una funzione di costo ad hoc, spesso si può utilizzare una particolare funzione di costo poiché gode delle proprietà desiderate (ad esempio, la convessità), o perché proviene da una particolare formulazione del problema (vale a dire, in una formulazione probabilistica, la probabilità a posteriori del modello può essere utilizzata come l'inverso del costo). In ultima analisi, la funzione di costo dipenderà dal compito. Vi sono tre grandi paradigmi di apprendimento, ciascuno corrispondente ad un particolare compito astratto di apprendimento. Si tratta dell'apprendimento supervisionato, apprendimento non supervisionato e l'apprendimento per rinforzo. Di solito un tipo di architettura di rete può essere impiegato in qualsiasi di tali compiti. L'algoritmo di apprendimento hebbiano (1984) si basa sul semplice principio che se due neuroni si attivano contemporaneamente, la loro interconnessione deve essere rafforzata. formula_28 dove formula_29, dove formula_30 è l'formula_31 ingresso e formula_32 è il tasso di apprendimento formula_33. La regola di Hebb è la seguente: l'efficacia di una particolare sinapsi cambia se e solo se c'è un'intensa attività simultanea dei due neuroni, con un'alta trasmissione di input nella sinapsi in questione. Esempio di procedura: In questo modo le connessioni possono solo irrobustirsi. Le connessioni si considerano irrobustite quando le unità presinaptica e postsinaptica sono d'accordo, altrimenti si indeboliscono. Si considerano funzioni bipolari (-1,1) invece che booleane (0,1). Le reti neurali si basano principalmente sulla simulazione di neuroni artificiali opportunamente collegati. Il modello rappresentato in figura è quello proposto da McCulloch e Pitts. I suddetti neuroni ricevono in ingresso degli stimoli e li elaborano. L'elaborazione può essere anche molto sofisticata ma in un caso semplice si può pensare che i singoli ingressi vengano moltiplicati per un opportuno valore detto peso, il risultato delle moltiplicazioni viene sommato e se la somma supera una certa soglia il neurone si attiva attivando la sua uscita. Il peso indica l'efficacia sinaptica della linea di ingresso e serve a quantificarne l'importanza, un ingresso molto importante avrà un peso elevato, mentre un ingresso poco utile all'elaborazione avrà un peso inferiore. Si può pensare che se due neuroni comunicano fra loro utilizzando maggiormente alcune connessioni allora tali connessioni avranno un peso maggiore, fino a che non si creeranno delle connessioni tra l'ingresso e l'uscita della rete che sfruttano "percorsi preferenziali". Tuttavia è sbagliato pensare che la rete finisca col produrre un unico percorso di connessione: tutte le combinazioni infatti avranno un certo peso, e quindi contribuiscono al collegamento ingresso/uscita. Il modello in figura rappresenta una classica rete neurale pienamente connessa. I singoli neuroni vengono collegati alla schiera di neuroni successivi, in modo da formare una rete di neuroni. Normalmente una rete è formata da tre strati. Nel primo abbiamo gli ingressi (I), questo strato si preoccupa di trattare gli ingressi in modo da adeguarli alle richieste dei neuroni. Se i segnali in ingresso sono già trattati può anche non esserci. Il secondo strato è quello nascosto (H, "hidden"), si preoccupa dell'elaborazione vera e propria e può essere composto anche da più colonne di neuroni. Il terzo strato è quello di uscita (O) e si preoccupa di raccogliere i risultati ed adattarli alle richieste del blocco successivo della rete neurale. Queste reti possono essere anche molto complesse e coinvolgere migliaia di neuroni e decine di migliaia di connessioni. Per costruire la struttura di una rete neurale multistrato si possono inserire formula_38 strati "hidden." L'efficacia di generalizzare di una rete neurale multistrato dipende ovviamente dall'addestramento che ha ricevuto e dal fatto di essere riuscita o meno ad entrare in un minimo locale buono. L'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation") è utilizzato nell'apprendimento con supervisione. Esso permette di modificare i pesi delle connessioni in modo tale che si minimizzi una certa funzione errore E. Tale funzione dipende dal vettore h-esimo di output formula_39 restituito dalla rete, dato il vettore h-esimo di ingresso formula_40 e dal vettore h-esimo di output formula_41che noi desideriamo (che fa parte del training set). Il training set è dunque un insieme di N coppie di vettori formula_42, con formula_43. La funzione errore che si deve minimizzare si può scrivere come: formula_44 dove l'indice k rappresenta il valore corrispondente al k-esimo neurone di output. E(w) è una funzione dipendente dai pesi (che in generale variano nel tempo), per minimizzarla si può usare l'algoritmo della discesa del gradiente ("gradient descent"). L'algoritmo parte da un punto generico formula_45 e calcola il gradiente formula_46. Il gradiente dà la direzione verso cui muoversi lungo la quale si ha il massimo incremento (o decremento se considero formula_47). Definita la direzione ci si muove di una distanza formula_32 predefinita a priori e si trova un nuovo punto formula_49 sul quale è calcolato nuovamente il gradiente. Si continua iterativamente finché il gradiente non è nullo. L'algoritmo di backpropagation può essere diviso in due passi: I passi logici per addestrare una rete neurale con apprendimento supervisionato sono i seguenti: Per l'addestramento di reti neurali profonde, impiegando dataset molto vasti, la discesa del gradiente classica risulta computazionalmente proibitiva, per cui nell'ottimizzare i parametri del modello si fa tipicamente uso dell'algoritmo di discesa stocastica del gradiente. Nel 1982, il fisico John J. Hopfield pubblica un articolo fondamentale in cui presenta un modello matematico comunemente noto appunto come rete di Hopfield: tale rete si distingue per "l'emergere spontaneo di nuove capacità computazionali dal comportamento collettivo di un gran numero di semplici elementi d'elaborazione". Le proprietà collettive del modello producono una memoria associativa per il riconoscimento di configurazioni corrotte e il recupero di informazioni mancanti. Inoltre, Hopfield ritiene che ogni sistema fisico possa essere considerato come un potenziale dispositivo di memoria, qualora esso disponga di un certo numero di stati stabili, i quali fungano da attrattore per il sistema stesso. Sulla base di tale considerazione, egli si spinge a formulare la tesi secondo cui la stabilità e la collocazione di tali attrattori sono proprietà spontanee di sistemi costituiti, come accennato, da considerevoli quantità di neuroni reciprocamente interagenti. Le applicazioni delle reti di Hopfield riguardano principalmente la realizzazione di memorie associative, resistenti all'alterazione delle condizioni operative, e la soluzione di problemi d'ottimizzazione combinatoriale. Da un punto di vista strutturale, la rete di Hopfield costituisce una rete neurale ricorrente simmetrica, di cui è garantita la convergenza. Una rete ricorrente è un modello neurale in cui è presente un flusso bidirezionale d'informazioni; in altri termini, mentre nelle reti di tipo feedforward la propagazione dei segnali avviene unicamente, in maniera continua, nella direzione che conduce dagli ingressi alle uscite, nelle reti ricorrenti tale propagazione può anche manifestarsi da uno strato neurale successivo ad uno precedente, oppure tra neuroni appartenenti ad uno stesso strato, e persino tra un neurone e sé stesso. Un significativo e noto esempio di semplice rete ricorrente è dovuto a Jeffrey L. Elman (1990). Essa costituisce una variazione sul tema del percettrone multistrato, con esattamente tre strati e l'aggiunta di un insieme di neuroni "contestuali" nello strato d'ingresso. Le connessioni retroattive si propagano dallo strato intermedio (e nascosto) a tali unità contestuali, alle quali si assegna peso costante e pari all'unità. In ciascun istante, gli ingressi si propagano nel modo tradizionale e tipico delle reti feedforward, compresa l'applicazione dell'algoritmo d'apprendimento (solitamente la "backpropagation"). Le connessioni retroattive fisse hanno come effetto quello di mantenere una copia dei precedenti valori dei neuroni intermedi, dal momento che tale flusso avviene sempre prima della fase d'apprendimento. In questo modo la rete di Elman tiene conto del suo stato precedente, cosa che le consente di svolgere compiti di previsione di sequenze temporali che sono difficilmente alla portata dei percettroni multistrato convenzionali. Infine, un ultimo interessante tipo di rete è costituita dalla cosiddetta mappa auto-organizzante o rete SOM ("Self-Organizing Map"). Tale innovativo tipo di rete neurale è stata elaborata da Teuvo Kohonen dell'Università Tecnologica di Helsinki; il suo algoritmo d'apprendimento è senza dubbio una brillante formulazione di apprendimento non supervisionato, e ha dato luogo a un gran numero di applicazioni nell'ambito dei problemi di classificazione. Una mappa o rete SOM è basata essenzialmente su un reticolo o griglia di neuroni artificiali i cui pesi sono continuamente adattati ai vettori presentati in ingresso nel relativo insieme di addestramento. Tali vettori possono essere di dimensione generica, anche se nella maggior parte delle applicazioni essa è piuttosto alta. Per ciò che riguarda le uscite della rete, al contrario, ci si limita di solito ad una dimensione massima pari a tre, il che consente di dare luogo a mappe 2D o 3D. In termini più analitici, l'algoritmo può essere agevolmente descritto, come accennato, nei termini di un insieme di neuroni artificiali, ciascuno con una precisa collocazione sulla mappa rappresentativa degli "output", che prendono parte ad un processo noto come "winner takes all" ("Il vincitore piglia tutto"), al termine del quale il nodo avente un vettore di pesi più vicino ad un certo "input" è dichiarato vincitore, mentre i pesi stessi sono aggiornati in modo da avvicinarli al vettore in ingresso. Ciascun nodo ha un certo numero di nodi adiacenti. Quando un nodo vince una competizione, anche i pesi dei nodi adiacenti sono modificati, secondo la regola generale che più un nodo è lontano dal nodo vincitore, meno marcata deve essere la variazione dei suoi pesi. Il processo è quindi ripetuto per ogni vettore dell'insieme di "training", per un certo numero, solitamente grande, di cicli. Va da sé che ingressi diversi producono vincitori diversi. Operando in tal modo, la mappa riesce alfine ad associare i nodi d'uscita con i gruppi o schemi ricorrenti nell'insieme dei dati in ingresso. Se questi schemi sono riconoscibili, essi possono essere associati ai corrispondenti nodi della rete addestrata. In maniera analoga a quella della maggioranza delle reti neurali artificiali, anche la mappa o rete SOM può operare in due distinte modalità: In generale una ANN ("Attractor Neural Network") è una rete di nodi (es: biologicamente ispirati), spesso interconnessi in modo ricorsivo, la cui dinamica nel tempo stabilisce un assestamento in un particolare modo di oscillazione. Questo modo di oscillazione può essere stazionario, variante nel tempo o di tipo stocastico ed è chiamato il suo 'attrattore'. In neuroscienza teorica diversi tipi di reti ad attrattori sono state associate a differenti funzioni, come: memoria, attenzione, condotta del moto e classificazione. Più precisamente, una rete ad attrattori è una rete di N nodi connessi in modo che la loro intera dinamica diventi stabile in uno spazio D dimensionale, dove solitamente N»D. Ciò assume che non vi sia più input dall'esterno del sistema. La stabilità nello stato ad attrattore indica l'esistenza di uno stato stabile in una qualche varietà algebrica (es: linea, cerchio, piano, toroide). L'utilità dei modelli di rete neurale sta nel fatto che queste possono essere usate per comprendere una funzione utilizzando solo le osservazioni sui dati. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni in cui la complessità dei dati o la difficoltà di elaborazione rende la progettazione di una tale funzione impraticabile con i normali procedimenti di analisi manuale. I compiti a cui le reti neurali sono applicate possono essere classificate nelle seguenti grandi categorie di applicazioni: Le aree di applicazione includono i sistemi di controllo (controllo di veicoli, controllo di processi), simulatori di giochi e processi decisionali (backgammon, scacchi), riconoscimento di pattern (sistemi radar, identificazione di volti, riconoscimento di oggetti, ecc), riconoscimenti di sequenze (riconoscimento di gesti, riconoscimento vocale, OCR), diagnosi medica, applicazioni finanziarie, data mining, filtri spam per e-mail. Le reti neurali per come sono costruite lavorano in parallelo e sono quindi in grado di trattare molti dati. Si tratta in sostanza di un sofisticato sistema di tipo statistico dotato di una buona immunità al rumore; se alcune unità del sistema dovessero funzionare male, la rete nel suo complesso avrebbe delle riduzioni di prestazioni ma difficilmente andrebbe incontro ad un blocco del sistema. I software di ultima generazione dedicati alle reti neurali richiedono comunque buone conoscenze statistiche; il grado di apparente utilizzabilità immediata non deve trarre in inganno, pur permettendo all'utente di effettuare subito previsioni o classificazioni, seppure con i limiti del caso. Da un punto di vista industriale, risultano efficaci quando si dispone di dati storici che possono essere trattati con gli algoritmi neurali. Ciò è di interesse per la produzione perché permette di estrarre dati e modelli senza effettuare ulteriori prove e sperimentazioni. I modelli prodotti dalle reti neurali, anche se molto efficienti, non sono spiegabili in linguaggio simbolico umano: i risultati vanno accettati "così come sono", da cui anche la definizione inglese delle reti neurali come "black box": in altre parole, a differenza di un sistema algoritmico, dove si può esaminare passo-passo il percorso che dall'input genera l'output, una rete neurale è in grado di generare un risultato valido, o comunque con una alta probabilità di essere accettabile, ma non è possibile spiegare come e perché tale risultato sia stato generato. Come per qualsiasi algoritmo di modellazione, anche le reti neurali sono efficienti solo se le variabili predittive sono scelte con cura. Non sono in grado di trattare in modo efficiente variabili di tipo categorico (per esempio, il nome della città) con molti valori diversi. Necessitano di una fase di addestramento del sistema che fissi i pesi dei singoli neuroni e questa fase può richiedere molto tempo, se il numero dei record e delle variabili analizzate è molto grande. Non esistono teoremi o modelli che permettano di definire la rete ottima, quindi la riuscita di una rete dipende molto dall'esperienza del creatore. Le reti neurali vengono solitamente usate in contesti dove i dati possono essere parzialmente errati oppure dove non esistano modelli analitici in grado di affrontare il problema. Un loro tipico utilizzo è nei software di OCR, nei sistemi di riconoscimento facciale e più in generale nei sistemi che si occupano di trattare dati soggetti a errori o rumore. Esse sono anche uno degli strumenti maggiormente utilizzati nelle analisi di Data mining. Le reti neurali vengono anche utilizzate come mezzo per previsioni nell'analisi finanziaria o meteorologica. Negli ultimi anni è aumentata notevolmente la loro importanza anche nel campo della bioinformatica nel quale vengono utilizzate per la ricerca di pattern funzionali e/o strutturali in proteine e acidi nucleici. Mostrando opportunamente una lunga serie di input (fase di training o apprendimento), la rete è in grado di fornire l'output più probabile. Negli ultimi anni inoltre sono in corso studi per il loro utilizzo nella previsione degli attacchi Epilettici (Analisi dei Dati provenienti dall' EEG). Recenti studi hanno dimostrato buone potenzialità delle reti neurali in sismologia per la localizzazione di epicentri di terremoti e predizione della loro intensità.

Rete neurale artificiale

L’apprendimento automatico (noto anche come machine learning) è una branca dell'intelligenza artificiale che raccoglie un insieme di metodi, sviluppati a partire dagli ultimi decenni del XX secolo in varie comunità scientifiche, sotto diversi nomi quali: statistica computazionale, riconoscimento di pattern, reti neurali artificiali, filtraggio adattivo, teoria dei sistemi dinamici, elaborazione delle immagini, data mining, algoritmi adattivi, ecc; che utilizza metodi statistici per migliorare progressivamente la performance di un algoritmo nell'identificare pattern nei dati. Nell'ambito dell'informatica, l'apprendimento automatico è una variante alla programmazione tradizionale nella quale si predispone in una macchina l'abilità di apprendere qualcosa dai dati in maniera autonoma, senza ricevere istruzioni esplicite a riguardo. Lo stesso Arthur Samuel che coniò il termine nel 1959 in linea di principio identifica due approcci distinti. Il primo metodo, indicato come rete neurale, porta allo sviluppo di macchine ad apprendimento automatico per impiego generale in cui il comportamento è appreso da una rete di commutazione connessa casualmente, a seguito di una routine di apprendimento basata su ricompensa e punizione (apprendimento per rinforzo). Il secondo metodo, più specifico, consiste nel riprodurre l'equivalente di una rete altamente organizzata progettata per imparare solo alcune attività specifiche. La seconda procedura, che necessita di supervisione, richiede la riprogrammazione per ogni nuova applicazione, ma risulta essere molto più efficiente dal punto di vista computazionale. L'apprendimento automatico è strettamente legato al riconoscimento di pattern e alla teoria computazionale dell'apprendimento ed esplora lo studio e la costruzione di algoritmi che possano apprendere da un insieme di dati e fare delle predizioni su questi, costruendo in modo induttivo un modello basato su dei campioni. L'apprendimento automatico viene impiegato in quei campi dell'informatica nei quali progettare e programmare algoritmi espliciti è impraticabile; tra le possibili applicazioni citiamo il filtraggio delle email per evitare spam, l'individuazione di intrusioni in una rete o di intrusi che cercano di violare dati, il riconoscimento ottico dei caratteri, i motori di ricerca e la visione artificiale. L'apprendimento automatico è strettamente collegato, e spesso si sovrappone con la statistica computazionale, che si occupa dell'elaborazione di predizioni tramite l'uso di computer. L'apprendimento automatico è anche fortemente legato all'ottimizzazione matematica, che fornisce metodi, teorie e domini di applicazione a questo campo. Per usi commerciali, l'apprendimento automatico è conosciuto come analisi predittiva. L'apprendimento automatico si sviluppa con lo studio dell'intelligenza artificiale, e vi è strettamente collegato: infatti già dai primi tentativi di definire l'intelligenza artificiale come disciplina accademica, alcuni ricercatori si erano mostrati interessati alla possibilità che le macchine imparassero dai dati. Questi ricercatori, in particolare Marvin Minsky, Arthur Samuel e Frank Rosenblatt, provarono ad avvicinarsi al problema sia attraverso vari metodi formali, sia con quelle che vengono definite reti neurali nei tardi anni '50. Le reti neurali erano allora costituite da singoli percettroni e da modelli matematici derivati dal modello lineare generalizzato della statistica, come l'ADALINE di Widrow. Si provò a sfruttare anche ragionamenti probabilistici, in particolare nelle diagnosi mediche automatiche. Sempre negli anni '50, Alan Turing propose l'idea di una "macchina che apprende", ovvero in grado di imparare e dunque diventare intelligente. La proposta specifica di Turing anticipa gli algoritmi genetici. Tuttavia già dalla metà degli anni '50 lo studio dell'intelligenza artificiale si stava concentrando su approcci logici di tipo "knowledge-based", nota oggi sotto il nome di GOFAI, causando un distacco tra lo studio dell'IA e quello dell'apprendimento automatico. Sistemi di tipo probabilistico erano invasi di problemi sia teoretici sia pratici in termini di acquisizione e rappresentazione dei dati. Negli anni Ottanta, i sistemi esperti dominavano il campo dell'IA, e i sistemi basati sulla statistica non venivano più studiati. Lo studio dell'apprendimento simbolico e "knowledge-based" continuò nell'ambito dell'IA, portando a sviluppare la programmazione logica induttiva, ma ora la ricerca più prettamente statistica si svolgeva al di fuori del campo vero e proprio dell'intelligenza artificiale, nel riconoscimento di pattern e nell'information retrieval. Un altro motivo per cui lo studio dell'apprendimento automatico fu abbandonato fu la pubblicazione del libro "Perceptrons: an introduction to computational geometry" di Marvin Minsky e Seymour Papert, che vi descrivevano alcune delle limitazioni dei percettroni e delle reti neurali. La ricerca sulle reti neurali subì un significativo rallentamento a causa dell'interpretazione del libro, che le descriveva come intrinsecamente limitate. Anche la linea di ricerca sulle reti neurali continuò al di fuori del campo dell'IA, portata avanti da ricercatori provenienti da altre discipline quali Hopfield, Rumelhart, Hinton e Fukushima. Il loro successo principale fu a metà degli anni '80 con la riscoperta della "backpropagation" e della self-organization. L'apprendimento automatico, sviluppatosi come campo di studi separato dall'IA classica, cominciò a rifiorire negli anni '90. Il suo obiettivo cambiò dall'ottenere l'intelligenza artificiale ad affrontare problemi risolvibili di natura pratica. Distolse inoltre la propria attenzione dagli approcci simbolici che aveva ereditato dall'IA, e si diresse verso metodi e modelli presi in prestito dalla statistica e dalla teoria della probabilità. L'apprendimento automatico ha inoltre beneficiato dalla nascita di Internet, che ha reso l'informazione digitale più facilmente reperibile e distribuibile. Tom M. Mitchell ha fornito la definizione più citata di apprendimento automatico nel suo libro ""Machine Learning"": ""Si dice che un programma apprende dall'esperienza E con riferimento a alcune classi di compiti T e con misurazione della performance P, se le sue performance nel compito T, come misurato da P, migliorano con l'esperienza E."" In poche parole, si potrebbe semplificare dicendo che un programma apprende se c'è un miglioramento delle prestazioni dopo un compito svolto. Questa definizione di Mitchell è rilevante poiché fornisce una definizione operativa dell'apprendimento automatico, invece che in termini cognitivi. Fornendo questa definizione, Mitchell di fatto segue la proposta che Alan Turing fece nel suo articolo ""Computing Machinery and Intelligence"", sostituendo la domanda ""Le macchine possono pensare?"" con la domanda ""Le macchine possono fare quello che noi (in quanto entità pensanti) possiamo fare?"". L'obiettivo principe dell'apprendimento automatico è che una macchina sia in grado di generalizzare dalla propria esperienza, ossia che sia in grado di svolgere ragionamenti induttivi. In questo contesto, per generalizzazione si intende l'abilità di una macchina di portare a termine in maniera accurata esempi o compiti nuovi, che non ha mai affrontato, dopo aver fatto esperienza su un insieme di dati di apprendimento. Gli esempi di addestramento (in inglese chiamati "training examples") si assume provengano da una qualche distribuzione di probabilità, generalmente sconosciuta e considerata rappresentativa dello spazio delle occorrenze del fenomeno da apprendere; la macchina ha il compito di costruire un modello probabilistico generale dello spazio delle occorrenze, in maniera tale da essere in grado di produrre previsioni sufficientemente accurate quando sottoposta a nuovi casi. L'analisi computazionale degli algoritmi di apprendimento automatico e delle loro prestazioni è una branca dell'Informatica teorica chiamata teoria dell'apprendimento. Dato che gli esempi di addestramento sono insiemi finiti di dati e non c'è modo di sapere l'evoluzione futura di un modello, la teoria dell'apprendimento non offre alcuna garanzia sulle prestazioni degli algoritmi. D'altro canto, è piuttosto comune che tali prestazioni siano vincolate da limiti probabilistici. Il bias-variance tradeoff è uno dei modi di quantificare l'errore di generalizzazione. Affinché la generalizzazione offra le migliori prestazioni possibili, la complessità dell'ipotesi induttiva deve essere pari alla complessità della funzione sottostante i dati. Se l'ipotesi è meno complessa della funzione, allora il modello manifesta "underfitting". Quando la complessità del modello viene aumentata in risposta, allora l'errore di apprendimento diminuisce. Al contrario invece se l'ipotesi è troppo complessa, allora il modello manifesta overfitting e la generalizzazione sarà più scarsa. Oltre ai limiti di prestazioni, i teorici dell'apprendimento studiano la complessità temporale e la fattibilità dell'apprendimento stesso. Una computazione è considerata fattibile se può essere svolta in tempo polinomiale. I compiti dell'apprendimento automatico vengono tipicamente classificati in tre ampie categorie, a seconda della natura del "segnale" utilizzato per l'apprendimento o del "feedback" disponibile al sistema di apprendimento. Queste categorie, anche dette paradigmi, sono: A metà strada tra l'apprendimento supervisionato e quello non supervisionato c'è l'apprendimento semi-supervisionato, nel quale l'insegnante fornisce un dataset incompleto per l'allenamento, cioè un insieme di dati per l'allenamento tra i quali ci sono dati senza il rispettivo output desiderato. La trasduzione è un caso speciale di questo principio, nel quale l'intero insieme delle istanze del problema è noto durante l'apprendimento, eccetto la parte degli output desiderati che è mancante. Un'altra categorizzazione dei compiti dell'apprendimento automatico si rileva quando si considera l'output desiderato del sistema di apprendimento automatico. L'apprendimento automatico e la statistica sono discipline strettamente collegate. Secondo Michael I. Jordan, le idee dell'apprendimento automatico, dai principi metodologici agli strumenti teorici, sono stati sviluppati prima in statistica. Jordan ha anche suggerito il termine data science come nome con cui chiamare l'intero campo di studi. Leo Breiman ha distinto due paradigmi statistici di modellazione: modello basato sui dati e modello basato sugli algoritmi, dove "modello basato sugli algoritmi" indica approssimativamente algoritmi di apprendimento automatico come la foresta casuale. Alcuni statistici hanno adottato metodi provenienti dall'apprendimento automatico, il che ha portato alla creazione di una disciplina combinata chiamata "apprendimento statistico". L'apprendimento automatico viene a volte unito al data mining, che si focalizza maggiormente sull'analisi esplorativa dei dati ed utilizza principalmente il paradigma di apprendimento chiamato "apprendimento non supervisionato". Invece, l'apprendimento automatico può essere anche supervisionato. L'apprendimento automatico e il "data mining" infatti si sovrappongono in modo significativo, ma mentre l'apprendimento automatico si concentra sulla previsione basata su proprietà note apprese dai dati, il data mining si concentra sulla scoperta di proprietà prima "sconosciute" nei dati. Il data mining sfrutta i metodi dell'apprendimento automatico, ma con obiettivi differenti; d'altro canto, l'apprendimento automatico utilizza i metodi di data mining come metodi di apprendimento non supervisionato o come passi di preprocessing per aumentare l'accuratezza dell'apprendimento. Gran parte della confusione tra le due comunità di ricerca scaturisce dall'assunzione di base del loro operato: nell'apprendimento automatico, le prestazioni sono generalmente valutate in base all'abilità di riprodurre conoscenza già acquisita, mentre in data mining il compito chiave è la scoperta di conoscenza che prima non si aveva. L'apprendimento automatico ha legami molto stretti con l'ottimizzazione: molti problemi di apprendimento sono formulati come la minimizzazione di una qualche funzione di costo su un insieme di esempi di apprendimento. La funzione di costo (o funzione di perdita) rappresenta la discrepanza tra le previsioni del modello che si sta addestrando e le istanze del problema reale. Le differenze tra i due campi (l'apprendimento automatico e l'ottimizzazione) sorgono dall'obiettivo della generalizzazione: mentre gli algoritmi di ottimizzazione possono minimizzare la perdita su un insieme di apprendimento, l'apprendimento automatico si preoccupa di minimizzare la perdita su campioni mai visti dalla macchina. La risoluzione automatica di problemi avviene, nel campo dell'informatica, in due modi differenti: tramite paradigmi di "hard computing" o tramite paradigmi di "soft computing". Per "hard computing" si intende la risoluzione di un problema tramite l'esecuzione di un algoritmo ben definito e decidibile. La maggior parte dei paradigmi di "hard computing" sono metodi ormai consolidati, ma presentano alcuni lati negativi: infatti richiedono sempre un modello analitico preciso e definibile, e spesso un alto tempo di computazione. Le tecniche di "soft computing" d'altro canto antepongono il guadagno nella comprensione del comportamento di un sistema a scapito della precisione, spesso non necessaria. I paradigmi di "soft computing" si basano su due principi: L'apprendimento automatico si avvale delle tecniche di "soft computing". La programmazione logica induttiva (anche ILP, dall'inglese "inductive logic programming") è un approccio all'apprendimento di regole che usa la programmazione logica come rappresentazione uniforme per gli esempi di input, per la conoscenza di base della macchina, e per le ipotesi. Data una codifica della (nota) conoscenza di base e un insieme di esempi rappresentati come fatti in una base di dati logica, un sistema ILP deriva un programma logico ipotetico da cui conseguono tutti gli esempi positivi, e nessuno di quelli negativi. La programmazione induttiva è un campo simile che considera ogni tipo di linguaggio di programmazione per rappresentare le ipotesi invece che soltanto la programmazione logica, come ad esempio programmi funzionali. L'albero di decisione è un metodo di apprendimento per approssimazione di una funzione obiettivo discreta in cui l'elemento che apprende è rappresentato da un albero di decisione. Gli alberi di decisione possono essere rappresentati da un insieme di regole if-else per migliorare la leggibilità umana. L'apprendimento automatico basato su regole di associazione è un metodo di apprendimento che identifica, apprende ed evolve delle "regole" con l'intento di immagazzinare, manipolare e applicare conoscenza. La caratteristica principale di questo tipo di apprendimento è l'identificazione ed utilizzo di un insieme di regole relazionali che rappresenta nel suo insieme la conoscenza catturata dal sistema. Ciò si pone in controtendenza con altri tipi di apprendimento automatico che normalmente identificano un singolo modello che può essere applicato universalmente ad ogni istanza per riuscire a fare su di essa una previsione. Gli approcci dell'apprendimento basato su regole di associazione includono il sistema immunitario artificiale. Una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la sua struttura basata su informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Inoltre esse sono robuste agli errori presenti nel training data. Gli algoritmi genetici forniscono un approccio all'apprendimento che è liberamente ispirato all'evoluzione simulata. La ricerca di una soluzione del problema inizia con una popolazione di soluzioni iniziale. I membri della popolazione attuale danno luogo a una popolazione di nuova generazione per mezzo di operazioni quali la mutazione casuale e crossover, che sono modellati sui processi di evoluzione biologica. Ad ogni passo, le soluzioni della popolazione attuale sono valutate rispetto a una determinata misura di fitness, con le ipotesi più adatte selezionate probabilisticamente come semi per la produzione della prossima generazione. Gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo a una varietà di compiti di apprendimento e di altri problemi di ottimizzazione. Ad esempio, essi sono stati usati per imparare raccolte di norme per il controllo del robot e per ottimizzare la topologia dei parametri di apprendimento per reti neurali artificiali. Il ragionamento bayesiano fornisce un approccio probabilistico di inferenza. Esso si basa sul presupposto che le quantità di interesse sono disciplinate da distribuzioni di probabilità e che le decisioni ottimali possono essere prese a seguito dell'analisi di queste probabilità insieme ai dati osservati. Nell'ambito dell'apprendimento automatico, la teoria Bayesiana è importante perché fornisce un approccio quantitativo per valutare le prove a sostegno dell'ipotesi alternativa. Il Ragionamento bayesiano fornisce la base per l'apprendimento negli algoritmi che manipolano direttamente le probabilità. Macchine a vettori di supporto ("Support Vector Machine", SVM) sono un insieme di metodi di apprendimento supervisionato usati per la classificazione e la regressione di pattern. Dato un insieme di esempi di addestramento, ciascuno contrassegnato come appartenente a due possibili categorie, un algoritmo di addestramento SVM costruisce un modello in grado di prevedere a quale categoria deve appartenere un nuovo esempio di input. La discesa dei prezzi per l'hardware e lo sviluppo di GPU per uso personale negli ultimi anni hanno contribuito allo sviluppo del concetto di apprendimento profondo, che consiste nello sviluppare livelli nascosti multipli nelle reti neurali artificiali. Questo approccio tenta di modellizzare il modo in cui il cervello umano processa luce e suoni e li interpreta in vista e udito. Alcune delle applicazioni più affermate dell'apprendimento profondo sono la visione artificiale e il riconoscimento vocale. La cluster analisi, o clustering, è in grado di rilevare similarità strutturali tra le osservazioni di un dataset attraverso l'assegnazione di un insieme di osservazioni in sottogruppi ("cluster") di elementi tra loro omogenei. Il clustering è un metodo di apprendimento non supervisionato, e una tecnica comune per l'analisi statistica dei dati. Tutti i sistemi di riconoscimento vocale di maggior successo utilizzano metodi di apprendimento automatico. Ad esempio, il SPHINXsystem impara le strategie di altoparlanti specifici per riconoscere i suoni primitivi (fonemi) e le parole del segnale vocale osservato. Metodi di apprendimento basati su reti neurali e su modelli di Markov nascosti sono efficaci per la personalizzazione automatica di vocabolari, caratteristiche del microfono, rumore di fondo, ecc. Metodi di apprendimento automatico sono stati usati per addestrare i veicoli controllati da computer. Ad esempio, il sistema ALVINN ha usato le sue strategie per imparare a guidare senza assistenza a 70 miglia all'ora per 90 miglia su strade pubbliche, tra le altre auto. Con tecniche simili sono possibili applicazioni in molti problemi di controllo basato su sensori. Metodi di apprendimento automatico sono stati applicati ad una varietà di database di grandi dimensioni per imparare regolarità generali implicito nei dati. Ad esempio, algoritmi di apprendimento basati su alberi di decisione sono stati usati dalla NASA per classificare oggetti celesti a partire dal secondo Palomar Observatory Sky Survey. Questo sistema è oggi utilizzato per classificare automaticamente tutti gli oggetti nel Sky Survey, che si compone di tre terabyte di dati immagine. I programmi per computer di maggior successo per il gioco del backgammon sono basati su algoritmi di apprendimento. Ad esempio, il miglior programma di computer al mondo per backgammon, TD-Gammon, ha sviluppato la sua strategia giocando oltre un milione di partite di prova contro se stesso. Tecniche simili hanno applicazioni in molti problemi pratici in cui gli spazi di ricerca molto rilevanti devono essere esaminati in modo efficiente. L'apprendimento automatico solleva un numero di problematiche etiche. I sistemi addestrati con insiemi di dati faziosi o pregiudizievoli possono esibire questi pregiudizi quando vengono interpellati: in questo modo possono essere digitalizzati pregiudizi culturali quali il razzismo istituzionale e il classismo. Di conseguenza la raccolta responsabile dei dati può diventare un aspetto critico dell'apprendimento automatico. In ragione dell'innata ambiguità dei linguaggi naturali, le macchine addestrate su corpi linguistici necessariamente apprenderanno questa ambiguità.

Apprendimento automatico

L'analisi della regressione è una tecnica usata per analizzare una serie di dati che consistono in una variabile dipendente e una o più variabili indipendenti. Lo scopo è stimare un'eventuale relazione funzionale esistente tra la variabile dipendente e le variabili indipendenti. La variabile dipendente nell'"equazione di regressione" è una funzione delle variabili indipendenti più un "termine d'errore". Quest'ultimo è una variabile casuale e rappresenta una variazione non controllabile e imprevedibile nella variabile dipendente. I parametri sono stimati in modo da descrivere al meglio i dati. Il metodo più comunemente utilizzato per ottenere le migliori stime è il metodo dei "minimi quadrati" (OLS), ma sono utilizzati anche altri metodi. Il "data modeling" può essere usato senza alcuna conoscenza dei processi sottostanti che hanno generato i dati; in questo caso il modello è un modello empirico. Inoltre, nella modellizzazione, non è richiesta la conoscenza della distribuzione di probabilità degli errori. L'analisi della regressione richiede ipotesi riguardanti la distribuzione di probabilità degli errori. Test statistici vengono effettuati sulla base di tali ipotesi. Nell'analisi della regressione il termine "modello" comprende sia la funzione usata per modellare i dati che le assunzioni concernenti la distribuzione di probabilità. L'analisi della regressione può essere usata per effettuare previsioni (ad esempio per prevedere dati futuri di una serie temporale), inferenza statistica, per testare ipotesi o per modellare delle relazioni di dipendenza. Questi usi della regressione dipendono fortemente dal fatto che le assunzioni di partenza siano verificate. L'uso dell'analisi della regressione è stato criticato in diversi casi in cui le ipotesi di partenza non possono essere verificate. Un fattore che contribuisce all'uso improprio della regressione è che richiede più competenze per criticare un modello che per adattarlo. La prima forma di regressione fu il metodo dei minimi quadrati, pubblicato da Legendre nel 1805, e da Gauss nel 1809. Il termine “minimi quadrati” deriva da quello usato da Legendre: "moindres carrés". Tuttavia, Gauss affermò di essere a conoscenza di questo metodo fin dal 1795. Legendre e Gauss applicarono entrambi il metodo al problema di determinare, a partire da osservazioni astronomiche, l'orbita dei pianeti attorno al Sole. Eulero aveva lavorato sullo stesso problema intorno al 1748, ma senza successo. Gauss pubblicò un ulteriore sviluppo della teoria dei minimi quadrati nel 1821, includendo una versione del teorema di Gauss-Markov. Il termine "regressione" venne coniato nel diciannovesimo secolo per descrivere un fenomeno biologico, ovvero che la progenie di individui eccezionali tende in genere ad essere meno eccezionale dei propri genitori e più simile ai loro avi più distanti. Francis Galton, un cugino di Charles Darwin, studiò questo fenomeno e applicò il termine vagamente fuorviante di "regressione verso il centro/regressione verso la media". Per Galton, la regressione aveva solo questo significato biologico, ma il suo lavoro venne in seguito esteso da Udny Yule e Karl Pearson in un contesto statistico più generale. Oggi il termine "regressione" è spesso sinonimo di "curva intercetta dei minimi quadrati". Queste condizioni sono sufficienti (ma non tutte necessarie) perché lo stimatore dei minimi quadrati goda di buone proprietà. In particolare queste assunzioni implicano che lo stimatore sia non distorto, consistente ed efficiente nella classe degli stimatori lineari non distorti. Molte di queste assunzioni possono essere rilassate in analisi più avanzate. Nella regressione lineare, il modello assume che la variabile dipendente, formula_1 sia una combinazione lineare dei "parametri" (ma non è necessario che sia lineare nella "variabile indipendente"). Ad esempio, nella regressione lineare semplice con formula_2 osservazioni ci sono una variabile indipendente: formula_3, e due parametri, formula_4 e formula_5: Nella regressione lineare multipla, ci sono più variabili indipendenti o funzioni di variabili indipendenti. Ad esempio, aggiungendo un termine in formula_7 alla regressione precedente si ottiene: Si tratta ancora di una regressione lineare: sebbene l'espressione sulla destra sia quadratica nella variabile indipendente formula_3, è comunque lineare nei parametri formula_4, formula_5 e formula_12 In entrambi i casi, formula_13 è un termine di errore e l'indice formula_14 identifica una particolare osservazione. Dato un campione casuale della popolazione, stimiamo i parametri della popolazione e otteniamo il modello di regressione lineare semplice: Il termine formula_16 è il residuo, formula_17. Un metodo di stima è quello dei minimi quadrati ordinari. Questo metodo ottiene le stime dei parametri che minimizzano la somma dei quadrati dei residui, SSE: La minimizzazione di questa funzione risulta essere un sistema di equazioni normali, un insieme di equazioni lineari simultanee nei parametri, che vengono risolte per trovare le stime dei parametri, formula_19. Vedi coefficienti di regressione per informazioni sulle proprietà statistiche di tali stimatori. Nel caso della regressione semplice, le formule per le stime dei minimi quadrati sono dove formula_22 è la media (media) dei valori formula_23 e formula_24 è la media dei valori formula_25. Sotto l'ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia una varianza costante, la stima di quella varianza è data da: formula_26 Questo è la radice dell'errore quadratico medio (RMSE) della regressione. Gli errori standard delle stime dei parametri sono dati da Sotto l'ulteriore ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia distribuzione normale, il ricercatore può usare questi errori standard stimati per creare intervalli di confidenza e condurre test d'ipotesi sui parametri della popolazione. Nel più generale modello di regressione multipla, ci sono formula_29 variabili indipendenti: Le stime dei parametri dei minimi quadrati sono ottenute da formula_29 equazioni normali. Il residuo può essere scritto come Le equazioni normali sono In notazione matriciale, le equazioni normali sono scritte come Una volta costruito un modello di regressione, è importante confermare la bontà di adattamento del modello e la significatività statistica dei parametri stimati. I controlli della bontà di adattamento comunemente usati includono l'indice R-quadro, analisi dei residui e test di ipotesi. La significatività statistica è verificata con un test F dell'adattamento globale, seguito da t-test per ogni singolo parametro. L'interpretazione di questi test dipende fortemente dalle assunzioni sul modello. Nonostante l'analisi dei residui sia usata per determinare la bontà di un modello, i risultati dei test-T e dei test-F sono difficili da interpretare nel caso in cui le assunzioni di partenza non siano soddisfatte. Ad esempio, se la distribuzione degli errori non è normale, può accadere che in campioni di numerosità ridotta le stime dei parametri non seguano una distribuzione normale, cosa che complica l'inferenza. Per grandi campioni, il teorema del limite centrale permette di effettuare i test usando un'approssimazione asintotica delle distribuzioni. La variabile risposta può essere non continua. Per le variabili binarie (zero/uno), si può procedere con un particolare tipo di modello lineare linear probability model. Se si usa un modello non-lineare i modelli più utilizzati sono il probit e il modello logit. Il modello probit multivariato rende possibile stimare congiuntamente la relazione tra più variabili binarie dipendenti e alcune variabili indipendenti. Per variabili categoriche con più di due valori si utilizza il modello logit multinomiale. Per variabili ordinali con più di due valori, si utilizzano i modelli logit cumulativo e probit cumulativo. Un'alternativa a tali procedure è la regressione lineare basata su polychoric o polyserial correlazioni tra le variabili categoriche. Tali procedure differiscono nelle ipotesi fatte sulla distribuzione delle variabili nella popolazione. Se la variabile rappresenta una ripetizione di un evento nel tempo, è positiva e con poche realizzazioni ("eventi rari"), si possono utilizzare modelli di Poisson o binomiale negativa. I modelli di regressione predicono una variabile formula_25 partendo dai valori di altre variabili formula_23. Se i valori della previsione sono compresi nell'intervallo dei valori delle variabili formula_23 utilizzate per la costruzione del modello si parla di interpolazione. Se i valori escono dal range delle variabili esplicative si parla di estrapolazione. In questo caso la previsione diventa più rischiosa. Quando la funzione del modello non è lineare nei parametri la somma dei quadrati deve essere minimizzata da una procedura iterativa. Sebbene i parametri di un modello di regressione siano di solito stimati usando il metodo dei minimi quadrati, altri metodi includono: Tutti i principali pacchetti statistici eseguono i tipi comuni di analisi di regressione correttamente e in modo semplice. La regressione lineare semplice può essere fatta in alcuni fogli elettronici. C'è una quantità di programmi che esegue forme specializzate di regressione, e gli esperti possono scegliere di scrivere il loro proprio codice per usare o software per analisi numerica.

Analisi della regressione

L'analisi delle componenti principali (in inglese "principal component analysis" o abbreviata "PCA"), anche nota come trasformata di Karhunen-Loève, trasformata di Hotelling o decomposizione ortogonale propria, è una tecnica per la semplificazione dei dati utilizzata nell'ambito della statistica multivariata. Questo metodo fu proposto per la prima volta nel 1901 da Karl Pearson e sviluppato poi da Harold Hotelling nel 1933, e fa parte dell'analisi fattoriale. Lo scopo della tecnica è quello di ridurre il numero più o meno elevato di variabili che descrivono un insieme di dati a un numero minore di variabili latenti, limitando il più possibile la perdita di informazioni. Ciò avviene tramite una trasformazione lineare delle variabili che proietta quelle originarie in un nuovo sistema cartesiano in cui la nuova variabile con la maggiore varianza viene proiettata sul primo asse, la variabile nuova, seconda per dimensione della varianza, sul secondo asse e così via. La riduzione della complessità avviene limitandosi ad analizzare le principali, per varianza, tra le nuove variabili. Diversamente da altre trasformazioni lineari di variabili praticate nell'ambito della statistica, in questa tecnica sono gli stessi dati che determinano i vettori di trasformazione. Assumendo che a ciascuna delle variabili originarie venga sottratta la loro media e pertanto la nuova variabile (X) abbia media nulla, Dove arg max indica l'insieme degli argomenti "w" in cui è raggiunto il massimo. Con i primi (k-1) componenti, il k-esimo componente può essere trovato sottraendo i primi (k-1) componenti principali a "X" e sostituendo questo Un metodo più semplice per calcolare la componente w utilizza la matrice delle covarianze di x. La stessa operazione può essere eseguita partendo dalla matrice dei coefficienti di correlazione anziché dalla matrice di varianza-covarianza delle variabili "x". Innanzitutto si devono trovare gli autovalori della matrice di covarianza o della matrice dei coefficienti di correlazione. Si ottengono tanti autovalori quante sono le variabili x. Se viene utilizzata la matrice di correlazione, l'autovalore relativo alla prima componente principale, ossia quella con varianza massima, sarà pari ad 1. In ogni caso l'autovalore con il maggiore valore corrisponde alla dimensione w che ha la maggiore varianza: esso sarà dunque la varianza della componente principale 1. In ordine decrescente, il secondo autovalore sarà la varianza della componente principale 2, e così via per gli n autovalori. Per ciascun autovalore viene calcolato il corrispondente autovettore, ossia la matrice (riga vettore) dei coefficienti che moltiplicano le vecchie variabili x nella combinazione lineare per l'ottenimento delle nuove variabili w. Questi coefficienti sono anche definiti loading. La matrice degli autovettori, ossia la matrice che ha per riga ciascun autovettore prima calcolato, è la cosiddetta matrice di rotazione V. Eseguendo l'operazione matriciale formula_4, dove W è il vettore colonna avente come elementi le nuove variabili w1, w2, ..., wn e X è il vettore colonna avente come elementi le "vecchie variabili" x1, x2, ..., xn, si possono trovare le coordinate di ciascun punto nel nuovo spazio vettoriale. Utilizzando le coordinate per ciascun punto relative alle componenti principali si costruisce il grafico denominato score plot. Se le componenti principali sono 3 si avrà un grafico tridimensionale, se sono 2 sarà bidimensionale, se invece si è scelta una sola componente principale lo score plot sarà allora monodimensionale. Mediante lo score plot è possibile verificare quali dati sono simili tra di loro e quindi si può ad esempio dedurre quali campioni presentano la medesima composizione. In PCA esiste anche un altro tipo di grafico, definito loading plot, in cui sono le variabili x ad essere riportate nel nuovo sistema avente per assi le componenti principali. Con questo tipo di grafico è possibile osservare se due variabili sono simili, e pertanto forniscono lo stesso tipo di informazione, oppure se sono distanti (e quindi non sono simili). Quindi gli elementi dell'autovettore colonna corrispondente a un autovalore esprimono il legame tra le variabili di partenza e la componente considerata attraverso dei pesi. Il numero di variabili latenti da considerare come componenti principali si fonda sulla grandezza relativa di un autovalore rispetto agli altri. Invece nel caso in cui sia l'operatore a scegliere le componenti principali senza considerare la relativa varianza espressa dai rispettivi autovalori, si ha un supervised pattern recognition. Si può costruire la matrice dei fattori, in pratica una matrice modale, che elenca per riga le variabili originarie e per colonna le variabili latenti: ogni valore, compreso tra 0 e 1, dice quanto le seconde incidano sulle prime. Invece la matrice del punteggio fattoriale ha la stessa struttura della precedente, ma dice quanto le singole variabili originarie abbiano pesato sulla determinazione della grandezza di quelle latenti. Si supponga di disporre di un'indagine che riporta per 10 soggetti: voto medio (da 0 a 33), intelligenza (da 0 a 10), media ore studiate in un giorno e zona d'origine, che varia da 1 a 3. Si standardizzino i valori con la formula: formula_5 E(x) è il valore atteso di X, ovvero il valor medio, SD è la deviazione standard. La matrice dei coefficienti di correlazione è: La diagonale principale è composta da valori uguali ad 1 perché è il coefficiente di correlazione di una variabile con se stessa. È pure una matrice simmetrica perché il coefficiente di correlazione tra la variabile "x" e la variabile "y" è uguale a quello tra "y" e "x". Si vede come ci sia un forte legame tra voto, media ore studio e intelligenza. Dall'analisi degli autovalori si possono trarre conclusioni: Gli autovalori sono in ordine decrescente e il loro rapporto con la somma degli autovalori dà la percentuale di varianza che spiegano. Sono stati selezionati arbitrariamente solo quelli che hanno valore maggiore di 1 in quanto più significativi, che spiegano il 70,708% e il 26,755% rispettivamente. Si osservi alla matrice delle componenti principali: Il fattore 1 pesa fortemente sul voto medio. Sembrerebbe pure che pesi in maniera negativa sulla variabile della zona di origine; chiaramente questa affermazione non ha senso perché inverte il nesso di causalità: spetta allo statistico dare una spiegazione e una lettura sensate. Si calcoli quindi la matrice di punteggio fattoriale: Come si vede la variabile provenienza continua ad avere un influsso di segno negativo sull'autovalore principale. Le altre variabili invece hanno peso positivo.

Analisi delle componenti principali

Lo scarto quadratico medio (o deviazione standard o scarto tipo) è un indice di dispersione statistico, vale a dire una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una variabile casuale. È uno dei modi per esprimere la dispersione dei dati intorno ad un indice di posizione, quale può essere, ad esempio, la media aritmetica o una sua stima. Ha pertanto la stessa unità di misura dei valori osservati (al contrario della varianza che ha come unità di misura il quadrato dell'unità di misura dei valori di riferimento). In statistica la precisione si può esprimere come lo scarto quadratico medio. Il termine ""standard deviation"" è stato introdotto in statistica da Pearson nel 1894 assieme alla lettera greca formula_1 (sigma) che lo rappresenta. Il termine italiano "deviazione standard" ne è la traduzione più utilizzata nel linguaggio comune; il termine dell'Ente Nazionale Italiano di Unificazione è tuttavia "scarto tipo", definito come la radice quadrata positiva della varianza per lo meno fin dal 1984. Se non indicato diversamente, lo scarto quadratico medio è la radice quadrata della varianza, la quale viene coerentemente rappresentata con il quadrato di sigma (formula_2). In statistica lo scarto quadratico medio di un carattere rilevato su una popolazione di formula_3 unità statistiche si definisce esplicitamente come: dove formula_5 è la media aritmetica di formula_6. Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile può essere calcolata a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato. A partire dallo scarto quadratico medio si definisce anche il coefficiente di variazione o la "deviazione standard relativa" come il rapporto tra lo scarto tipo formula_7 e il valore assoluto della media aritmetica della variabile in esame: Questo indice relativo (che viene spesso espresso in termini percentuali) consente di effettuare confronti tra dispersioni di dati di tipo diverso, indipendentemente dalle loro quantità assolute. Nell'ambito della statistica inferenziale (dove è noto solo un campione della popolazione), soprattutto nell'ambito della teoria della stima, a volte si rimpiazza il denominatore formula_3 con formula_10 ottenendo: Sostanzialmente, poiché non è nota la media dell'intera popolazione, ma solo una sua stima (la media del campione), bisogna utilizzare formula_10 per ottenere uno stimatore corretto formula_13 della varianza incognita formula_7 di formula_6 sull'intera popolazione a partire dai dati del campione. La sua radice quadrata diviene lo scarto quadratico medio "corretto". Questa correzione al denominatore fa sì che la nuova definizione sia un po' più grande della precedente, correggendo così la tendenza della precedente a sottostimare le incertezze soprattutto nel caso in cui si lavori con pochi dati (formula_3 piccolo). Osserviamo il caso limite di formula_17, cioè quando si ha un campione di un solo elemento: la prima definizione dà il risultato formula_18, che ovviamente non è molto ragionevole nell'ambito della statistica inferenziale, mentre quella "corretta" dà un risultato non definito del tipo formula_19, rispecchiando così la totale ignoranza inerente all'incertezza su una singola misura. In questo senso, si dice che la statistica non dice nulla sul singolo caso. Osserviamo che la differenza tra le due definizioni per campioni molto estesi è spesso numericamente insignificante. Il calcolo può essere semplificato come segue: cioè, applicando il tutto alla formula originale: Sia formula_6 una variabile aleatoria, lo scarto quadratico medio è definito come la radice quadrata della varianza di formula_6 Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile aleatoria può essere calcolato a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato, cioè dove formula_26 è il valore atteso di formula_6. In ambito finanziario, lo scarto quadratico medio viene usato per indicare la variabilità di un'attività finanziaria e dei suoi payoff (rendimenti). Esso fornisce quindi, implicitamente, una misura della volatilità dell'attività, quindi del suo rischio. In fisica, è un ottimo indice dell'errore casuale della misurazione di una grandezza fisica. In ambito sportivo è utilizzato per valutare la prestazione di un giocatore di bowling in riferimento ad un certo numero di partite. Il valore trovato non incide sul punteggio ma sintetizza le capacità e i miglioramenti del giocatore. In ingegneria, è uno dei parametri da considerare per valutare la capacità di un processo produttivo. Nelle applicazioni informatiche, è a volte conveniente utilizzare la formula che consente, con sole tre variabili formula_29, di calcolare lo scarto quadratico medio, oltre che la media, di un flusso di numeri di lunghezza formula_3 senza dover ricorrere ad una memorizzazione degli stessi.

Scarto quadratico medio

L'algoritmo K-means è un algoritmo di clustering partizionale che permette di suddividere un insieme di oggetti in K gruppi sulla base dei loro attributi. È una variante dell'algoritmo di aspettativa-massimizzazione (EM) il cui obiettivo è determinare i K gruppi di dati generati da distribuzioni gaussiane. Si assume che gli attributi degli oggetti possano essere rappresentati come vettori, e che quindi formino uno spazio vettoriale. L'obiettivo che l'algoritmo si prepone è di minimizzare la varianza totale intra-cluster. Ogni cluster viene identificato mediante un centroide o punto medio. L'algoritmo segue una procedura iterativa. Inizialmente crea K partizioni e assegna ad ogni partizione i punti d'ingresso o casualmente o usando alcune informazioni euristiche. Quindi calcola il centroide di ogni gruppo. Costruisce quindi una nuova partizione associando ogni punto d'ingresso al cluster il cui centroide è più vicino ad esso. Quindi vengono ricalcolati i centroidi per i nuovi cluster e così via, finché l'algoritmo non converge. Dati N oggetti con formula_1 attributi, modellizzati come vettori in uno spazio vettoriale formula_1-dimensionale, definiamo formula_3 come insieme degli oggetti. Ricordiamo che si definisce partizione degli oggetti il gruppo di insiemi formula_4 che soddisfano le seguenti proprietà: Ovviamente deve valere anche che formula_8; non avrebbe infatti senso né cercare un solo cluster né avere un numero di cluster pari al numero di oggetti. Una partizione viene rappresentata mediante una matrice formula_9, il cui generico elemento formula_10 indica l'appartenenza dell'oggetto formula_11 al cluster formula_1. Indichiamo quindi con formula_13 l'insieme dei formula_14 centroidi. A questo punto definiamo la funzione obiettivo come: e di questa calcoliamo il minimo seguendo la procedura iterativa vista sopra: Tipici criteri di convergenza sono i seguenti: L'algoritmo ha acquistato notorietà dato che converge molto velocemente. Infatti, si è osservato che generalmente il numero di iterazioni è minore del numero di punti. Comunque, l'algoritmo può essere molto lento nel caso peggiore: D. Arthur e S. Vassilvitskii hanno mostrato che esistono certi insiemi di punti per i quali l'algoritmo impiega un tempo superpolinomiale, formula_24, a convergere. Più recentemente, A. Vattani ha migliorato questo risultato mostrando che l'algoritmo può impiegare tempo esponenziale, formula_25, a convergere anche per certi insiemi di punti sul piano. D'altra parte, D. Arthur, B. Manthey e H. Roeglin hanno mostrato che la smoothed complexity dell'algoritmo è polinomiale, la qual cosa è a supporto del fatto che l'algoritmo è veloce in pratica. In termini di qualità delle soluzioni, l'algoritmo non garantisce il raggiungimento dell'ottimo globale. La qualità della soluzione finale dipende largamente dal set di cluster iniziale e può, in pratica, ottenere una soluzione ben peggiore dell'ottimo globale. Dato che l'algoritmo è di solito estremamente veloce, è possibile applicarlo più volte e fra le soluzioni prodotte scegliere quella più soddisfacente. Un altro svantaggio dell'algoritmo è che esso richiede di scegliere il numero di cluster(k) da trovare. Se i dati non sono naturalmente partizionati si ottengono risultati strani. Inoltre l'algoritmo funziona bene solo quando sono individuabili cluster sferici nei dati. È possibile applicare l'algoritmo K-means in Matlab utilizzando la funzione kmeans(DATA, N_CLUSTER), che individua N_CLUSTER numeri di cluster nel data set DATA. Il seguente m-file mostra una possibile applicazione dell'algoritmo per la clusterizzazione di immagini basata sui colori. "img_segm.m" La funzione legge l'immagine utilizzando la funzione Matlab imread, che riceve in ingresso il nome del file contenente l'immagine e restituisce una matrice il cui elemento formula_26 contiene il codice di colore del pixel i,j. Successivamente costruisce la matrice delle osservazioni con due semplici cicli for. Viene infine passata in ingresso all'algoritmo di clustering la matrice delle osservazioni e, dopo aver generato le matrici utili per visualizzare i cluster prodotti in un'immagine, queste vengono mostrate a video con la funzione image. Ad esempio, eseguendo il comando: img_segm('kmeans0.jpg',2); si ottiene il seguente risultato:

K-means

L'analisi delle componenti principali (in inglese "principal component analysis" o abbreviata "PCA"), anche nota come trasformata di Karhunen-Loève, trasformata di Hotelling o decomposizione ortogonale propria, è una tecnica per la semplificazione dei dati utilizzata nell'ambito della statistica multivariata. Questo metodo fu proposto per la prima volta nel 1901 da Karl Pearson e sviluppato poi da Harold Hotelling nel 1933, e fa parte dell'analisi fattoriale. Lo scopo della tecnica è quello di ridurre il numero più o meno elevato di variabili che descrivono un insieme di dati a un numero minore di variabili latenti, limitando il più possibile la perdita di informazioni. Ciò avviene tramite una trasformazione lineare delle variabili che proietta quelle originarie in un nuovo sistema cartesiano in cui la nuova variabile con la maggiore varianza viene proiettata sul primo asse, la variabile nuova, seconda per dimensione della varianza, sul secondo asse e così via. La riduzione della complessità avviene limitandosi ad analizzare le principali, per varianza, tra le nuove variabili. Diversamente da altre trasformazioni lineari di variabili praticate nell'ambito della statistica, in questa tecnica sono gli stessi dati che determinano i vettori di trasformazione. Assumendo che a ciascuna delle variabili originarie venga sottratta la loro media e pertanto la nuova variabile (X) abbia media nulla, Dove arg max indica l'insieme degli argomenti "w" in cui è raggiunto il massimo. Con i primi (k-1) componenti, il k-esimo componente può essere trovato sottraendo i primi (k-1) componenti principali a "X" e sostituendo questo Un metodo più semplice per calcolare la componente w utilizza la matrice delle covarianze di x. La stessa operazione può essere eseguita partendo dalla matrice dei coefficienti di correlazione anziché dalla matrice di varianza-covarianza delle variabili "x". Innanzitutto si devono trovare gli autovalori della matrice di covarianza o della matrice dei coefficienti di correlazione. Si ottengono tanti autovalori quante sono le variabili x. Se viene utilizzata la matrice di correlazione, l'autovalore relativo alla prima componente principale, ossia quella con varianza massima, sarà pari ad 1. In ogni caso l'autovalore con il maggiore valore corrisponde alla dimensione w che ha la maggiore varianza: esso sarà dunque la varianza della componente principale 1. In ordine decrescente, il secondo autovalore sarà la varianza della componente principale 2, e così via per gli n autovalori. Per ciascun autovalore viene calcolato il corrispondente autovettore, ossia la matrice (riga vettore) dei coefficienti che moltiplicano le vecchie variabili x nella combinazione lineare per l'ottenimento delle nuove variabili w. Questi coefficienti sono anche definiti loading. La matrice degli autovettori, ossia la matrice che ha per riga ciascun autovettore prima calcolato, è la cosiddetta matrice di rotazione V. Eseguendo l'operazione matriciale formula_4, dove W è il vettore colonna avente come elementi le nuove variabili w1, w2, ..., wn e X è il vettore colonna avente come elementi le "vecchie variabili" x1, x2, ..., xn, si possono trovare le coordinate di ciascun punto nel nuovo spazio vettoriale. Utilizzando le coordinate per ciascun punto relative alle componenti principali si costruisce il grafico denominato score plot. Se le componenti principali sono 3 si avrà un grafico tridimensionale, se sono 2 sarà bidimensionale, se invece si è scelta una sola componente principale lo score plot sarà allora monodimensionale. Mediante lo score plot è possibile verificare quali dati sono simili tra di loro e quindi si può ad esempio dedurre quali campioni presentano la medesima composizione. In PCA esiste anche un altro tipo di grafico, definito loading plot, in cui sono le variabili x ad essere riportate nel nuovo sistema avente per assi le componenti principali. Con questo tipo di grafico è possibile osservare se due variabili sono simili, e pertanto forniscono lo stesso tipo di informazione, oppure se sono distanti (e quindi non sono simili). Quindi gli elementi dell'autovettore colonna corrispondente a un autovalore esprimono il legame tra le variabili di partenza e la componente considerata attraverso dei pesi. Il numero di variabili latenti da considerare come componenti principali si fonda sulla grandezza relativa di un autovalore rispetto agli altri. Invece nel caso in cui sia l'operatore a scegliere le componenti principali senza considerare la relativa varianza espressa dai rispettivi autovalori, si ha un supervised pattern recognition. Si può costruire la matrice dei fattori, in pratica una matrice modale, che elenca per riga le variabili originarie e per colonna le variabili latenti: ogni valore, compreso tra 0 e 1, dice quanto le seconde incidano sulle prime. Invece la matrice del punteggio fattoriale ha la stessa struttura della precedente, ma dice quanto le singole variabili originarie abbiano pesato sulla determinazione della grandezza di quelle latenti. Si supponga di disporre di un'indagine che riporta per 10 soggetti: voto medio (da 0 a 33), intelligenza (da 0 a 10), media ore studiate in un giorno e zona d'origine, che varia da 1 a 3. Si standardizzino i valori con la formula: formula_5 E(x) è il valore atteso di X, ovvero il valor medio, SD è la deviazione standard. La matrice dei coefficienti di correlazione è: La diagonale principale è composta da valori uguali ad 1 perché è il coefficiente di correlazione di una variabile con se stessa. È pure una matrice simmetrica perché il coefficiente di correlazione tra la variabile "x" e la variabile "y" è uguale a quello tra "y" e "x". Si vede come ci sia un forte legame tra voto, media ore studio e intelligenza. Dall'analisi degli autovalori si possono trarre conclusioni: Gli autovalori sono in ordine decrescente e il loro rapporto con la somma degli autovalori dà la percentuale di varianza che spiegano. Sono stati selezionati arbitrariamente solo quelli che hanno valore maggiore di 1 in quanto più significativi, che spiegano il 70,708% e il 26,755% rispettivamente. Si osservi alla matrice delle componenti principali: Il fattore 1 pesa fortemente sul voto medio. Sembrerebbe pure che pesi in maniera negativa sulla variabile della zona di origine; chiaramente questa affermazione non ha senso perché inverte il nesso di causalità: spetta allo statistico dare una spiegazione e una lettura sensate. Si calcoli quindi la matrice di punteggio fattoriale: Come si vede la variabile provenienza continua ad avere un influsso di segno negativo sull'autovalore principale. Le altre variabili invece hanno peso positivo.

Analisi delle componenti principali

In statistica, il clustering o analisi dei gruppi (dal termine inglese "cluster analysis" introdotto da Robert Tryon nel 1939) è un insieme di tecniche di analisi multivariata dei dati volte alla selezione e raggruppamento di elementi omogenei in un insieme di dati. Le tecniche di "clustering" si basano su misure relative alla somiglianza tra gli elementi. In molti approcci questa similarità, o meglio, dissimilarità, è concepita in termini di distanza in uno spazio multidimensionale. La bontà delle analisi ottenute dagli algoritmi di "clustering" dipende molto dalla scelta della metrica, e quindi da come è calcolata la distanza. Gli algoritmi di "clustering" raggruppano gli elementi sulla base della loro distanza reciproca, e quindi l'appartenenza o meno ad un insieme dipende da quanto l'elemento preso in esame è distante dall'insieme stesso. Le tecniche di "clustering" si possono basare principalmente su due "filosofie": Esistono varie classificazioni delle tecniche di clustering comunemente utilizzate. Una prima categorizzazione dipende dalla possibilità che un elemento possa o meno essere assegnato a più cluster: Un'altra suddivisione delle tecniche di clustering tiene conto del tipo di algoritmo utilizzato per dividere lo spazio: Queste due suddivisioni sono del tutto trasversali, e molti algoritmi nati come "esclusivi" sono stati in seguito adattati nel caso "non-esclusivo" e viceversa. Gli algoritmi di clustering di questa famiglia creano una partizione delle osservazioni minimizzando una certa funzione di costo: dove formula_2 è il numero dei cluster, formula_3 è il formula_4-esimo cluster e formula_5 è la funzione di costo associata al singolo cluster. L'algoritmo più famoso appartenente a questa famiglia è il k-means, proposto da MacQueen nel 1967. Un altro algoritmo abbastanza conosciuto appartenente a questa classe è il Partitioning Around Medioid (PAM). Le tecniche di clustering gerarchico non producono un partizionamento "flat" dei punti, ma una rappresentazione gerarchica ad albero. Questi algoritmi sono a loro volta suddivisi in due classi: Una rappresentazione grafica del processo di clustering è fornita dal dendrogramma. In entrambi i tipi di clustering gerarchico sono necessarie funzioni per selezionare la coppia di cluster da fondere ("agglomerativo"), oppure il cluster da dividere ("divisivo"). Nel primo caso, sono necessarie funzioni che misurino la "similarità" (o, indistintamente, la "distanza") tra due cluster, in modo da fondere quelli più simili. Le funzioni utilizzate nel caso agglomerativo sono: Nei 4 casi precedenti, formula_10 indica una qualsiasi funzione distanza su uno spazio metrico. Invece nel clustering divisivo è necessario individuare il cluster da suddividere in due sottogruppi. Per questa ragione sono necessarie funzioni che misurino la compattezza del cluster, la densità o la sparsità dei punti assegnati ad un cluster. Le funzioni normalmente utilizzate nel caso divisivo sono: Nel "Clustering density-based", il raggruppamento avviene analizzando l'intorno di ogni punto dello spazio. In particolare, viene considerata la densità di punti in un intorno di raggio fissato. Un esempio è il metodo di clustering Dbscan. Algoritmi di clustering molto usati sono: Il QT ("Quality Threshold") Clustering (Heyer et al., 1999) è un metodo alternativo di partizionare i dati, inventato per il clustering dei geni. Richiede più potenza di calcolo rispetto al "K"-Means, ma non richiede di specificare il numero di cluster "a priori", e restituisce sempre lo stesso risultato quando si ripete diverse volte. L'algoritmo è: La distanza tra un punto ed un gruppo di punti è calcolata usando il concatenamento completo, cioè come la massima distanza dal punto di ciascun membro del gruppo (vedi il "Clustering gerarchico agglomerativo" sulla distanza tra i cluster nella sezione clustering gerarchico).

Clustering

La regressione formalizza e risolve il problema di una relazione funzionale tra variabili misurate sulla base di dati campionari estratti da un'ipotetica popolazione infinita. Originariamente Galton utilizzava il termine come sinonimo di correlazione, tuttavia oggi in statistica l'analisi della regressione è associata alla risoluzione del modello lineare. Per la loro versatilità, le tecniche della regressione lineare trovano impiego nel campo delle scienze applicate: chimica, geologia, biologia, fisica, ingegneria, medicina, nonché nelle scienze sociali: economia, linguistica, psicologia e sociologia. Più formalmente, in statistica la regressione lineare rappresenta un metodo di stima del valore atteso condizionato di una variabile "dipendente", o "endogena", formula_1, dati i valori di altre variabili "indipendenti", o "esogene", formula_2: formula_3. L'uso dei termini "endogeno"/"esogeno" è talvolta criticato, in quanto implicherebbe una nozione di causalità che l'esistenza di una regressione non prevede; in determinati contesti, provocherebbe inoltre confusione, essendo ad esempio il concetto di esogeneità in econometria formalmente definito tramite l'ipotesi di ortogonalità alla base delle proprietà statistiche della regressione lineare col metodo dei minimi quadrati. La prima, e ancora popolare, forma di regressione lineare è quella basata sul metodo dei minimi quadrati (si veda oltre). La prima pubblicazione contenente un'applicazione del metodo nota è datata 1805, a nome di Adrien-Marie Legendre; Carl Friedrich Gauss elabora indipendentemente lo stesso metodo, pubblicando le sue ricerche nel 1809. Sebbene Gauss sostenne di avere sviluppato il metodo sin dal 1795, la paternità delle sue applicazioni in campo statistico è normalmente attribuita a Legendre; lo stesso termine "minimi quadrati" deriva dall'espressione francese, utilizzata da Legendre, "moindres carrés". Sia Gauss che Legendre applicano il metodo al problema di determinare, sulla base di osservazioni astronomiche, le orbite di corpi celesti intorno al sole. Eulero aveva lavorato allo stesso problema, con scarso successo, nel 1748. Nel 1821 Gauss pubblica un ulteriore sviluppo del metodo dei minimi quadrati, proponendo una prima versione di quello che è oggi noto come teorema di Gauss-Markov. L'origine del termine "regressione" è storicamente documentata. L'espressione "reversione" era usata nel XIX secolo per descrivere un fenomeno biologico, in base al quale la progenie di individui eccezionali tende in media a presentare caratteristiche meno notevoli di quelle dei genitori, e più simili a quelle degli antenati più remoti. Francis Galton studiò tale fenomeno, applicandovi il termine, forse improprio, di regressione verso la media (o la "mediocrità"). Per Galton l'espressione "regressione" ha solo tale significato, confinato all'ambito biologico. Il suo lavoro (1877, 1885) fu in seguito esteso da Karl Pearson e George Udny Yule a un contesto statistico più generale (1897, 1903); i lavori di Pearson e Yule ipotizzano che la distribuzione congiunta delle variabili dipendenti e indipendenti abbia natura gaussiana. Tale ipotesi è in seguito indebolita da Ronald Fisher, in lavori del 1922 e 1925. Fisher in particolare ipotizza che la distribuzione "condizionata" della variabile dipendente sia gaussiana, il che non implica necessariamente che così sia per quella congiunta di variabili dipendenti e indipendenti. Sotto tale profilo, la formulazione di Fisher è più vicina a quella di Gauss del 1821. Il modello di regressione lineare è: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Per ogni osservazione campionaria si dispone di una determinazione formula_1 e di formula_14 determinazioni non stocastiche formula_15. Si cerca quindi una relazione di tipo lineare tra la variabile formula_1 e le formula_14 variabili deterministiche. Una prima analisi può essere condotta considerando un modello semplice a due variabili (si suppone in pratica che formula_14 sia uguale a formula_19). Un tipico esempio è riscontrabile dall'esperienza economica considerando la relazione tra Consumi (formula_20) e Reddito (formula_1). Ricercando una relazione funzionale in cui i consumi siano "spiegati" dal reddito si può ricorrere alla relazione lineare: dove formula_24 rappresenta l'intercetta e formula_25 la pendenza della retta interpolatrice. Generalizzando il problema a due variabili formula_26 e formula_27, scriveremo: formula_29 è una generica funzione di formula_26 e comunemente si assume formula_31. Ponendo, senza perdita di generalità, tale condizione la formula diviene: Quindi la variabile dipendente formula_27 viene "spiegata" attraverso una relazione lineare della variabile indipendente formula_26 (cioè: formula_35) e da una quantità casuale formula_36. Il problema della regressione si traduce nella determinazione di formula_24 e formula_25 in modo da esprimere al ‘meglio' la relazione funzionale tra formula_27 e formula_26. Per avvalorare di un significato statistico la scelta dei coefficienti occorre realizzare alcune ipotesi sul modello lineare di regressione: Date queste ipotesi si calcolano i coefficienti formula_46 e formula_47 secondo il metodo dei minimi quadrati (in inglese "Ordinary Least Squares", o OLS, da cui il riferimento agli stimatori di seguito ottenuti come agli "stimatori OLS") proposto da Gauss; detta: le stime si ottengono risolvendo: Le soluzioni si ricavano uguagliando a zero le derivate parziali di formula_50 rispetto ad formula_24 e formula_25: Dove formula_55 denota il numero delle osservazioni; segue: da cui si ricavano le soluzioni: Essendo la varianza osservata data da: e la covarianza osservata da: dove formula_62 denotano le medie osservate, si possono scrivere i parametri nella forma: Si consideri il seguente problema teorico: date due variabili casuali formula_65 e formula_1, quale è il "migliore" stimatore per il valore atteso di formula_1, ossia quale stimatore presenta lo scarto quadratico medio (o MSE, dall'inglese "Mean Squared Error") minimo? Se si utilizza uno stimatore affine che sfrutta l'informazione relativa alla variabile casuale formula_68 allora formula_69, è possibile dimostrare che lo scarto quadratico medio formula_70 è minimizzato se: Tale osservazione fornisce una giustificazione di tipo probabilistico alle espressioni proposte sopra; si veda oltre per un'analisi formale, nel caso multivariato. Il metodo dei minimi quadrati è esaminato nel caso bivariato, deriva una retta che interpola uno scatter di punti minimizzando la somma dei quadrati delle distanze formula_72 dei punti stessi dalla retta; il grafico fornisce un'intuizione del procedimento. La scelta di minimizzare i "quadrati" degli formula_72 non è, ovviamente, arbitraria. Facendo ad esempio riferimento alla semplice somma degli formula_72, distanze positive (verso l'alto) e negative (verso il basso) si compenserebbero, rendendo in generale peggiore la qualità dell'interpolazione; se per contro si adottasse una funzione criterio uguale alla somma dei valori assoluti degli formula_72, non essendo la funzione valore assoluto derivabile su tutto l'asse reale non si potrebbe ricorrere all'elegante metodo di minimizzazione sopra illustrato. Si osservi inoltre che gli formula_72 rappresentano una distanza di un tipo alquanto particolare. In geometria la distanza di un punto da una retta è infatti data dalla lunghezza del segmento che unisce il punto alla retta, perpendicolare a quest'ultima; evidentemente non è questo il caso degli formula_72. La scelta operata trova giustificazione nelle proprietà statistiche delle stime, illustrate in seguito: la particolare forma degli stimatori dei minimi quadrati sopra ottenuti consente un più semplice trattamento delle loro proprietà statistiche. Due parole infine sul significato di regressione "lineare". Il nome di questa tecnica statistica "non" significa che nella funzione stimata la variabile dipendente formula_78 è una funzione lineare della(e) variabile(i) esplicativa(e) formula_79, ma dei "parametri" oggetto di stima (formula_24 e formula_25 sopra). La stima di una funzione del tipo: rientra nel raggio d'azione del modello lineare, dal momento che formula_78 è una funzione lineare dei parametri formula_84, formula_85, formula_86. Per ulteriori considerazioni al riguardo, si veda l'articolo Regressione nonlineare. Il metodo sopra illustrato può essere esteso al caso in cui più variabili contribuiscono a spiegare la variabile dipendente formula_1: dove: Possiede delle peculiari assunzioni OLS. Raggruppando le osservazioni delle variabili esplicative in una matrice formula_65 di dimensioni formula_107, che si ipotizza avere rango pieno e uguale a formula_108 (il termine costante, o intercetta, corrisponde ad avere una colonna di formula_19 nella formula_65), è possibile scrivere, in notazione matriciale: Nella formulazione più elementare, si assume che formula_112, ossia: formula_113 formula_114 (omoschedasticità), formula_115 (assenza di correlazione nei disturbi). Si ipotizza inoltre che: ossia che non vi sia correlazione tra i regressori e i disturbi casuali — quest'ipotesi riveste un'importanza cruciale, in quanto rende possibile considerare i regressori compresi nella matrice formula_65 come variabili "esogene" (da cui il nome con cui l'ipotesi è spesso indicata: ipotesi di "esogeneità"). Quest'ultima proprietà è tutt'altro che banale, in quanto soltanto laddove essa è valida è possibile garantire che il vettore di stime dei parametri del modello, formula_118, abbia per valore atteso il vero valore dei parametri formula_85 (godendo così della proprietà di correttezza; si veda oltre). Sotto tali ipotesi, è possibile ottenere le stime del vettore di parametri formula_85 tramite il metodo dei minimi quadrati risolvendo il problema di minimo: Le condizioni del primo ordine per un minimo definiscono il sistema (detto delle equazioni normali): da cui: Per le proprietà della forma quadratica minimizzanda, si è certi che la soluzione trovata corrisponde a un minimo, non solo locale ma globale. Il vettore di stime OLS formula_124 consente di ottenere i valori previsti ("teorici") per la variabile dipendente: Formalmente, l'espressione sopra corrisponde a una proiezione ortogonale del vettore delle osservazioni formula_27 sullo spazio generato dalle colonne della matrice formula_65; la figura a lato illustra questo risultato. Per chiarire questo punto, sia formula_128 la proiezione di formula_27 sullo spazio generato dalle colonne matrice formula_65: Ciò significa che esisterà un vettore di pesi formula_86 tale per cui è possibile ottenere formula_128 come formula_134, ossia come combinazione lineare delle colonne di formula_65. A sua volta formula_27 sarà uguale a formula_128 più una componente formula_138 ortogonale allo spazio generato da formula_65: Dunque formula_141; premoltiplicando per formula_142 si ha: formula_143; così che: ossia l'espressione per il vettore di stime OLS formula_118 derivata in precedenza. Questa intuizione geometrica è formalizzata nel teorema di Frisch-Waugh-Lovell. Gli stimatori formula_124 degli OLS godono di una serie di interessanti proprietà algebriche; tali proprietà dipendono dal metodo dei minimi quadrati adottato, e non dal particolare modello oggetto di stima. Si osservi che le prime tre proprietà valgono solo se la matrice dei regressori include il termine costante, ossia se include un vettore di soli formula_19. L'R², o coefficiente di determinazione, è una misura della bontà dell'adattamento (in inglese "fitting") della regressione lineare stimata ai dati osservati. Al fine di definire l'R², sia formula_167; questa matrice trasforma i vettori in scarti dalla propria media, così che, ad esempio, formula_168. Si osservi che la matrice formula_169 è simmetrica (formula_170) e idempotente (formula_171). Dunque la somma degli scarti al quadrato delle formula_153 da formula_173 è semplicemente: formula_174. L'R² è definito come: Spesso le quantità al numeratore e al denominatore sono chiamate, rispettivamente, ESS (formula_176, dall'inglese "Explained Sum of Squares") e TSS (formula_174, dall'inglese "Total Sum of Squares"). Osservando che, per semplice sostituzione: dove l'ultima uguaglianza segue dal fatto che la media dei residui è zero, si ha: così che l'R² sarà un numero compreso tra formula_180 e formula_19 (alcuni pacchetti statistici trasformano tale numero in una percentuale); in analogia con quanto sopra, spesso la quantità formula_182 è indicata con la sigla RSS (dall'inglese "Residual Sum of Squares"), o SSR ("Sum of Squared Residuals", grammaticalmente più preciso, ma forse meno usato). Euristicamente, l'R² misura la frazione della variabilità delle osservazioni formula_153 che siamo in grado di spiegare tramite il modello lineare. Due importanti "caveat" devono in ogni caso essere tenuti a mente: È evidente che, al crescere del numero di regressori formula_14, formula_190 in generale decresce, correggendo l'artificiale incremento dell'R². Si può inoltre dimostrare che formula_190 aumenta, aggiungendo un regressore, soltanto se il valore della statistica formula_192 associata al coefficiente di tale regressore (si veda oltre) è maggiore di formula_19, così che il valore dell'R² corretto è legato alla significatività delle variabili aggiuntive. È opportuno far emergere alcune credenze sbagliate riguardo l'R². Innanzitutto non può mai assumere valori negativi perché è il rapporto di due varianze; tuttavia i software statistici possono produrre un output di una regressione che presenta un R² negativo. Ciò è dovuto al fatto che in questi programmi l'R² si calcola come differenza tra varianza spiegata e quella dei residui. Tuttavia nel caso di mispecificazione del modello (si "dimenticano" variabili che il data generating process contiene, intercetta compresa), il valore atteso della stima dei residui è in genere diverso da zero, quindi la media dello stimatore di formula_1 è diverso dalla media di formula_1. Pertanto il calcolo del software risulta errato perché non tiene conto di ciò. Sotto le ipotesi sopra formulate, il valore atteso dello stimatore formula_124 è uguale al vettore di parametri formula_85; tale proprietà è detta correttezza; al fine di verificare la correttezza di formula_124, è sufficiente osservare che: La varianza (in effetti, matrice varianza-covarianza) di formula_200 si ottiene come: Il teorema di Gauss-Markov stabilisce che tale varianza è minima tra quelle degli stimatori di formula_85 ottenibili come combinazione lineare delle osservazioni formula_27; in questo senso formula_124 è uno stimatore efficiente (in effetti si tratta di uno stimatore "BLUE", dall'inglese "Best Linear Unbiased Estimator", il migliore stimatore corretto lineare). Poiché formula_205 e le combinazioni lineari di variabili casuali normali indipendenti sono ancora normali, se ne conclude che: Volendo stimare il parametro formula_207, un naturale candidato sarebbe la varianza campionaria: In effetti lo stimatore sopra sarebbe anche lo stimatore di massima verosimiglianza per formula_209. Semplici manipolazioni mostrano tuttavia che tale stimatore non gode della proprietà di correttezza; infatti: dove formula_212. Il valore atteso dell'espressione sopra è: dove formula_214 denota l'operatore traccia di una matrice. Lo stimatore corretto per il parametro formula_207 è dunque: Infatti: Si osservi inoltre che, poiché formula_112, formula_219 ha una distribuzione chi quadro con formula_220 gradi di libertà. Le tecniche del modello lineare sopra esposte possono trovare diverse applicazioni; con una qualche semplificazione, due sono i principali usi della regressione lineare: Confinando la nostra attenzione al secondo punto, nell'ambito della statistica classica (cioè non bayesiana) condurre un test statistico non può portare ad "accettare" un'ipotesi nulla, ma al più a "non rifiutarla", un po' come dire che lo statistico assolve per mancanza di prove. Un primo ordine di test concerne i singoli coefficienti del modello; volere stabilire se la j-esima variabile delle formula_65 abbia o meno potere esplicativo nei confronti della formula_27 equivale a sottoporre a verifica l'ipotesi nulla che il corrispondente coefficiente formula_223 sia nullo. A tal fine si ricorre alla statistica test: dove formula_225, che sotto l'ipotesi nulla formula_226 ha distribuzione t di Student. Un caso più complesso, e di maggiore interesse, riguarda il test di un insieme di restrizioni lineari sui coefficienti del modello; si consideri al riguardo ad un'ipotesi nulla nella forma: dove formula_228 è una matrice di rango formula_229. Ad esempio, volendo testare l'ipotesi che il primo e il terzo coefficiente siano uguali, sarà sufficiente ricorrere la matrice (in questo particolare caso, vettore) formula_230, con formula_231, così che l'ipotesi nulla risulti: formula_232. Al fine di sottoporre a verifica ipotesi di questo tipo, è sufficiente considerare che, essendo la combinazione lineare di variabili casuali normali ancora normale: sotto l'ipotesi nulla formula_227. Ne consegue che: per la nota proprietà per cui la combinazione lineare dei quadrati variabili casuali normali standardizzate ha distribuzione chi quadro, con gradi di libertà pari al rango della matrice formula_236, formula_229 (si osservi che in generale formula_238, e che formula_229 sarà solitamente pari al numero di restrizioni imposte sui parametri del modello). Naturalmente in generale il parametro formula_207 è incognito, per cui l'espressione sopra non può essere usata direttamente per fare inferenza statistica. Si ricorda tuttavia che: Essendo noto che il rapporto tra due variabili casuali aventi distribuzione chi quadro, divise per i rispettivi gradi di libertà, è distribuito come una F di Fisher, è possibile utilizzare la statistica test: avente sotto l'ipotesi nulla distribuzione F di Fisher con formula_229 e formula_220 gradi di libertà. Se due o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono linearmente dipendenti, non esiste l'inversa formula_246 per cui il vettore di stime OLS non può essere determinato. Se da un lato è assai improbabile che questa eventualità si verifichi nelle applicazioni pratiche, è comunque possibile che alcune colonne della matrice formula_68 siano prossime alla dipendenza lineare; in tal caso sarà ancora possibile ottenere un vettore di stime OLS, ma sorgerà il problema della multicollinearità. Si parla di multicollinearità allorché una o più colonne della matrice dei regressori formula_65 sono prossime a essere linearmente dipendenti. L'effetto della multicollinearità è che la matrice formula_249 è prossima all'essere singolare. Questo ha due conseguenze di particolare rilievo nelle applicazioni: Il primo punto implica che gli intervalli di confidenza per i valori dei coefficienti saranno relativamente ampi; se tali intervalli includono lo zero, non si può rifiutare l'ipotesi nulla che la variabile corrispondente non abbia alcun effetto sulla variabile dipendente. Un indicatore di multicollinearità spesso utilizzato nella pratica è il "variance inflation factor" (fattore di inflazione della varianza), o VIF. Il VIF è calcolato per ciascuna variabile del modello (spesso automaticamente da diversi software statistici), in base all'espressione: dove formula_251 è il coefficiente R² di una regressione della colonna formula_5-esima di formula_65 su tutti gli altri regressori (incluso il termine costante, se è presente). È possibile dimostrare che la varianza dell'elemento formula_5-esimo del vettore delle stime OLS formula_124 è proporzionale al VIF; dunque un VIF elevato comporterà una minore significatività del coefficiente formula_256, andando a ridurre il valore della statistica formula_192 di Student associata. Un formula_251 elevato è indice di dipendenza lineare tra la colonna formula_5-esima e le restanti colonne della matrice formula_65, ossia è un indice di multicollinearità. Non esiste, tuttavia, un particolare valore soglia del VIF che determina inequivocabilmente la multicollinearità; sta alla sensibilità del ricercatore valutare, con l'ausilio dell'indicazione del VIF, se sussista o meno multicollinearità, nel qual caso è opportuno rimuovere il regressore formula_5-esimo (colonna formula_5-esima della matrice formula_65 sulla quale si è riscontrata multicollinearità). Le stime e le statistiche test presentate sopra costituiscono l'obiettivo del ricercatore che effettua un'analisi di regressione lineare. Sebbene le convenzioni nella presentazione dei risultati varino significativamente a seconda dell'ambito scientifico o del tipo di pubblicazione, alcuni standard sono in generale rispettati. I risultati della stima di un modello di regressione lineare potrebbero e dovrebbero riportare: Particolare attenzione si deve porre nel ritenere che un modello: implichi che le variabili ricomprese nella matrice formula_65 "causino" la formula_27. È importante osservare che l'esistenza di regressione (formalmente definita nei paragrafi precedenti) "non implica altro che l'esistenza di un valore atteso condizionato": In particolare, non si può in generale affermare che l'espressione sopra significhi che le variabili in formula_65 "causino" il comportamento della formula_27. Come espresso con efficacia da Cochrane (2003), "le regressioni non hanno cause al secondo membro e conseguenze al primo membro." Tuttavia resta vero che uno dei principali task dell'analisi di regressione verte proprio sulle indagini di tipo causale; peraltro in contesti sperimentali "controllati" questa possibilità è tipicamente accettata. Inoltre anche in contesti osservazionali l'interpretazione causale, anche se molto più delicata, non si esclude assolutamente, anzi in certi contesti resta il task più importante. Particolare rilievo in questo contesto è giocato dal problema delle "variabili omesse", se siamo portati a ritenere che tale problema non sia rilevante, allora l'interpretazione causale è lecita. I concetti di validità esterna ed interna forniscono uno schema di riferimento per valutare se uno studio statistico o econometrico sia utile per rispondere ad una domanda specifica di interesse. L'analisi è esternamente valida se le sue inferenze e conclusioni possono essere generalizzate dalla popolazione e dal contesto studiati ad altre popolazioni e contesti. Deve essere giudicata usando la conoscenza specifica della popolazione e del contesto usato e di quelli oggetto d'interesse. Un'ipotesi cruciale del modello classico di regressione lineare è che i regressori siano ortogonali al disturbo stocastico, ossia, formalmente: Il motivo per cui tale ipotesi — anche nota come "ipotesi di esogeneità" — è fondamentale è presto illustrato; basta osservare che: così che: In altri termini: l'ipotesi di esogeneità dei regressori è condizione necessaria per la correttezza dello stimatore formula_118 del metodo dei minimi quadrati (un'analoga argomentazione può essere data in termini asintotici, passando dalla correttezza alla consistenza dello stimatore). In tutti i casi in cui si ha motivo di credere che l'ipotesi di esogeneità sia violata — tutti i casi in cui si sospetta "endogeneità" dei regressori — non si può fare affidamento sui risultati di una regressione condotta col metodo dei minimi quadrati ordinari (la soluzione è di ricorrere a una regressione con variabili strumentali). È la differenza tra la popolazione studiata e la popolazione d'interesse. Un esempio è quello di effettuare lo stesso test sui topi e sugli uomini senza chiedersi se vi siano delle differenze che inficino l'analisi. Anche se la popolazione studiata e quella d'interesse fossero uguali, sarebbe opportuno valutarne il contesto. Un esempio è uno studio su una campagna di alcolici su degli studenti universitari e su degli studenti delle classi primarie. Un'analisi statistica è internamente valida se le inferenze statistiche sugli effetti causali sono validi per la popolazione oggetto di studio. La distorsione da variabile omessa nasce quando viene omessa una variabile dalla regressione, che è una determinante di formula_1 ed è correlata con uno o più dei regressori. L'omissione di variabili rilevanti (nel senso precisato in quanto segue) può rendere le stime OLS inconsistenti. Si supponga che il modello "vero" sia: ma si stimi un modello: che omette la variabile "rilevante" formula_282 che contribuisce a spiegare la variabile dipendente formula_27. Si ha allora: Poiché formula_285, nel secondo modello il regressore formula_286 è correlato col disturbo formula_287. Per la precisione: Risulta così violata una delle ipotesi del modello classico di regressione lineare, e le stime del parametro formula_289 col metodo dei minimi quadrati ordinari sono inconsistenti. Si osservi che, qualora la variabile rilevante formula_282 sia ortogonale a formula_286 (e, di conseguenza, formula_292), il problema scompare (il teorema di Frisch-Waugh-Lovell precisa ed estende quest'ultima considerazione). Questo errore sorge quando la funzione di regressione che descrive i dati non è corretta. Ad esempio una funzione di regressione di una popolazione non lineare è descritta come lineare. Tipicamente è un errore di misura o confusione, che va a distorcere l'intero data set. La distorsione di causalità simultanea si verifica in una regressione di Y su X quando, in aggiunta al legame causale d'interesse da formula_65 a formula_1, c'è un legame causale da formula_1 a formula_65. Questa causalità inversa rende formula_65 correlato con l'errore statistico nella regressione d'interesse. Si verifica quando il processo di selezione è legato al valore della variabile dipendente; ciò può introdurre la correlazione tra l'errore statistico ed il regressore, portando così ad una distorsione dello stimatore OLS. Si supponga di non poter osservare direttamente un regressore, che deve essere stimato (o "generato", secondo una diversa terminologia); per concretezza, si consideri un "vero" modello: e si ipotizzi di disporre soltanto di una stima di formula_300: Se si procede nella stima di: Si ottiene: con: Supponendo che formula_307, la stima del parametro formula_85 risulta più vicina a zero di quanto non sia il "vero" valore del parametro (questo effetto è noto con termine inglese come "attenuation bias"). È immediato osservare che il problema è meno pronunciato laddove la varianza dell'errore nell'osservazione di formula_300, formula_310 risulta minore della varianza di formula_300 stesso — ossia, non sorprendentemente, quando formula_300 può essere stimato con relativa precisione. Si osservi infine che nessun problema si pone nel caso in cui la variabile dipendente — formula_27 — sia stimata o generata. In tal caso, il termine di errore in essa contenuto sarà semplicemente incorporato nel disturbo della regressione — formula_314, senza ledere la consistenza delle stime OLS. Le proprietà sopra esposte possono essere generalizzate al caso in cui le ipotesi sulla distribuzione dei termini di errore non siano necessariamente valide per campioni di dimensione finita. In questo caso, si ricorre alle proprietà "asintotiche" delle stime, supponendo implicitamente che, per campioni di dimensione sufficientemente grande, la distribuzione asintotica delle stime coincida, o approssimi ragionevolmente, quella effettiva. I risultati si fondano sul teorema del limite centrale, o su sue generalizzazioni. Al fine di illustrare le proprietà asintotiche degli stimatori dei minimi quadrati ordinari, si ipotizzi: dove formula_318 denota la convergenza in probabilità e formula_319 la matrice identità. L'espressione per lo stimatore dei minimi quadrati ordinari può essere riscritta come: Passando al limite per formula_321, si ha allora: (si osservi che il limite in probabilità dell'inversa di formula_323 è l'inversa di formula_324). Dunque, lo stimatore formula_118 converge in probabilità al vero valore del vettore di parametri formula_85 – si dice dunque che formula_118 gode della proprietà di consistenza. Applicando una banale estensione del teorema del limite centrale al caso multivariato, si ha inoltre: dove formula_329 denota la convergenza in distribuzione. Da quest'ultimo risultato discende allora che: In altre parole, lo stimatore dei minimi quadrati ordinari è non solo consistente, ma anche asintoticamente normalmente distribuito; l'insieme di queste proprietà si indica con la sigla inglese CAN ("Consistent and Asymptotically Normal"). I metodi sopra esposti costituiscono il nucleo del modello classico di regressione lineare; quantunque validi strumenti di analisi per un ampio spettro di discipline e casi di studio, essi prestano il fianco a una serie di critiche, incentrate sulla semplicità delle ipotesi alla base del modello. Tali critiche hanno portato alla formulazione di modelli più generali, caratterizzati da ipotesi meno restrittive rispetto a quelle poste sopra. L'analisi ha battuto alcune vie principali: Ciò ha consentito lo sviluppo di modelli alternativi, o quantomeno complementari, al modello classico; tra i più noti, il metodo dei minimi quadrati generalizzati, metodi di stima tramite variabili strumentali, i vari modelli di regressione robusta, nonché numerosi modelli sviluppati nell'ambito dell'analisi delle serie storiche e dei dati panel. Nell'ambito dell'econometria (manuali, si veda anche l'articolo econometria): Nell'ambito della finanza: Nell'ambito della fisica: Nell'ambito della Ricerca sociale: Nell'ambito della linguistica, in particolare della psicolinguistica:

Regressione lineare

In statistica, una correlazione è una relazione tra due variabili tale che a ciascun valore della prima corrisponda un valore della seconda, seguendo una certa regolarità . Il termine apparve per la prima volta in un'opera di Francis Galton, "Hereditary Genius" (1869). Non fu definita in modo più approfondito (la moralità di un individuo e la sua instabilità morale sono non correlate). Otto anni dopo, nel 1877, lo stesso Galton scoprì che i coefficienti di regressione lineare tra X e Y sono gli stessi se - ad entrambe le variabili - viene applicata la deviazione standard σ e σ: Galton utilizzò in realtà lo scarto interquartile, definendo il parametro "coefficiente di co-relazione" e abbreviando "regressione" in "r". In base alle caratteristiche presentate, la correlazione può definirsi: Inoltre, le correlazioni possono essere: Il grado di correlazione tra due variabili viene espresso tramite l'indice di correlazione. Il valore che esso assume è compreso tra −1 (correlazione inversa) e 1 (correlazione diretta e assoluta), con un indice pari a 0 che comporta l'assenza di correlazione; il valore nullo dell'indice non implica, tuttavia, che le variabili siano indipendenti. I coefficienti di correlazione sono derivati dagli indici, tenendo presenti le grandezze degli scostamenti dalla media. In particolare, l'indice di correlazione di Pearson è calcolato come rapporto tra la covarianza delle due variabili e il prodotto delle loro deviazioni standard.: Va comunque notato che gli indici e i coefficienti di correlazione siano da ritenersi sempre approssimativi, a causa dell'arbitrarietà con cui sono scelti gli elementi: ciò è vero, in particolare, nei casi di correlazioni multiple. Contrariamente a quanto si potrebbe intuire, la correlazione non dipende da un rapporto di causa-effetto quanto dalla tendenza di una variabile a cambiare in funzione di un'altra. Le variabili possono essere tra loro dipendenti (per esempio la relazione tra stature dei padri e dei figli) oppure comuni (relazione tra altezza e peso di una persona). Nel cercare una correlazione statistica tra due grandezze, per determinare un possibile rapporto di causa-effetto, essa non deve risultare una correlazione spuria.

Correlazione (statistica)

variabili aleatorie "X" e "Y", la distribuzione condizionata di Y dato X è la probabilità di Y quando è conosciuto il valore assunto da X. A ogni distribuzione condizionata è associato un valore atteso condizionato e una varianza condizionata. Nel caso di variabili aletorie discrete, la distribuzione condizionata di "Y" dato "X=x", è data da: È necessario quindi che "P(X=x)>0". Nel caso di variabili aleatorie continue, la densità condizionata di "Y" dato "X=x" è data da Anche in questo caso, si deve avere che formula_3. Se per due variabili aleatorie "X" e "Y" si ha che "P"("Y" = "y" | "X" = "x") = "P"("Y" = "y") per ogni "x" e "y" o, nel caso continuo, "f"("y" | "X=x") = "f"("y") per ogni "x" e "y", allora le due variabili sono dette indipendenti

Distribuzione condizionata

In statistica, la regressione di Poisson è una forma di modello lineare generalizzato di analisi di regressione usato per modellare il conteggio dei dati in tabelle contingenti. La regressione di Poisson assume che la variabile di risposta Y ha una distribuzione di Poisson, e assume che il logaritmo del suo valore aspettato possa essere modellato da una combinazione lineare di parametri sconosciuti. La regressione di Poisson è talvolta conosciuta anche come modello log-lineare, specialmente quando viene usato per modellare tabelle contingenti. La regressione binomiale negativa (NB2) è una famosa generalizzazione della regressione di Poisson perché allenta il presupposto altamente restrittivo che la varianza è uguale alla media come nel modello di Poisson La NB2 si basa sulla distribuzione mista Poisson-Gamma. Questo modello è molto usato perché modella l'eterogeneità della Poisson con la distribuzione Gamma.

Regressione di Poisson

L'algoritmo K-means è un algoritmo di clustering partizionale che permette di suddividere un insieme di oggetti in K gruppi sulla base dei loro attributi. È una variante dell'algoritmo di aspettativa-massimizzazione (EM) il cui obiettivo è determinare i K gruppi di dati generati da distribuzioni gaussiane. Si assume che gli attributi degli oggetti possano essere rappresentati come vettori, e che quindi formino uno spazio vettoriale. L'obiettivo che l'algoritmo si prepone è di minimizzare la varianza totale intra-cluster. Ogni cluster viene identificato mediante un centroide o punto medio. L'algoritmo segue una procedura iterativa. Inizialmente crea K partizioni e assegna ad ogni partizione i punti d'ingresso o casualmente o usando alcune informazioni euristiche. Quindi calcola il centroide di ogni gruppo. Costruisce quindi una nuova partizione associando ogni punto d'ingresso al cluster il cui centroide è più vicino ad esso. Quindi vengono ricalcolati i centroidi per i nuovi cluster e così via, finché l'algoritmo non converge. Dati N oggetti con formula_1 attributi, modellizzati come vettori in uno spazio vettoriale formula_1-dimensionale, definiamo formula_3 come insieme degli oggetti. Ricordiamo che si definisce partizione degli oggetti il gruppo di insiemi formula_4 che soddisfano le seguenti proprietà: Ovviamente deve valere anche che formula_8; non avrebbe infatti senso né cercare un solo cluster né avere un numero di cluster pari al numero di oggetti. Una partizione viene rappresentata mediante una matrice formula_9, il cui generico elemento formula_10 indica l'appartenenza dell'oggetto formula_11 al cluster formula_1. Indichiamo quindi con formula_13 l'insieme dei formula_14 centroidi. A questo punto definiamo la funzione obiettivo come: e di questa calcoliamo il minimo seguendo la procedura iterativa vista sopra: Tipici criteri di convergenza sono i seguenti: L'algoritmo ha acquistato notorietà dato che converge molto velocemente. Infatti, si è osservato che generalmente il numero di iterazioni è minore del numero di punti. Comunque, l'algoritmo può essere molto lento nel caso peggiore: D. Arthur e S. Vassilvitskii hanno mostrato che esistono certi insiemi di punti per i quali l'algoritmo impiega un tempo superpolinomiale, formula_24, a convergere. Più recentemente, A. Vattani ha migliorato questo risultato mostrando che l'algoritmo può impiegare tempo esponenziale, formula_25, a convergere anche per certi insiemi di punti sul piano. D'altra parte, D. Arthur, B. Manthey e H. Roeglin hanno mostrato che la smoothed complexity dell'algoritmo è polinomiale, la qual cosa è a supporto del fatto che l'algoritmo è veloce in pratica. In termini di qualità delle soluzioni, l'algoritmo non garantisce il raggiungimento dell'ottimo globale. La qualità della soluzione finale dipende largamente dal set di cluster iniziale e può, in pratica, ottenere una soluzione ben peggiore dell'ottimo globale. Dato che l'algoritmo è di solito estremamente veloce, è possibile applicarlo più volte e fra le soluzioni prodotte scegliere quella più soddisfacente. Un altro svantaggio dell'algoritmo è che esso richiede di scegliere il numero di cluster(k) da trovare. Se i dati non sono naturalmente partizionati si ottengono risultati strani. Inoltre l'algoritmo funziona bene solo quando sono individuabili cluster sferici nei dati. È possibile applicare l'algoritmo K-means in Matlab utilizzando la funzione kmeans(DATA, N_CLUSTER), che individua N_CLUSTER numeri di cluster nel data set DATA. Il seguente m-file mostra una possibile applicazione dell'algoritmo per la clusterizzazione di immagini basata sui colori. "img_segm.m" La funzione legge l'immagine utilizzando la funzione Matlab imread, che riceve in ingresso il nome del file contenente l'immagine e restituisce una matrice il cui elemento formula_26 contiene il codice di colore del pixel i,j. Successivamente costruisce la matrice delle osservazioni con due semplici cicli for. Viene infine passata in ingresso all'algoritmo di clustering la matrice delle osservazioni e, dopo aver generato le matrici utili per visualizzare i cluster prodotti in un'immagine, queste vengono mostrate a video con la funzione image. Ad esempio, eseguendo il comando: img_segm('kmeans0.jpg',2); si ottiene il seguente risultato:

K-means

In statistica, una correlazione è una relazione tra due variabili tale che a ciascun valore della prima corrisponda un valore della seconda, seguendo una certa regolarità . Il termine apparve per la prima volta in un'opera di Francis Galton, "Hereditary Genius" (1869). Non fu definita in modo più approfondito (la moralità di un individuo e la sua instabilità morale sono non correlate). Otto anni dopo, nel 1877, lo stesso Galton scoprì che i coefficienti di regressione lineare tra X e Y sono gli stessi se - ad entrambe le variabili - viene applicata la deviazione standard σ e σ: Galton utilizzò in realtà lo scarto interquartile, definendo il parametro "coefficiente di co-relazione" e abbreviando "regressione" in "r". In base alle caratteristiche presentate, la correlazione può definirsi: Inoltre, le correlazioni possono essere: Il grado di correlazione tra due variabili viene espresso tramite l'indice di correlazione. Il valore che esso assume è compreso tra −1 (correlazione inversa) e 1 (correlazione diretta e assoluta), con un indice pari a 0 che comporta l'assenza di correlazione; il valore nullo dell'indice non implica, tuttavia, che le variabili siano indipendenti. I coefficienti di correlazione sono derivati dagli indici, tenendo presenti le grandezze degli scostamenti dalla media. In particolare, l'indice di correlazione di Pearson è calcolato come rapporto tra la covarianza delle due variabili e il prodotto delle loro deviazioni standard.: Va comunque notato che gli indici e i coefficienti di correlazione siano da ritenersi sempre approssimativi, a causa dell'arbitrarietà con cui sono scelti gli elementi: ciò è vero, in particolare, nei casi di correlazioni multiple. Contrariamente a quanto si potrebbe intuire, la correlazione non dipende da un rapporto di causa-effetto quanto dalla tendenza di una variabile a cambiare in funzione di un'altra. Le variabili possono essere tra loro dipendenti (per esempio la relazione tra stature dei padri e dei figli) oppure comuni (relazione tra altezza e peso di una persona). Nel cercare una correlazione statistica tra due grandezze, per determinare un possibile rapporto di causa-effetto, essa non deve risultare una correlazione spuria.

Correlazione (statistica)

In teoria della probabilità la probabilità condizionata di un evento "A" rispetto a un evento "B" è la probabilità che si verifichi "A", sapendo che "B" è verificato. Questa probabilità, indicata formula_1 o formula_2, esprime una "correzione" delle aspettative per "A", dettata dall'osservazione di "B". Poiché, come si vedrà nella successiva definizione, formula_3 compare al denominatore, formula_1 ha senso solo se "B" ha una probabilità non nulla di verificarsi. È utile osservare che la notazione con il simbolo "Barra verticale" è comune con la definizione del connettivo logico NAND. Per esempio, la probabilità di ottenere "4" con il lancio di un dado a sei facce (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa Si consideri questo secondo esempio, la probabilità di ottenere "1" con il lancio di un comune dado (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa La probabilità di "A" condizionata da "B" è dove formula_8 è la probabilità congiunta dei due eventi, ovvero la probabilità che si verifichino entrambi. In termini più rigorosi, dato uno spazio misurabile formula_9 di misura "P", ogni evento "B" eredita una struttura di spazio misurato formula_10, restringendo gli insiemi misurabili a quelli contenuti in "B", ed induce una nuova misura formula_11 su formula_9, con formula_13. Se formula_14 è uno spazio probabilizzato (formula_15) e "B" non è trascurabile (formula_16), allora riscalando formula_17 a formula_18 si ottiene lo spazio probabilizzato formula_19 delle probabilità condizionate da "B". La formula della probabilità condizionata permette di descrivere la probabilità congiunta come Ovvero, la probabilità che si verifichino sia "A" sia "B" è pari alla probabilità che si verifichi "B" moltiplicata per la probabilità che si verifichi "A" supponendo che "B" sia verificato. Due eventi "A" e "B" sono indipendenti quando vale una delle tre equazioni equivalenti Per trovare la probabilità dell'evento a destra negato si può usare la seguente formula: formula_24. Se "A" e "B" sono eventi disgiunti, cioè se formula_25, le loro probabilità condizionate sono nulle: sapendo che uno dei due eventi si è verificato, è impossibile che si sia verificato "anche" l'altro. Se l'evento "A" implica l'evento "B", cioè se formula_26, allora la loro intersezione è "A", per cui formula_27 e: Nel caso di una misura di probabilità uniforme su uno spazio Ω finito, questa formula per "P(A|B)" esprime la definizione classica di probabilità come "casi favorevoli ("A") su casi possibili ("B")". Invece, per "P(B|A)" otteniamo il valore 1 che, per un numero finito di valori lo stesso Bayes interpretò in senso lato come la certezza che il tutto sia condizionato dalla parte. La speranza condizionata formula_30 di una variabile aleatoria "X" ad un evento "B" è la speranza di "X" calcolata sulle probabilità formula_31 (condizionate da "B"). La probabilità di un evento "A" può essere condizionata da una variabile aleatoria discreta "X", originando una nuova variabile aleatoria, formula_32, che per "X=x" assume il valore formula_33. Il teorema di Bayes esprime l'uguaglianza simmetrica formula_34 del teorema della probabilità composta come Questo teorema è alla base dell'inferenza bayesiana in statistica, dove "P" è detta "probabilità "a priori" di "B"" e "P" "probabilità "a posteriori" di "B"". Molti paradossi sono legati alla probabilità condizionata e derivano sia da un'errata formulazione del problema sia dalla confusione di "P(A|B)" con "P(A)" o con "P(B|A)". Esempi particolari sono il paradosso delle due buste, il paradosso dei due bambini, il problema di Monty Hall e il paradosso di Simpson.

Probabilità condizionata

In statistica la significatività è la possibilità rilevante che compaia un determinato valore. Ci si riferisce anche come "statisticamente differente da zero"; ciò non significa che la "significatività" sia rilevante, o vasta, come indurrebbe a pensare la parola. Ma solo che è diversa dal numero limite. Il livello di significatività di un test è dato solitamente da una verifica del test d'ipotesi. Nel caso più semplice è definita come la probabilità di accettare o rigettare l'ipotesi nulla. I livelli di significatività sono solitamente rappresentati con la lettera greca α (alfa). I livelli più usati sono 5% (α=0,05) e 1% (α=0,01); nel caso di ipotesi a carattere prevalentemente esplorativo è consuetudine adoperare un livello di significatività al 10% (α=0,1). Se il test di verifica d'ipotesi dà un valore p minore del livello α, l'ipotesi nulla è rifiutata. Tali risultati sono informalmente riportati come 'statisticamente significativi'. Per esempio se si sostiene che "c'è solo una possibilità su mille che ciò possa accadere per coincidenza," viene usato un livello di significatività dello 0,1%. Più basso è il livello di significatività, maggiore è l'evidenza. In alcune situazioni conviene esprimere la significatività statistica con 1 − α. In generale, quando si interpreta una significatività stabilita, bisogna stare attenti nell'indicare che cosa, precisamente è stato testato statisticamente. Differenti livelli di α hanno differenti vantaggi e svantaggi. α-livelli più bassi danno maggiore confidenza nella determinazione della significatività, ma corrono maggiori rischi di errore nel respingere una falsa ipotesi nulla (un errore di tipo II, o "falsa determinazione negativa"), e così hanno maggiore potenza statistica. La selezione di un α-livello inevitabilmente implica un compromesso fra significatività e potenza, e di conseguenza, fra errore tipo I ed errore tipo II. In alcuni campi, per esempio nella fisica nucleare ed in quella delle particelle, si usa esprimere la significatività statistica in unità di "σ" (sigma), la deviazione standard di una distribuzione gaussiana. Una significatività statistica di "formula_1" può essere convertita in un valore di α usando la funzione errore: L'uso di σ è motivato dalla onnipresenza della distribuzione gaussiana nella misura delle incertezze. Per esempio se una teoria prevede che un parametro abbia un valore, ad esempio 100, e ad una misurazione indica che il parametro è 100 ± 3, allora bisogna riportare la misura come una "deviazione 3σ" dalla previsione teorica. in termini di α, questa situazione è equivalente al dire che "supponendo vera la teoria, la possibilità di ottenere che il risultato sperimentale coincida è dello 0,27%" (poiché 1  − erf(3/√2) = 0.0027). Fissati i livelli di significatività come quelli menzionati in seguito possono essere considerati come utili nelle analisi di dati esploratorie. Comunque, la moderna statistica è dell'avviso che, dove il risultato di un test è essenzialmente il risultato finale di un esperimento o di altro studio, il p-valore deve essere considerato esplicitamente. Inoltre, ed è importante, bisogna considerare se e come il p-valore è significativo o meno. Questo consente di accedere al massimo delle informazioni che devono essere trasferiti da un riassunto degli studi nelle meta-analisi. Un errore comune è ritenere che un risultato statisticamente significativo sia sempre di significatività pratica, o dimostri un largo effetto nella popolazione. Sfortunatamente, questo problema si incontra diffusamente negli scritti scientifici. Dato un campione sufficientemente grande, per esempio, si può scoprire che differenze estremamente piccole e non visibili sono statisticamente significative, ma la significatività statistica non dice niente di una significatività pratica di una differenza. Uno dei problemi più comuni nel testare la significatività è la tendenza delle comparazioni multiple a tendere a significative differenze spurie anche dove l'ipotesi nulla è vera. Per esempio, in uno studio di venti comparazioni, usando un α-livello del 5%, una comparazione può effettivamente riportare un risultato significativo nonostante sia vera l'ipotesi di nullità. in questi casi i p-valori sono corretti al fine di controllare o il valore falso o l'errore familiare. Un problema addizionale è che si ritiene che le analisi frequentiste dei p-valori esagerino la ""significatività statistica"". Si veda il fattore di Bayes per i dettagli. J. Scott Armstrong, negli articoli "Significance Tests Harm Progress in Forecasting," e "Statistical Significance Tests are Unnecessary Even When Properly Done," espone la sua posizione secondo cui in alcuni casi, seppure eseguiti correttamente, i test di significatività statistica non sarebbero utili. A suo parere, un certo numero di tentativi ha fallito nel trovare prove empiriche che sostenessero l'uso di test di significatività, ed i test di significatività statistica usati da soli potrebbero essere nocivi allo sviluppo della conoscenza scientifica perché distrarrebbero i ricercatori dall'uso di metodi statistici in alcuni casi più adatti. Armstrong suggerisce quindi che secondo lui i ricercatori dovrebbero evitare i test di significatività statistica, e dovrebbero piuttosto fare uso di strumenti di area di effetto, intervalli di fiducia, ripetizioni/estensioni, e meta-analisi. La significatività statistica può essere considerata come la fiducia che si ha in un dato risultato. In uno studio di comparazione, essa dipende dalla differenza relativa tra i gruppi confrontati, la quantità delle misurazioni e il rumore associato alle misurazioni. In altre parole, la fiducia che si ha che un dato risultato sia non casuale (cioè non una conseguenza di un caso) dipende dal rapporto segnale-rumore (SNR) e misura campione. Esprimendosi matematicamente, la fiducia che un risultato non sia casuale è dato dalla seguente formula di Sackett: Per chiarezza, la succitata formula è rappresentata tabularmente qui di seguito. Dipendenza della fiducia con rumore, segnale e misura campione (forma tabulare) In parole la dipendenza di una fiducia è maggiore se il rumore è basso o la misura campione è estesa o l'ampiezza effettiva (del segnale) è larga. La fiducia di un risultato (e l'associato intervallo di fiducia) "non" dipende dagli effetti della sola ampiezza effettiva del segnale. Se la misura campione è grande e il rumore e piccolo un'ampiezza effettiva di segnale può essere misurata con grande fiducia. Sebbene un'ampiezza effettiva viene considerata importante essa dipende nel contesto degli eventi comparati. In medicina, piccole ampiezze effettive (riflesse da piccoli aumenti di rischio) sono spesso considerate clinicamente rilevanti e sono frequentemente usati per guidare decisioni di trattamento (se c'è una grande fiducia in essi). Sebbene un dato trattamento è considerato un giusto tentativo esso dipende dai rischi, dai benefici e dai costi.

Significatività

Un'ipotesi nulla (in inglese "null hypothesis," che significa letteralmente ipotesi zero) è un'affermazione sulla distribuzione di probabilità di una o più variabili casuali. Si intende per ipotesi nulla l'affermazione secondo la quale non ci sia differenza oppure non vi sia relazione tra due fenomeni misurati, o associazione tra due gruppi. Solitamente viene assunta vera finché non si trova evidenza che la confuti. Nel test statistico viene verificata in termini probabilistici la validità di un'ipotesi statistica, detta appunto ipotesi nulla, di solito indicata con "H". Attraverso una funzione dei dati campionari si decide se accettare l'ipotesi nulla o meno. Nel caso l'ipotesi nulla venga rifiutata si accetterà l'ipotesi alternativa, indicata con "H". Se si rifiuta un'ipotesi nulla che nella realtà è vera allora si dice che si è commesso un errore di prima specie (o falso positivo). Accettando invece un'ipotesi nulla falsa si commette un errore di seconda specie (o falso negativo). L'ipotesi può essere di tipo funzionale se riferita alla forma della f (x;θ) con f funzione di densità o di probabilità, o parametrica se riferita al vettore incognito θ. L'ipotesi è semplice quando specifica completamente la f (x;θ). Nel caso un'ipotesi non sia semplice si dirà composta. Quando si considera un solo parametro l'ipotesi semplice è del tipo θ=θ, dove θ è un valore particolare. Un'ipotesi è unilaterale se è del tipo θ > θ oppure del tipo θ < θ. Un'ipotesi è bilaterale se è del tipo θ ≠ θ oppure del tipo θ < θ e θ > θ.

Ipotesi nulla

In statistica la significatività è la possibilità rilevante che compaia un determinato valore. Ci si riferisce anche come "statisticamente differente da zero"; ciò non significa che la "significatività" sia rilevante, o vasta, come indurrebbe a pensare la parola. Ma solo che è diversa dal numero limite. Il livello di significatività di un test è dato solitamente da una verifica del test d'ipotesi. Nel caso più semplice è definita come la probabilità di accettare o rigettare l'ipotesi nulla. I livelli di significatività sono solitamente rappresentati con la lettera greca α (alfa). I livelli più usati sono 5% (α=0,05) e 1% (α=0,01); nel caso di ipotesi a carattere prevalentemente esplorativo è consuetudine adoperare un livello di significatività al 10% (α=0,1). Se il test di verifica d'ipotesi dà un valore p minore del livello α, l'ipotesi nulla è rifiutata. Tali risultati sono informalmente riportati come 'statisticamente significativi'. Per esempio se si sostiene che "c'è solo una possibilità su mille che ciò possa accadere per coincidenza," viene usato un livello di significatività dello 0,1%. Più basso è il livello di significatività, maggiore è l'evidenza. In alcune situazioni conviene esprimere la significatività statistica con 1 − α. In generale, quando si interpreta una significatività stabilita, bisogna stare attenti nell'indicare che cosa, precisamente è stato testato statisticamente. Differenti livelli di α hanno differenti vantaggi e svantaggi. α-livelli più bassi danno maggiore confidenza nella determinazione della significatività, ma corrono maggiori rischi di errore nel respingere una falsa ipotesi nulla (un errore di tipo II, o "falsa determinazione negativa"), e così hanno maggiore potenza statistica. La selezione di un α-livello inevitabilmente implica un compromesso fra significatività e potenza, e di conseguenza, fra errore tipo I ed errore tipo II. In alcuni campi, per esempio nella fisica nucleare ed in quella delle particelle, si usa esprimere la significatività statistica in unità di "σ" (sigma), la deviazione standard di una distribuzione gaussiana. Una significatività statistica di "formula_1" può essere convertita in un valore di α usando la funzione errore: L'uso di σ è motivato dalla onnipresenza della distribuzione gaussiana nella misura delle incertezze. Per esempio se una teoria prevede che un parametro abbia un valore, ad esempio 100, e ad una misurazione indica che il parametro è 100 ± 3, allora bisogna riportare la misura come una "deviazione 3σ" dalla previsione teorica. in termini di α, questa situazione è equivalente al dire che "supponendo vera la teoria, la possibilità di ottenere che il risultato sperimentale coincida è dello 0,27%" (poiché 1  − erf(3/√2) = 0.0027). Fissati i livelli di significatività come quelli menzionati in seguito possono essere considerati come utili nelle analisi di dati esploratorie. Comunque, la moderna statistica è dell'avviso che, dove il risultato di un test è essenzialmente il risultato finale di un esperimento o di altro studio, il p-valore deve essere considerato esplicitamente. Inoltre, ed è importante, bisogna considerare se e come il p-valore è significativo o meno. Questo consente di accedere al massimo delle informazioni che devono essere trasferiti da un riassunto degli studi nelle meta-analisi. Un errore comune è ritenere che un risultato statisticamente significativo sia sempre di significatività pratica, o dimostri un largo effetto nella popolazione. Sfortunatamente, questo problema si incontra diffusamente negli scritti scientifici. Dato un campione sufficientemente grande, per esempio, si può scoprire che differenze estremamente piccole e non visibili sono statisticamente significative, ma la significatività statistica non dice niente di una significatività pratica di una differenza. Uno dei problemi più comuni nel testare la significatività è la tendenza delle comparazioni multiple a tendere a significative differenze spurie anche dove l'ipotesi nulla è vera. Per esempio, in uno studio di venti comparazioni, usando un α-livello del 5%, una comparazione può effettivamente riportare un risultato significativo nonostante sia vera l'ipotesi di nullità. in questi casi i p-valori sono corretti al fine di controllare o il valore falso o l'errore familiare. Un problema addizionale è che si ritiene che le analisi frequentiste dei p-valori esagerino la ""significatività statistica"". Si veda il fattore di Bayes per i dettagli. J. Scott Armstrong, negli articoli "Significance Tests Harm Progress in Forecasting," e "Statistical Significance Tests are Unnecessary Even When Properly Done," espone la sua posizione secondo cui in alcuni casi, seppure eseguiti correttamente, i test di significatività statistica non sarebbero utili. A suo parere, un certo numero di tentativi ha fallito nel trovare prove empiriche che sostenessero l'uso di test di significatività, ed i test di significatività statistica usati da soli potrebbero essere nocivi allo sviluppo della conoscenza scientifica perché distrarrebbero i ricercatori dall'uso di metodi statistici in alcuni casi più adatti. Armstrong suggerisce quindi che secondo lui i ricercatori dovrebbero evitare i test di significatività statistica, e dovrebbero piuttosto fare uso di strumenti di area di effetto, intervalli di fiducia, ripetizioni/estensioni, e meta-analisi. La significatività statistica può essere considerata come la fiducia che si ha in un dato risultato. In uno studio di comparazione, essa dipende dalla differenza relativa tra i gruppi confrontati, la quantità delle misurazioni e il rumore associato alle misurazioni. In altre parole, la fiducia che si ha che un dato risultato sia non casuale (cioè non una conseguenza di un caso) dipende dal rapporto segnale-rumore (SNR) e misura campione. Esprimendosi matematicamente, la fiducia che un risultato non sia casuale è dato dalla seguente formula di Sackett: Per chiarezza, la succitata formula è rappresentata tabularmente qui di seguito. Dipendenza della fiducia con rumore, segnale e misura campione (forma tabulare) In parole la dipendenza di una fiducia è maggiore se il rumore è basso o la misura campione è estesa o l'ampiezza effettiva (del segnale) è larga. La fiducia di un risultato (e l'associato intervallo di fiducia) "non" dipende dagli effetti della sola ampiezza effettiva del segnale. Se la misura campione è grande e il rumore e piccolo un'ampiezza effettiva di segnale può essere misurata con grande fiducia. Sebbene un'ampiezza effettiva viene considerata importante essa dipende nel contesto degli eventi comparati. In medicina, piccole ampiezze effettive (riflesse da piccoli aumenti di rischio) sono spesso considerate clinicamente rilevanti e sono frequentemente usati per guidare decisioni di trattamento (se c'è una grande fiducia in essi). Sebbene un dato trattamento è considerato un giusto tentativo esso dipende dai rischi, dai benefici e dai costi.

Significatività

Una rete neurale feed-forward ("rete neurale con flusso in avanti") o rete feed-forward è una rete neurale artificiale dove le connessioni tra le unità non formano cicli, differenziandosi dalle reti neurali ricorrenti. Questo tipo di rete neurale fu la prima e più semplice tra quelle messe a punto. In questa rete neurale le informazioni si muovono solo in una direzione, avanti, rispetto a nodi d'ingresso, attraverso nodi nascosti (se esistenti) fino ai nodi d'uscita. Nella rete non ci sono cicli. Le reti feed-forward non hanno memoria di input avvenuti a tempi precedenti, per cui l'output è determinato solamente dall'attuale input. La più semplice rete feed-forward è il "percettrone a singolo strato" (SLP dall'inglese single layer perceptron), utilizzato verso la fine degli anni '60. Un SLP è costituito da un strato in ingresso, seguito direttamente dall'uscita. Ogni unità di ingresso è collegata ad ogni unità di uscita. In pratica questo tipo di rete neurale ha un solo strato che effettua l'elaborazione dei dati, e non presenta nodi nascosti, da cui il nome. Gli SLP sono molto limitati a causa del piccolo numero di connessioni e dell'assenza di gerarchia nelle caratteristiche che la rete può estrarre dai dati (questo significa che è capace di combinare i dati in ingresso una sola volta). Famosa fu la dimostrazione che un SLP non riesce neanche a rappresentare la funzione XOR. Questo risultato, apparso nel 1969, scoraggiò i ricercatori e bloccò la ricerca sulle reti neurali per diversi anni. Questa classe di reti feedforward si distingue dalla precedente dal fatto che tra lo strato di input e quello di output abbiamo uno o più strati di neuroni nascosti (hidden layers). Ogni strato ha connessioni entranti dal precedente strato e uscenti in quello successivo, quindi la propagazione del segnale avviene in avanti senza cicli e senza connessioni trasversali. Questo tipo di architettura fornisce alla rete una prospettiva globale in quanto aumentano le interazioni tra neuroni.

Rete neurale feed-forward

Nel campo dell'apprendimento automatico, una rete neurale artificiale (in inglese "artificial neural network", abbreviato in ANN o anche come NN) è un modello computazionale composto di "neuroni" artificiali, ispirato vagamente dalla semplificazione di una rete neurale biologica. Questi modelli matematici sono troppo semplici per ottenere una comprensione delle reti neurali biologiche, ma sono utilizzati per tentare di risolvere problemi ingegneristici di intelligenza artificiale come quelli che si pongono in diversi ambiti tecnologici (in elettronica, informatica, simulazione, e altre discipline). Una rete neurale artificiale può essere realizzata sia da programmi software che da hardware dedicato (DSP, "Digital Signal Processing"). Questa branca può essere utilizzata in congiunzione alla logica fuzzy. L'ampia varietà di modelli non può prescindere dal costituente di base, il neurone artificiale proposto da W.S. McCulloch e Walter Pitts in un famoso lavoro del 1943: ""A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity"", il quale schematizza un combinatore lineare a soglia, con dati binari multipli in entrata e un singolo dato binario in uscita: un numero opportuno di tali elementi, connessi in modo da formare una rete, è in grado di calcolare semplici funzioni booleane. Le prime ipotesi di apprendimento furono introdotte da D. O. Hebb nel libro del 1949: ""The organization of behavior"", nel quale vengono proposti collegamenti con i modelli complessi del cervello. Nel 1958, J. Von Neumann nella sua opera ""The computer and the brain"" esamina le soluzioni proposte dai precedenti autori sottolineando la scarsa precisione che queste strutture possedevano per potere svolgere operazioni complesse. Nello stesso anno, Frank Rosenblatt nel libro "Psychological review" introduce il primo schema di rete neurale, detto "Perceptron" (percettrone), antesignano delle attuali reti neurali, per il riconoscimento e la classificazione di forme, allo scopo di fornire un'interpretazione dell'organizzazione generale dei sistemi biologici. Il modello probabilistico di Rosenblatt è quindi mirato all'analisi, in forma matematica, di funzioni quali l'immagazzinamento delle informazioni, e della loro influenza sul riconoscimento dei pattern; esso costituisce un progresso decisivo rispetto al modello binario di McCulloch e Pitts, perché i suoi pesi sinaptici sono variabili e quindi il percettrone è in grado di apprendere. L'opera di Rosenblatt stimola una quantità di studi e ricerche che dura per un decennio, e suscita un vivo interesse e notevoli aspettative nella comunità scientifica, destinate tuttavia ad essere notevolmente ridimensionate allorché nel 1969 Marvin Minsky e Seymour A. Papert, nell'opera ""An introduction to computational geometry"", mostrano i limiti operativi delle semplici reti a due strati basate sul percettrone, e dimostrano l'impossibilità di risolvere per questa via molte classi di problemi, ossia tutti quelli non caratterizzati da separabilità lineare delle soluzioni: questo tipo di rete neurale non è abbastanza potente: non è infatti neanche in grado di calcolare la funzione "or esclusivo" (XOR). A causa di queste limitazioni, al periodo di euforia dovuto ai primi risultati della cibernetica (come veniva chiamata negli anni sessanta) segue un periodo di diffidenza durante il quale tutte le ricerche in questo campo non ricevono più alcun finanziamento dal governo degli Stati Uniti d'America; le ricerche sulle reti tendono, di fatto, a ristagnare per oltre un decennio, e l'entusiasmo iniziale risulta fortemente ridimensionato. Il contesto matematico per addestrare le reti MLP ("Multi-Layers Perceptron", ossia percettrone multistrato) fu stabilito dal matematico americano Paul Werbos nella sua tesi di dottorato (Ph.D.) del 1974. Non fu dato molto peso al suo lavoro tanto fu forte la confutazione dimostrata da Minsky e Papert anni prima, e solo l'intervento di J. J. Hopfield, nel 1982, che in un suo lavoro studia dei modelli di riconoscimento di pattern molto generali, si oppose in modo diretto alla confutazione di Minsky riaprendo così degli spiragli per la ricerca in questo campo. Uno dei metodi più noti ed efficaci per l'addestramento di tale classe di reti neurali è il cosiddetto algoritmo di retropropagazione dell'errore (error backpropagation), proposto nel 1986 da David E. Rumelhart, G. Hinton e R. J. Williams, il quale modifica sistematicamente i pesi delle connessioni tra i nodi, così che la risposta della rete si avvicini sempre di più a quella desiderata. Tale lavoro fu prodotto riprendendo il modello creato da Werbos. L'algoritmo di retropropagazione ("backpropagation" o BP) è una tecnica d'apprendimento tramite esempi, costituente una generalizzazione dell'algoritmo d'apprendimento per il percettrone sviluppato da Rosenblatt nei primi anni '60. Mediante questa tecnica era possibile, come detto, trattare unicamente applicazioni caratterizzabili come funzioni booleane linearmente separabili. L'algoritmo di apprendimento si basa sul metodo della discesa del gradiente che permette di trovare un minimo locale di una funzione in uno spazio a N dimensioni. I pesi associati ai collegamenti tra gli strati di neuroni si inizializzano a valori piccoli (ovvero molto inferiori ai valori reali che poi assumeranno) e casuali e poi si applica la regola di apprendimento presentando alla rete dei pattern di esempio. Queste reti neurali sono poi capaci di generalizzare in modo appropriato, cioè di dare risposte plausibili per input che non hanno mai visto. L'addestramento di une rete neurale di tipo BP avviene in due diversi stadi: "forward-pass" e "backward-pass". Nella prima fase i vettori in input sono applicati ai nodi in ingresso con una propagazione in avanti dei segnali attraverso ciascun livello della rete ("forward-pass"). Durante questa fase i valori dei pesi sinaptici sono tutti fissati. Nella seconda fase la risposta della rete viene confrontata con l'uscita desiderata ottenendo il segnale d'errore. L'errore calcolato è propagato nella direzione inversa rispetto a quella delle connessioni sinaptiche. I pesi sinaptici infine sono modificati in modo da minimizzare la differenza tra l'uscita attuale e l'uscita desiderata ("backward-pass"). Tale algoritmo consente di superare le limitazioni del percettrone e di risolvere il problema della separabilità non lineare (e quindi di calcolare la funzione XOR), segnando il definitivo rilancio delle reti neurali, come testimoniato anche dall'ampia varietà d'applicazioni commerciali: attualmente la BP rappresenta un algoritmo di largo uso in molti campi applicativi. Una rete neurale artificiale (ANN ""Artificial Neural Network"" in inglese), normalmente chiamata solo "rete neurale" (NN ""Neural Network"" in inglese), è un modello matematico/informatico di calcolo basato sulle reti neurali biologiche. Tale modello è costituito da un gruppo di interconnessioni di informazioni costituite da neuroni artificiali e processi che utilizzano un approccio di connessionismo di calcolo. Nella maggior parte dei casi una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la propria struttura in base a informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete stessa durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Una rete neurale artificiale riceve segnali esterni su uno strato di nodi (unità di elaborazione) d'ingresso, ciascuno dei quali è collegato con numerosi nodi interni, organizzati in più livelli. Ogni nodo elabora i segnali ricevuti e trasmette il risultato a nodi successivi. Il concetto di rete neurale si pone perché una funzione formula_1 è definita come una composizione di altre funzioni formula_2, che possono a loro volta essere ulteriormente definite come composizione di altre funzioni. Questo può essere comodamente rappresentato come una struttura di reti, con le frecce raffiguranti le dipendenze tra variabili. Una rappresentazione ampiamente utilizzata è la somma ponderata non lineare, dove formula_3, dove formula_4 è una funzione predefinita, come ad esempio la tangente iperbolica. Sarà conveniente per le seguenti far riferimento ad un insieme di funzioni come un vettore formula_5. La Figura 1 esemplifica una decomposizione della funzione formula_6, con dipendenze tra le variabili indicate dalle frecce. Queste possono essere interpretate in due modi: I due punti di vista sono in gran parte equivalenti. In entrambi i casi, per questa particolare architettura di rete, i componenti dei singoli strati sono indipendenti l'uno dall'altro (ad esempio, le componenti di formula_8 sono indipendenti l'una dall'altra, dato il loro ingresso formula_15). Questo, naturalmente, permette un certo grado di parallelismo nella costruzione del sistema. Reti, come ad esempio quelle precedenti vengono comunemente chiamate ""feedforward"", perché il loro è un grafico aciclico diretto. Reti con cicli al loro interno sono comunemente chiamati reti ricorrenti. Tali reti sono comunemente raffigurate nel modo indicato nella parte superiore della Figura 2, dove la funzione formula_6 è mostrata come dipendente su se stessa. Tuttavia, vi è una dipendenza temporale implicita che non è possibile dimostrare. Questo significa in pratica che il valore di formula_6 ad un certo punto nel tempo formula_18 dipende dai valori di formula_6 al tempo zero o su uno o più altri punti temporali. Il modello del grafico nella parte inferiore della Figura 2 illustra il caso in cui il valore di formula_6 al tempo formula_18 dipende solo dal suo valore finale. Tuttavia la funzionalità più interessante di queste funzioni, ciò che ha attirato l'interesse e lo studio per la maggior parte delle reti neurali, è la possibilità di apprendimento, che in pratica significa la seguente: Ciò comporta la definizione di una funzione di costo formula_24 tale che, per la soluzione ottimale formula_25 formula_26 nessuna soluzione ha un costo inferiore al costo della soluzione ottimale. La funzione di costo formula_27 è un concetto importante nell'apprendimento, poiché si tratta di una misura di quanto è lontana da noi la soluzione ottimale del problema che vogliamo risolvere. Quindi vi sono una serie di algoritmi di apprendimento che cercano nello spazio delle soluzioni al fine di trovare una funzione che abbia il minor costo possibile. Per applicazioni in cui la soluzione dipende da alcuni dati, il costo deve essere necessariamente funzione delle osservazioni. Mentre è possibile definire per alcune reti una funzione di costo ad hoc, spesso si può utilizzare una particolare funzione di costo poiché gode delle proprietà desiderate (ad esempio, la convessità), o perché proviene da una particolare formulazione del problema (vale a dire, in una formulazione probabilistica, la probabilità a posteriori del modello può essere utilizzata come l'inverso del costo). In ultima analisi, la funzione di costo dipenderà dal compito. Vi sono tre grandi paradigmi di apprendimento, ciascuno corrispondente ad un particolare compito astratto di apprendimento. Si tratta dell'apprendimento supervisionato, apprendimento non supervisionato e l'apprendimento per rinforzo. Di solito un tipo di architettura di rete può essere impiegato in qualsiasi di tali compiti. L'algoritmo di apprendimento hebbiano (1984) si basa sul semplice principio che se due neuroni si attivano contemporaneamente, la loro interconnessione deve essere rafforzata. formula_28 dove formula_29, dove formula_30 è l'formula_31 ingresso e formula_32 è il tasso di apprendimento formula_33. La regola di Hebb è la seguente: l'efficacia di una particolare sinapsi cambia se e solo se c'è un'intensa attività simultanea dei due neuroni, con un'alta trasmissione di input nella sinapsi in questione. Esempio di procedura: In questo modo le connessioni possono solo irrobustirsi. Le connessioni si considerano irrobustite quando le unità presinaptica e postsinaptica sono d'accordo, altrimenti si indeboliscono. Si considerano funzioni bipolari (-1,1) invece che booleane (0,1). Le reti neurali si basano principalmente sulla simulazione di neuroni artificiali opportunamente collegati. Il modello rappresentato in figura è quello proposto da McCulloch e Pitts. I suddetti neuroni ricevono in ingresso degli stimoli e li elaborano. L'elaborazione può essere anche molto sofisticata ma in un caso semplice si può pensare che i singoli ingressi vengano moltiplicati per un opportuno valore detto peso, il risultato delle moltiplicazioni viene sommato e se la somma supera una certa soglia il neurone si attiva attivando la sua uscita. Il peso indica l'efficacia sinaptica della linea di ingresso e serve a quantificarne l'importanza, un ingresso molto importante avrà un peso elevato, mentre un ingresso poco utile all'elaborazione avrà un peso inferiore. Si può pensare che se due neuroni comunicano fra loro utilizzando maggiormente alcune connessioni allora tali connessioni avranno un peso maggiore, fino a che non si creeranno delle connessioni tra l'ingresso e l'uscita della rete che sfruttano "percorsi preferenziali". Tuttavia è sbagliato pensare che la rete finisca col produrre un unico percorso di connessione: tutte le combinazioni infatti avranno un certo peso, e quindi contribuiscono al collegamento ingresso/uscita. Il modello in figura rappresenta una classica rete neurale pienamente connessa. I singoli neuroni vengono collegati alla schiera di neuroni successivi, in modo da formare una rete di neuroni. Normalmente una rete è formata da tre strati. Nel primo abbiamo gli ingressi (I), questo strato si preoccupa di trattare gli ingressi in modo da adeguarli alle richieste dei neuroni. Se i segnali in ingresso sono già trattati può anche non esserci. Il secondo strato è quello nascosto (H, "hidden"), si preoccupa dell'elaborazione vera e propria e può essere composto anche da più colonne di neuroni. Il terzo strato è quello di uscita (O) e si preoccupa di raccogliere i risultati ed adattarli alle richieste del blocco successivo della rete neurale. Queste reti possono essere anche molto complesse e coinvolgere migliaia di neuroni e decine di migliaia di connessioni. Per costruire la struttura di una rete neurale multistrato si possono inserire formula_38 strati "hidden." L'efficacia di generalizzare di una rete neurale multistrato dipende ovviamente dall'addestramento che ha ricevuto e dal fatto di essere riuscita o meno ad entrare in un minimo locale buono. L'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation") è utilizzato nell'apprendimento con supervisione. Esso permette di modificare i pesi delle connessioni in modo tale che si minimizzi una certa funzione errore E. Tale funzione dipende dal vettore h-esimo di output formula_39 restituito dalla rete, dato il vettore h-esimo di ingresso formula_40 e dal vettore h-esimo di output formula_41che noi desideriamo (che fa parte del training set). Il training set è dunque un insieme di N coppie di vettori formula_42, con formula_43. La funzione errore che si deve minimizzare si può scrivere come: formula_44 dove l'indice k rappresenta il valore corrispondente al k-esimo neurone di output. E(w) è una funzione dipendente dai pesi (che in generale variano nel tempo), per minimizzarla si può usare l'algoritmo della discesa del gradiente ("gradient descent"). L'algoritmo parte da un punto generico formula_45 e calcola il gradiente formula_46. Il gradiente dà la direzione verso cui muoversi lungo la quale si ha il massimo incremento (o decremento se considero formula_47). Definita la direzione ci si muove di una distanza formula_32 predefinita a priori e si trova un nuovo punto formula_49 sul quale è calcolato nuovamente il gradiente. Si continua iterativamente finché il gradiente non è nullo. L'algoritmo di backpropagation può essere diviso in due passi: I passi logici per addestrare una rete neurale con apprendimento supervisionato sono i seguenti: Per l'addestramento di reti neurali profonde, impiegando dataset molto vasti, la discesa del gradiente classica risulta computazionalmente proibitiva, per cui nell'ottimizzare i parametri del modello si fa tipicamente uso dell'algoritmo di discesa stocastica del gradiente. Nel 1982, il fisico John J. Hopfield pubblica un articolo fondamentale in cui presenta un modello matematico comunemente noto appunto come rete di Hopfield: tale rete si distingue per "l'emergere spontaneo di nuove capacità computazionali dal comportamento collettivo di un gran numero di semplici elementi d'elaborazione". Le proprietà collettive del modello producono una memoria associativa per il riconoscimento di configurazioni corrotte e il recupero di informazioni mancanti. Inoltre, Hopfield ritiene che ogni sistema fisico possa essere considerato come un potenziale dispositivo di memoria, qualora esso disponga di un certo numero di stati stabili, i quali fungano da attrattore per il sistema stesso. Sulla base di tale considerazione, egli si spinge a formulare la tesi secondo cui la stabilità e la collocazione di tali attrattori sono proprietà spontanee di sistemi costituiti, come accennato, da considerevoli quantità di neuroni reciprocamente interagenti. Le applicazioni delle reti di Hopfield riguardano principalmente la realizzazione di memorie associative, resistenti all'alterazione delle condizioni operative, e la soluzione di problemi d'ottimizzazione combinatoriale. Da un punto di vista strutturale, la rete di Hopfield costituisce una rete neurale ricorrente simmetrica, di cui è garantita la convergenza. Una rete ricorrente è un modello neurale in cui è presente un flusso bidirezionale d'informazioni; in altri termini, mentre nelle reti di tipo feedforward la propagazione dei segnali avviene unicamente, in maniera continua, nella direzione che conduce dagli ingressi alle uscite, nelle reti ricorrenti tale propagazione può anche manifestarsi da uno strato neurale successivo ad uno precedente, oppure tra neuroni appartenenti ad uno stesso strato, e persino tra un neurone e sé stesso. Un significativo e noto esempio di semplice rete ricorrente è dovuto a Jeffrey L. Elman (1990). Essa costituisce una variazione sul tema del percettrone multistrato, con esattamente tre strati e l'aggiunta di un insieme di neuroni "contestuali" nello strato d'ingresso. Le connessioni retroattive si propagano dallo strato intermedio (e nascosto) a tali unità contestuali, alle quali si assegna peso costante e pari all'unità. In ciascun istante, gli ingressi si propagano nel modo tradizionale e tipico delle reti feedforward, compresa l'applicazione dell'algoritmo d'apprendimento (solitamente la "backpropagation"). Le connessioni retroattive fisse hanno come effetto quello di mantenere una copia dei precedenti valori dei neuroni intermedi, dal momento che tale flusso avviene sempre prima della fase d'apprendimento. In questo modo la rete di Elman tiene conto del suo stato precedente, cosa che le consente di svolgere compiti di previsione di sequenze temporali che sono difficilmente alla portata dei percettroni multistrato convenzionali. Infine, un ultimo interessante tipo di rete è costituita dalla cosiddetta mappa auto-organizzante o rete SOM ("Self-Organizing Map"). Tale innovativo tipo di rete neurale è stata elaborata da Teuvo Kohonen dell'Università Tecnologica di Helsinki; il suo algoritmo d'apprendimento è senza dubbio una brillante formulazione di apprendimento non supervisionato, e ha dato luogo a un gran numero di applicazioni nell'ambito dei problemi di classificazione. Una mappa o rete SOM è basata essenzialmente su un reticolo o griglia di neuroni artificiali i cui pesi sono continuamente adattati ai vettori presentati in ingresso nel relativo insieme di addestramento. Tali vettori possono essere di dimensione generica, anche se nella maggior parte delle applicazioni essa è piuttosto alta. Per ciò che riguarda le uscite della rete, al contrario, ci si limita di solito ad una dimensione massima pari a tre, il che consente di dare luogo a mappe 2D o 3D. In termini più analitici, l'algoritmo può essere agevolmente descritto, come accennato, nei termini di un insieme di neuroni artificiali, ciascuno con una precisa collocazione sulla mappa rappresentativa degli "output", che prendono parte ad un processo noto come "winner takes all" ("Il vincitore piglia tutto"), al termine del quale il nodo avente un vettore di pesi più vicino ad un certo "input" è dichiarato vincitore, mentre i pesi stessi sono aggiornati in modo da avvicinarli al vettore in ingresso. Ciascun nodo ha un certo numero di nodi adiacenti. Quando un nodo vince una competizione, anche i pesi dei nodi adiacenti sono modificati, secondo la regola generale che più un nodo è lontano dal nodo vincitore, meno marcata deve essere la variazione dei suoi pesi. Il processo è quindi ripetuto per ogni vettore dell'insieme di "training", per un certo numero, solitamente grande, di cicli. Va da sé che ingressi diversi producono vincitori diversi. Operando in tal modo, la mappa riesce alfine ad associare i nodi d'uscita con i gruppi o schemi ricorrenti nell'insieme dei dati in ingresso. Se questi schemi sono riconoscibili, essi possono essere associati ai corrispondenti nodi della rete addestrata. In maniera analoga a quella della maggioranza delle reti neurali artificiali, anche la mappa o rete SOM può operare in due distinte modalità: In generale una ANN ("Attractor Neural Network") è una rete di nodi (es: biologicamente ispirati), spesso interconnessi in modo ricorsivo, la cui dinamica nel tempo stabilisce un assestamento in un particolare modo di oscillazione. Questo modo di oscillazione può essere stazionario, variante nel tempo o di tipo stocastico ed è chiamato il suo 'attrattore'. In neuroscienza teorica diversi tipi di reti ad attrattori sono state associate a differenti funzioni, come: memoria, attenzione, condotta del moto e classificazione. Più precisamente, una rete ad attrattori è una rete di N nodi connessi in modo che la loro intera dinamica diventi stabile in uno spazio D dimensionale, dove solitamente N»D. Ciò assume che non vi sia più input dall'esterno del sistema. La stabilità nello stato ad attrattore indica l'esistenza di uno stato stabile in una qualche varietà algebrica (es: linea, cerchio, piano, toroide). L'utilità dei modelli di rete neurale sta nel fatto che queste possono essere usate per comprendere una funzione utilizzando solo le osservazioni sui dati. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni in cui la complessità dei dati o la difficoltà di elaborazione rende la progettazione di una tale funzione impraticabile con i normali procedimenti di analisi manuale. I compiti a cui le reti neurali sono applicate possono essere classificate nelle seguenti grandi categorie di applicazioni: Le aree di applicazione includono i sistemi di controllo (controllo di veicoli, controllo di processi), simulatori di giochi e processi decisionali (backgammon, scacchi), riconoscimento di pattern (sistemi radar, identificazione di volti, riconoscimento di oggetti, ecc), riconoscimenti di sequenze (riconoscimento di gesti, riconoscimento vocale, OCR), diagnosi medica, applicazioni finanziarie, data mining, filtri spam per e-mail. Le reti neurali per come sono costruite lavorano in parallelo e sono quindi in grado di trattare molti dati. Si tratta in sostanza di un sofisticato sistema di tipo statistico dotato di una buona immunità al rumore; se alcune unità del sistema dovessero funzionare male, la rete nel suo complesso avrebbe delle riduzioni di prestazioni ma difficilmente andrebbe incontro ad un blocco del sistema. I software di ultima generazione dedicati alle reti neurali richiedono comunque buone conoscenze statistiche; il grado di apparente utilizzabilità immediata non deve trarre in inganno, pur permettendo all'utente di effettuare subito previsioni o classificazioni, seppure con i limiti del caso. Da un punto di vista industriale, risultano efficaci quando si dispone di dati storici che possono essere trattati con gli algoritmi neurali. Ciò è di interesse per la produzione perché permette di estrarre dati e modelli senza effettuare ulteriori prove e sperimentazioni. I modelli prodotti dalle reti neurali, anche se molto efficienti, non sono spiegabili in linguaggio simbolico umano: i risultati vanno accettati "così come sono", da cui anche la definizione inglese delle reti neurali come "black box": in altre parole, a differenza di un sistema algoritmico, dove si può esaminare passo-passo il percorso che dall'input genera l'output, una rete neurale è in grado di generare un risultato valido, o comunque con una alta probabilità di essere accettabile, ma non è possibile spiegare come e perché tale risultato sia stato generato. Come per qualsiasi algoritmo di modellazione, anche le reti neurali sono efficienti solo se le variabili predittive sono scelte con cura. Non sono in grado di trattare in modo efficiente variabili di tipo categorico (per esempio, il nome della città) con molti valori diversi. Necessitano di una fase di addestramento del sistema che fissi i pesi dei singoli neuroni e questa fase può richiedere molto tempo, se il numero dei record e delle variabili analizzate è molto grande. Non esistono teoremi o modelli che permettano di definire la rete ottima, quindi la riuscita di una rete dipende molto dall'esperienza del creatore. Le reti neurali vengono solitamente usate in contesti dove i dati possono essere parzialmente errati oppure dove non esistano modelli analitici in grado di affrontare il problema. Un loro tipico utilizzo è nei software di OCR, nei sistemi di riconoscimento facciale e più in generale nei sistemi che si occupano di trattare dati soggetti a errori o rumore. Esse sono anche uno degli strumenti maggiormente utilizzati nelle analisi di Data mining. Le reti neurali vengono anche utilizzate come mezzo per previsioni nell'analisi finanziaria o meteorologica. Negli ultimi anni è aumentata notevolmente la loro importanza anche nel campo della bioinformatica nel quale vengono utilizzate per la ricerca di pattern funzionali e/o strutturali in proteine e acidi nucleici. Mostrando opportunamente una lunga serie di input (fase di training o apprendimento), la rete è in grado di fornire l'output più probabile. Negli ultimi anni inoltre sono in corso studi per il loro utilizzo nella previsione degli attacchi Epilettici (Analisi dei Dati provenienti dall' EEG). Recenti studi hanno dimostrato buone potenzialità delle reti neurali in sismologia per la localizzazione di epicentri di terremoti e predizione della loro intensità.

Rete neurale artificiale

In statistica la significatività è la possibilità rilevante che compaia un determinato valore. Ci si riferisce anche come "statisticamente differente da zero"; ciò non significa che la "significatività" sia rilevante, o vasta, come indurrebbe a pensare la parola. Ma solo che è diversa dal numero limite. Il livello di significatività di un test è dato solitamente da una verifica del test d'ipotesi. Nel caso più semplice è definita come la probabilità di accettare o rigettare l'ipotesi nulla. I livelli di significatività sono solitamente rappresentati con la lettera greca α (alfa). I livelli più usati sono 5% (α=0,05) e 1% (α=0,01); nel caso di ipotesi a carattere prevalentemente esplorativo è consuetudine adoperare un livello di significatività al 10% (α=0,1). Se il test di verifica d'ipotesi dà un valore p minore del livello α, l'ipotesi nulla è rifiutata. Tali risultati sono informalmente riportati come 'statisticamente significativi'. Per esempio se si sostiene che "c'è solo una possibilità su mille che ciò possa accadere per coincidenza," viene usato un livello di significatività dello 0,1%. Più basso è il livello di significatività, maggiore è l'evidenza. In alcune situazioni conviene esprimere la significatività statistica con 1 − α. In generale, quando si interpreta una significatività stabilita, bisogna stare attenti nell'indicare che cosa, precisamente è stato testato statisticamente. Differenti livelli di α hanno differenti vantaggi e svantaggi. α-livelli più bassi danno maggiore confidenza nella determinazione della significatività, ma corrono maggiori rischi di errore nel respingere una falsa ipotesi nulla (un errore di tipo II, o "falsa determinazione negativa"), e così hanno maggiore potenza statistica. La selezione di un α-livello inevitabilmente implica un compromesso fra significatività e potenza, e di conseguenza, fra errore tipo I ed errore tipo II. In alcuni campi, per esempio nella fisica nucleare ed in quella delle particelle, si usa esprimere la significatività statistica in unità di "σ" (sigma), la deviazione standard di una distribuzione gaussiana. Una significatività statistica di "formula_1" può essere convertita in un valore di α usando la funzione errore: L'uso di σ è motivato dalla onnipresenza della distribuzione gaussiana nella misura delle incertezze. Per esempio se una teoria prevede che un parametro abbia un valore, ad esempio 100, e ad una misurazione indica che il parametro è 100 ± 3, allora bisogna riportare la misura come una "deviazione 3σ" dalla previsione teorica. in termini di α, questa situazione è equivalente al dire che "supponendo vera la teoria, la possibilità di ottenere che il risultato sperimentale coincida è dello 0,27%" (poiché 1  − erf(3/√2) = 0.0027). Fissati i livelli di significatività come quelli menzionati in seguito possono essere considerati come utili nelle analisi di dati esploratorie. Comunque, la moderna statistica è dell'avviso che, dove il risultato di un test è essenzialmente il risultato finale di un esperimento o di altro studio, il p-valore deve essere considerato esplicitamente. Inoltre, ed è importante, bisogna considerare se e come il p-valore è significativo o meno. Questo consente di accedere al massimo delle informazioni che devono essere trasferiti da un riassunto degli studi nelle meta-analisi. Un errore comune è ritenere che un risultato statisticamente significativo sia sempre di significatività pratica, o dimostri un largo effetto nella popolazione. Sfortunatamente, questo problema si incontra diffusamente negli scritti scientifici. Dato un campione sufficientemente grande, per esempio, si può scoprire che differenze estremamente piccole e non visibili sono statisticamente significative, ma la significatività statistica non dice niente di una significatività pratica di una differenza. Uno dei problemi più comuni nel testare la significatività è la tendenza delle comparazioni multiple a tendere a significative differenze spurie anche dove l'ipotesi nulla è vera. Per esempio, in uno studio di venti comparazioni, usando un α-livello del 5%, una comparazione può effettivamente riportare un risultato significativo nonostante sia vera l'ipotesi di nullità. in questi casi i p-valori sono corretti al fine di controllare o il valore falso o l'errore familiare. Un problema addizionale è che si ritiene che le analisi frequentiste dei p-valori esagerino la ""significatività statistica"". Si veda il fattore di Bayes per i dettagli. J. Scott Armstrong, negli articoli "Significance Tests Harm Progress in Forecasting," e "Statistical Significance Tests are Unnecessary Even When Properly Done," espone la sua posizione secondo cui in alcuni casi, seppure eseguiti correttamente, i test di significatività statistica non sarebbero utili. A suo parere, un certo numero di tentativi ha fallito nel trovare prove empiriche che sostenessero l'uso di test di significatività, ed i test di significatività statistica usati da soli potrebbero essere nocivi allo sviluppo della conoscenza scientifica perché distrarrebbero i ricercatori dall'uso di metodi statistici in alcuni casi più adatti. Armstrong suggerisce quindi che secondo lui i ricercatori dovrebbero evitare i test di significatività statistica, e dovrebbero piuttosto fare uso di strumenti di area di effetto, intervalli di fiducia, ripetizioni/estensioni, e meta-analisi. La significatività statistica può essere considerata come la fiducia che si ha in un dato risultato. In uno studio di comparazione, essa dipende dalla differenza relativa tra i gruppi confrontati, la quantità delle misurazioni e il rumore associato alle misurazioni. In altre parole, la fiducia che si ha che un dato risultato sia non casuale (cioè non una conseguenza di un caso) dipende dal rapporto segnale-rumore (SNR) e misura campione. Esprimendosi matematicamente, la fiducia che un risultato non sia casuale è dato dalla seguente formula di Sackett: Per chiarezza, la succitata formula è rappresentata tabularmente qui di seguito. Dipendenza della fiducia con rumore, segnale e misura campione (forma tabulare) In parole la dipendenza di una fiducia è maggiore se il rumore è basso o la misura campione è estesa o l'ampiezza effettiva (del segnale) è larga. La fiducia di un risultato (e l'associato intervallo di fiducia) "non" dipende dagli effetti della sola ampiezza effettiva del segnale. Se la misura campione è grande e il rumore e piccolo un'ampiezza effettiva di segnale può essere misurata con grande fiducia. Sebbene un'ampiezza effettiva viene considerata importante essa dipende nel contesto degli eventi comparati. In medicina, piccole ampiezze effettive (riflesse da piccoli aumenti di rischio) sono spesso considerate clinicamente rilevanti e sono frequentemente usati per guidare decisioni di trattamento (se c'è una grande fiducia in essi). Sebbene un dato trattamento è considerato un giusto tentativo esso dipende dai rischi, dai benefici e dai costi.

Significatività

Il test di verifica d'ipotesi si utilizza per verificare la bontà di un'ipotesi. Per ipotesi è da intendersi un'affermazione che ha come oggetto accadimenti nel mondo reale, che si presta ad essere confermata o smentita dai dati osservati sperimentalmente. Il metodo con cui si valuta l'attendibilità di un'ipotesi è il metodo sperimentale. Quest'ultimo consiste nel determinare le conseguenze di un'ipotesi in termini di eventi osservabili, e di valutare se la realtà effettivamente osservata si accorda o meno con l'ipotesi su di essa fatta. A tal riguardo si distinguono due ambiti in cui tale attività si esplica: Nell'ambito statistico, a seconda delle ipotesi si distingue tra: Nel primo caso, si tende a pervenire a delle conclusioni più sicure possibili. Ad esempio volendo provare se in un circuito elettrico passa corrente si inserirà una lampadina o un amperometro e si constaterà l'accensione o l'attivazione dello strumento. In tal caso si perviene con maggior sicurezza alla conclusione. Se la lampadina si accende allora passa corrente; in caso contrario il circuito non è predisposto correttamente. In questo ambito, se nel circuito passa corrente la maggior parte delle volte che si inserisce una lampadina questa si accende. In caso contrario il ripetuto inserimento della lampadina darà sempre esito negativo. Nel secondo caso la situazione è modificata in quanto interviene un elemento nuovo, ovvero il caso e/o l'errore di misura. Si supponga di avere una moneta recante due facce contrassegnate con testa e croce. Volendo verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta si eseguono 20 lanci e si contano quelli che danno esito testa. La conseguenza del bilanciamento consiste nell'osservare un valore di teste attorno a 10. Tuttavia anche in ipotesi di bilanciamento non si può escludere di osservare 20 teste. D'altronde, l'ipotesi di bilanciamento è logicamente compatibile con un numero di teste variante da 0 a 20. In tale contesto una qualsiasi decisione in merito all'ipotesi da verificare comporta un rischio di errore. Ad esempio rigettare l'ipotesi di bilanciamento della moneta avendo osservato 20 teste su 20 lanci comporta il rischio di prendere una decisione errata. Nel procedere alla verifica dell'ipotesi di bilanciamento della moneta, si ricorre a una variabile casuale X. Tale variabile casuale X è una variabile aleatoria discreta con distribuzione binomiale B(20; 0,5), dove 20 indica il numero di lanci e 0,5 la probabilità che si verifichi l'evento "testa". Il risultato sperimentale si deve quindi confrontare con tale distribuzione: quanto è distante tale risultato dal valore medio della distribuzione B(20; 0,5)? Per rispondere alla domanda si deve individuare un valore caratteristico della distribuzione B(20; 0,5). Nel nostro caso tale valore caratteristico è il valore medio 20/2 = 10. Per valutare la distanza tra il valore sperimentale e quello atteso si valuta la probabilità di ottenere un valore sperimentale lontano dal valore medio di B(20; 0,5), ossìa nel caso che dal nostro esperimento risulti X=15 (15 teste dopo 20 lanci), si calcola P{|X-10|>=15-10} quindi P{X<=5 oppure X>=15}=0,041. Quindi, usando una moneta ben bilanciata, la probabilità di ottenere un numero di teste X >= 15 (oppure X <= 5) dopo 20 lanci è pari a 0,041 ossia al 4,1%. Giudicando bassa tale probabilità si rifiuterà l'ipotesi di bilanciamento della moneta in esame, accettando quindi il rischio del 4,1% di compiere un errore nel rifiutarla. Di solito, il valore della probabilità adottato per rifiutare l'ipotesi nulla è < 0,05. Tale valore è detto livello di significatività ed è definibile come segue: il livello di significatività sotto l'ipotesi nulla è la probabilità di cadere nella zona di rifiuto quando l'ipotesi nulla è vera. Tale livello di significatività si indica convenzionalmente con α. Il livello di significatività osservato α del test per il quale si rifiuterebbe l'ipotesi nulla è detto valore-p ("p-value"). Riprendendo l'esempio sopra riportato il valore-p è pari a 0,041. Adottando nell'esempio α = 0,05, si rifiuterà l'ipotesi se P{|X-10|>=x}<0,05. Tale condizione si raggiunge appunto se X<6 oppure X>14. Tale insieme di valori si definisce convenzionalmente come regione di rifiuto. Viceversa l'insieme { 6,7…14} si definisce regione di accettazione. In questo modo si è costruita una regola di comportamento per verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta. Tale regola definisce il test statistico. In termini tecnici l'ipotesi da verificare si chiama ipotesi nulla e si indica con "H", mentre l'ipotesi alternativa con "H". Nel caso della moneta, se "p" è la probabilità di ottenere testa in un lancio la verifica di ipotesi si traduce nel seguente sistema: Come già osservato, il modo di condurre un test statistico comporta un rischio di errore. Nella pratica statistica si individuano due tipi di errori: Tornando all'esempio della moneta in cui la regione di accettazione è data dall'insieme di valori {6..14}, la probabilità di rifiutare H quando è vera è stato calcolato pari a 0,041.Tale probabilità rappresenta il rischio di incorrere in un errore di primo tipo e si indica con α. Per valutare la probabilità di un errore di secondo tipo è necessario specificare un valore di "p" in caso di verità di H. Si supponga che p=0,80, in tal caso la distribuzione di X è una B(20;0,80) Con tale distribuzione di probabilità, l'errore di tipo "2" si calcola sommando le probabilità relative ai valori di X della zona di accettazione, ciò supponendo H vera. Si trova quindi che la probabilità cercata è pari a circa 0,20. Tale probabilità quantifica il rischio di incorrere nell'errore di tipo "2." e si indica convenzionalmente con β. La quantità 1-β si chiama "potenza del test" ed esprime quindi la capacità di un test statistico di riconoscere la falsità di H quando questa è effettivamente falsa. La potenza del test trova applicazione nella pratica statistica in fase di pianificazione di un esperimento.

Test di verifica d'ipotesi

In statistica bayesiana, la probabilità a posteriori di un evento aleatorio o di una proposizione incerta, è la probabilità condizionata che è assegnata dopo che si è tenuto conto dell'informazione rilevante o degli antefatti relativi a tale evento aleatorio o a tale proposizione incerta. Similmente, la distribuzione di probabilità a posteriori è la distribuzione di una quantità incognita, trattata come una variabile casuale, condizionata sull'informazione posta in evidenza da un esperimento o da un processo di raccolta di informazione rilevanti (es. un'ispezione, un'indagine conoscitiva, ecc.). La probabilità a posteriori è la probabilità dei parametri formula_1 data la conoscenza di formula_2: formula_3. Essa differisce dalla funzione di verosimiglianza, che è la probabilità di possedere una data conoscenza una volta dati i parametri: formula_4. I due concetti sono però tra loro collegati: Supponiamo di avere una credenza a priori che la funzione di distribuzione di probabilità sia formula_5 e i dati osservati formula_2 con una verosimiglianza formula_4, allora la probabilità a posteriori è definita come La probabilità a posteriori può essere scritta in una forma mnemonica come Consideriamo una scuola mista composta dal 60% di ragazzi e dal 40% di ragazze. Le ragazze indossano pantaloni o gonne in numeri eguali, i ragazzi indossano tutti pantaloni. Un osservatore vede da distante uno studente (a caso); tutto quello che può dire è che indossa pantaloni. Qual è la probabilità che lo studente sia una ragazza? La risposta corretta può essere dedotta applicando il teorema di Bayes. L'evento "G" è quello in cui lo studente visto è una ragazza, e l'evento "T" è quello in cui lo studente visto indossa pantaloni. Per calcolare P("G"|"T") abbiamo prima bisogno di sapere: Una volta ottenute tutte queste informazioni, la probabilità che l'osservatore abbia individuato una ragazza una volta visto uno studente che indossa pantaloni può essere calcolata sostituendo i valori nella formula: La distribuzione di probabilità a posteriori di una variabile casuale dato il valore di un'altra, può essere calcolata con il teorema di Bayes moltiplicando la distribuzione di probabilità a priori per la funzione di verosimiglianza, e quindi dividendo per una costante di normalizzazione come segue: la quale fornisce la funzione di densità di probabilità per una variabile casuale "X" una volta dato "Y" = "y", dove Nell'ambito della classificazione statistica le probabilità a posteriori riflettono l'incertezza nell'assegnare un'osservazione ad una classe particolare. Mentre i metodi di classificazione statistica per definizione generano probabilità a posteriori, gli apprenditori automatici solitamente forniscono valori di appartenenza che non inducono alcuna confidenza di tipo probabilistico. È desiderabile trasformare o convertire i valori di appartenenza a valori di probabilità di appartenenza ad una certa classe in quanto tali classi sono, in confronto ai primi, di più facile trattamento in susseguenti elaborazioni.

Probabilità a posteriori

Nell'ambito dell'inferenza statistica bayesiana, una distribuzione di probabilità a priori, detta spesso anche distribuzione a priori, di una quantità incognita "p" (per esempio, supponiamo "p" essere la proporzione di votanti che voteranno per il politico Rossi in un'elezione futura) è la distribuzione di probabilità che esprimerebbe l'incertezza di "p" prima che i "dati" (per esempio, un sondaggio di opinione) siano presi in considerazione. Il proposito è di attribuire incertezza piuttosto che casualità a una quantità incerta. La quantità incognita può essere un parametro o una variabile latente. Si applica il teorema di Bayes, moltiplicando la distribuzione a priori per la funzione di verosimiglianza e quindi normalizzando, per ottenere la distribuzione di probabilità a posteriori, la quale è la distribuzione condizionata della quantità incerta una volta ottenuti i dati. Spesso una distribuzione a priori è l'accertamento soggettivo (elicitazione) di una persona esperta. Quando possibile, alcuni sceglieranno una "distribuzione a priori coniugata" per rendere più semplice il calcolo della distribuzione a posteriori. I parametri di una distribuzione a priori sono chiamati "iperparametri", per distinguerli dai parametri del modello dei dati sottostanti. Per esempio, se si sta usando una distribuzione beta per modellare la distribuzione di un parametro "p" di una distribuzione di Bernoulli, allora: Una "distribuzione a priori informativa" esprime una specifica, definita informazione circa una variabile. Un esempio è la distribuzione a priori per la temperatura di domattina. Un approccio ragionevole è costruire la distribuzione a priori come una distribuzione normale con valore atteso uguale alla temperatura mattutina di oggi, con una varianza uguale alla varianza giorno per giorno della temperatura atmosferica, oppure come una distribuzione della temperatura per quel tal giorno dell'anno. Questo esempio ha una proprietà in comune con molte distribuzioni a priori, ovvero che la distribuzione a posteriori di un problema (temperatura odierna) diventa la distribuzione a priori per un altro problema (temperatura di domani); l'evidenza preesistente, che è già stata tenuta in conto, è parte della distribuzione a priori e come ulteriore evidenza viene accumulata. La distribuzione a priori è largamente determinata dall'evidenza piuttosto che da qualche assunzione originale, sempre che l'assunzione originale ammetta la possibilità (ossia sia compatibile) con quello che l'evidenza suggerisce. I termini "a priori" e "a posteriori" sono generalmente relativi a un dato o un'osservazione specifica. Una "distribuzione a priori non informativa" esprime vaghezza o informazione a carattere generale circa una variabile. Il termine "non informativa" può essere un po' fuorviante; spesso, tale tipo di distribuzione è chiamata "a priori non molto informativa", oppure "a priori oggettiva", cioè una distribuzione che non è soggettivamente esplicitata. Le distribuzioni a priori non informative possono esprimere informazione "oggettiva" come ad esempio "la variabile è positiva" oppure "la variabile è minore di tal limite". La più semplice e vecchia regola per determinare una distribuzione a priori non informativa è il principio d'indifferenza, il quale assegna a tutti gli eventi uguale probabilità. In problemi di stima parametrica, l'uso di una distribuzione a priori non informativa dà risultati che sono non troppo differenti dall'analisi statistica convenzionale. Questo accade in quanto la funzione di verosimiglianza fornisce la parte maggiore dell'informazione rispetto a quella fornita dalla distribuzione a priori non informativa nel determinare una distribuzione a posteriori. Vari tentativi sono stati fatti per trovare probabilità a priori, cioè distribuzioni di probabilità in un certo senso logicamente richieste dalla natura di uno stato di incertezza; queste sono soggette a controversia filosofica, con i sostenitori del metodo bayesiano approssimativamente divisi in due scuole: i "bayesiani oggettivistici", che credono che tali distribuzioni a priori esistano in molte situazioni, e i "bayesiani soggettivisti" che credono che in pratica le distribuzioni a priori rappresentino giudizi di opinione che non possono essere rigorosamente giustificati. Per la maggiore le più forti argomentazioni a favore della scuola oggettivistica furono date da Edwin T. Jaynes. Come esempio di una distribuzione a priori, dovuta a, consideriamo una situazione in cui sappiamo che una pallina è nascosta sotto una di tre tazze rovesciate, A, B o C, ma nessun'altra informazione è disponibile circa la sua posizione. In questo caso una distribuzione a priori uniforme di formula_1 sembra intuitivamente verosimile la sola scelta ragionevole. Più formalmente, noi possiamo vedere che il problema rimane lo stesso se scambiamo le lettere identificative "A", "B" e "C" delle tazze. Sarebbe perciò strano scegliere una distribuzione a priori per la quale una permutazione delle lettere causerebbe un cambio nella nostra predizione circa la posizione dove la pallina sarà trovata; la distribuzione a priori uniforme è la sola che preserva questa invarianza. Se si accetta questo principio di invarianza allora si può vedere che la distribuzione a priori uniforme è la distribuzione logicamente corretta che rappresenta questo stato di conoscenza a priori. Si avrà notato che questa distribuzione a priori è "oggettiva" nel senso di essere la scelta corretta per rappresentare un particolare stato di conoscenza, ma non è oggettiva nel senso di essere una caratteristica del sistema osservato indipendente dall'osservatore: in realtà la pallina esiste sotto una specifica tazza e in questa situazione ha solo senso parlare di probabilità se c'è un osservatore con una conoscenza limitata del sistema ossia della posizione della pallina sotto le tazze. Come esempio più controverso, Jaynes pubblicò un argomento basato sui gruppi di Lie suggerente che la distribuzione a priori rappresentante in maniera completa l'incertezza sarebbe la distribuzione a priori di Haldane "p"(1 − "p"). L'esempio fornito da Jaynes è quello di trovare un chimico in un laboratorio e di chiedergli di eseguire ripetutamente degli esperimenti di dissoluzione in acqua. La distribuzione a priori di Haldane da prevalentemente la maggiore probabilità agli eventi formula_2 and formula_3, indicando che il campione ogni volta si scioglierà oppure no, con uguale probabilità. Tuttavia se sono stati osservati campioni non disciogliersi in un esperimento e disciogliersi in un altro, allora questa distribuzione a priori è aggiornata alla distribuzione uniforme sull'intervallo [0, 1]. Questo risultato si ottiene applicando il teorema di Bayes all'insieme di dati consistente in un'osservazione di dissoluzione e una di non dissoluzione, usando la distribuzione a priori precedente. sulla base che essa fornisce una distribuzione a posteriori impropria che pone il 100% del contenuto di probabilità sia a "p" = 0 o a "p" = 1 se un numero finito di esperimenti ha dato lo stesso risultato (ad esempio il discioglimento). La distribuzione a priori di Jeffreys "p"(1 − "p") è perciò preferita ("cfr." sotto). Se lo spazio parametrico X è dotato di una struttura di gruppo naturale che lascia invariato il nostro stato di conoscenza bayesiano, allora la distribuzione a priori può essere costruita proporzionale alla Misura di Haar. Questo può essere visto come una generalizzazione del principio di invarianza che giustificava la distribuzione a priori uniforme dell'esempio delle tre tazze visto sopra. Per esempio, in fisica ci si aspetta che un esperimento dia i medesimi risultati indipendentemente dalla scelta dell'origine del sistema di coordinate. Questo induce la struttura gruppale del gruppo delle traslazioni su "X", il quale determina la distribuzione di probabilità a priori come una distribuzione a priori impropria costante. Analogamente alcuni sistemi fisici presentano un'invarianza di scala (ossia i risultati sperimentali sono indipendenti dal fatto che, ad esempio, usiamo centimetri o pollici). In tal caso il gruppo di scala è la struttura di gruppo naturale, e la corrispondente distribuzione a priori su "X" è proporzionale a 1/"x". Qualche volta risulta importante se viene usata la misura di Haar invariante a sinistra piuttosto che quella invariante a destra. Per esempio, le misure di Haar invarianti a destra e a sinistra sul gruppo affine non sono uguali. Berger (1985, p. 413) arguisce che la scelta corretta è la misura di Haar invariante a destra. Un'altra idea, supportata da Edwin T. Jaynes, è di usare il principio di massima entropia (MAXENT). La motivazione è che l'entropia di Shannon di una distribuzione di probabilità misura l'ammontare di informazione contenuta nella distribuzione. Maggiore è l'entropia, minore è l'informazione fornita dalla distribuzione. Perciò, mediante la massimizzazione dell'entropia sopra un adeguato insieme di distribuzioni di probabilità su "X", si trova la distribuzione che è meno informativa nel senso che essa contiene il minore ammontare di informazione consistente con le costrizioni definite dall'insieme scelto. Per esempio, la distribuzione a priori di massima entropia su uno spazio discreto, dato solo il fatto che la probabilità è normalizzata a 1, è la distribuzione a priori che assegna uguale probabilità ad ogni stato. Mentre nel caso continuo, la distribuzione a priori di massima entropia con densità normalizzata, media nulla e varianza unitaria, è la ben nota distribuzione normale. Il principio di minima entropia incrociata generalizza il principio di massima entropia al caso di "aggiornamento" di una distribuzione a priori arbitraria con adeguate costrizioni nel senso di massima entropia. Un'idea collegata, la distribuzione a priori di riferimento, fu introdotta da José-Miguel Bernardo. Qui l'idea è di massimizzare il valore atteso della divergenza di Kullback–Leibler della distribuzione a posteriori rispetto alla distribuzione a priori. Questo massimizza l'informazione attesa riguardante "X" quando la densità a priori è "p"("x"); perciò, in un certo senso, "p"("x") è la distribuzione a priori "meno informativa" riguardo X. La distribuzione a priori di riferimento è definita nel limite asintotico, cioè si considera il limite delle distribuzioni a priori così ottenute come il numero di dati va all'infinito. Nei problemi multivariati spesso vengono scelte come distribuzioni a priori oggettive le distribuzioni a priori di riferimento, dato che altre scelte (ad esempio la regola di Jeffreys possono portare a distribuzioni a priori dal comportamento problematico. Distribuzioni a priori oggettive possono anche essere derivate da altri principi, come le teorie dell'informazione o le teorie della codifica (vedi ad esempio lunghezza di descrizione minima) oppure della statistica frequentista. Problemi filosofici legati alle distribuzioni a priori non informative sono associati alla scelta di una metrica appropriata o scala di misurazione. Supponiamo di volere una distribuzione a priori per la valocità di un corridore a noi sconosciuto. Potremmo specificare, diciamo, per la sua velocità una distribuzione a priori di tipo normale, ma in alternativa potremmo specificare una distribuzione a priori normale per il tempo impiegato a percorrere 100 metri, il quale è proporzionale al reciproco della prima distribuzione a priori. Queste due distribuzioni a priori sono effettivamente differenti, ma non è chiaro quale delle due preferire. Il metodo, spesso sopravvalutato, di trasformazione dei gruppi di Jaynes può rispondere a tale questione in varie situazioni. In maniera simile, se ci è chiesto di stimare una proporzione incognita tra 0 e 1, noi possiamo affermare che tutte le proporzioni sono ugualmente probabili ed usare una distribuzione a priori uniforme. Alternativamente, potremmo dire che tutti gli ordini di grandezza per la proporzione sono ugualmente probabili, e scegliere la distribuzione a priori logaritmica, la quale è la distribuzione a priori uniforme sul logaritmo della proporzione. La distribuzione a priori di Jeffreys tenta di risolvere questo problema calcolando una distribuzione a priori che esprime la medesima credenza indipendentemente dalla metrica utilizzata. La distribuzione a priori di Jeffreys per una proporzione incognita "p" è "p"(1 − "p"), che differisce da quella raccomandata da Jaynes. Distribuzioni a priori basate sulla nozione di probabilità algoritmica vengono impiegate nel campo dell'inferenza induttiva come base induttiva in configurazioni del tutto generali. Problemi pratici associati con le distribuzioni a priori non informative includono il requisito che la distribuzione a posteriori sia propria. Le distribuzioni a priori non informative su variabili continue, non limitate sono improprie. Questo non è necessariamente un problema se la distribuzione a posteriori è propria. Un altro argomento importante è quello in cui se una distribuzione a priori non informativa viene usata in maniera regolare, cioè con svariati insiemi di dati, allora essa avrebbe buone proprietà frequentiste. Normalmente un bayesiano non dovrebbe porsi questo problema, ma potrebbe essere importante farlo in questa situazione. Per esempio, uno potrebbe volere che qualsiasi regola di decisione basata sulla distribuzione a posteriori sia ammissibile sotto la funzionedi perdita adottata. Sfortunatamente, l'ammissibilità è difficile da verificare, nonostante vari risultati siano noti ("cfr." ad esempio, Berger and Strawderman, 1996). Il problema è particolarmente acuto con i modelli di Bayes gerarchici; le distribuzioni a priori usuali (ad esempio la distribuzione a priori di Jeffreys) possono dare regole di decisione praticamente inammissibili se impiegate ai livelli gerarchici più elevati. Se il teorema di Bayes viene scritto come allora è chiaro che si otterrebbe il medesimo risultato se tutte le probabilità a priori "P"("A") e "P"("A") fossero moltiplicate per una data costante; lo stesso sarebbe vero per una variabile casuale continua. Se la sommatoria al denominatore converge, le probabilità a posteriori sommeranno (o integreranno) ancora a 1 anche se i valori della distribuzione a priori non lo fanno, e in tal modo può solo essere necessario richiedere alle distribuzioni a priori di essere specificate nella proporzione corretta. Spingendo oltre questa idea, in molti casi non è neanche richiesto che la somma o l'integrale dei valori della distribuzione a priori sia finita per ottenere risposte significative circa le probabilità a posteriori. Quando questo è il caso, la distribuzione a priori è chiamata distribuzione a priori impropria. Tuttavia, se la distribuzione a priori è impropria, allora non è necessario che la distribuzione a posteriori sia propria. Questo è chiaro nella situazione in cui l'evento "B" è indipendente da tutti gli altri eventi "A". Vari statistici usano le distribuzioni a priori improprie come distribuzioni a priori non informative. Per esempio, se hanno bisogno di una distribuzione a priori per la media e la varianza di una variabile casuale, allora essi assumono "p"("m", "v") ~ 1/"v" (per "v" > 0) il che suggerirebbe che qualsiasi valore per la media è "ugualmente probabile" e che un valore per la varianza positiva diventa "meno probabile" in proporzione inversa al suo valore. Molti autori (Lindley, 1973; De Groot, 1937; Kass and Wasserman, 1996) mettono in guardia contro il pericolo di sovra-interpretare tali distribuzioni a priori poiché non sono densità di probabilità. La loro sola rilevanza che esse hanno si trova nella distribuzione a posteriori corrispondente, fintanto che questa è ben definita per tutte le osservazioni. (La distribuzione a priori di Haldane è un tipico controesempio.) Esempi di distribuzioni a priori includono: Il concetto di probabilità algoritmica fornisce una via per specificare la probabilità delle distribuzioni a priori basata sulla complessità relativa di modelli presi in considerazione e tra loro alternativi.

Distribuzione di probabilità a priori

Un algoritmo genetico è un algoritmo euristico utilizzato per tentare di risolvere problemi di ottimizzazione per i quali non si conoscono altri algoritmi efficienti di complessità lineare o polinomiale. L'aggettivo "genetico", ispirato al principio della selezione naturale ed evoluzione biologica teorizzato nel 1859 da Charles Darwin, deriva dal fatto che, al pari del modello evolutivo darwiniano che trova spiegazioni nella branca della biologia detta genetica, gli algoritmi genetici attuano dei meccanismi concettualmente simili a quelli dei processi biochimici scoperti da questa scienza. In sintesi gli algoritmi genetici consistono in algoritmi che permettono di valutare diverse soluzioni di partenza (come se fossero diversi individui biologici) e che ricombinandole (analogamente alla riproduzione biologica sessuata) ed introducendo elementi di disordine (analogamente alle mutazioni genetiche casuali) producono nuove soluzioni (nuovi individui) che vengono valutate scegliendo le migliori (selezione ambientale) nel tentativo di convergere verso soluzioni "di ottimo". Ognuna di queste fasi di ricombinazione e selezione si può chiamare generazione come quelle degli esseri viventi. Nonostante questo utilizzo nell'ambito dell'ottimizzazione, data la natura intrinsecamente casuale dell'algoritmo genetico, non vi è modo di sapere a priori se sarà effettivamente in grado di trovare una soluzione accettabile al problema considerato. Se si otterrà un soddisfacente risultato, non è detto che si capisca perché abbia funzionato, in quanto non è stato progettato da nessuno ma da una procedura casuale. Gli algoritmi genetici rientrano nello studio dell'intelligenza artificiale e più in particolare nella branca della "computazione evolutiva", vengono studiati e sviluppati all'interno del campo dell'intelligenza artificiale e delle tecniche di soft computing, ma trovano applicazione in un'ampia varietà di problemi afferenti a diversi contesti quali l'elettronica, la biologia e l'economia. La nascita degli algoritmi genetici trova origine dalle prime teorizzazioni di Ingo Rechenberg che, per la prima volta, nel 1960, cominciò a parlare di "strategie evoluzionistiche" all'interno dell'informatica. La vera prima creazione di un algoritmo genetico è tuttavia storicamente attribuita a John Henry Holland che, nel 1975, nel libro "Adaptation in Natural and Artificial Systems" pubblicò una serie di teorie e di tecniche tuttora di fondamentale importanza per lo studio e lo sviluppo della materia. Agli studi di Holland si deve infatti sia il teorema che assicura la convergenza degli algoritmi genetici verso soluzioni ottimali sia il cosiddetto teorema degli schemi, conosciuto anche come "teorema fondamentale degli algoritmi genetici". Quest'ultimo teorema fu originariamente pensato e dimostrato su ipotesi di codifica binaria ma nel 1991, Wright, l'ha estesa a casi di codifica con numeri reali dimostrando anche che una tale codifica è preferibile nel caso di problemi continui d'ottimizzazione. Enormi contributi si devono anche a John Koza che nel 1992 inventò la programmazione genetica ossia l'applicazione degli algoritmi genetici alla produzione di software in grado di evolvere diventando capace di svolgere compiti che in origine non era in grado di svolgere. Nel 1995 Stewart Wilson re-inventò i sistemi a classificatori dell'intelligenza artificiale ri-denominandoli come XCS e rendendoli capaci di apprendere attraverso le tecniche degli algoritmi genetici mentre nel 1998 Herrera e Lozano presentarono un'ampia rassegna di operatori genetici. Gli operatori di Herrera e Lozano sono applicabili a soluzioni codificate mediante numeri reali ed hanno reso il campo dei numeri reali un'appropriata e consolidata forma di rappresentazione per gli algoritmi genetici in domini continui. Prima dell'effettiva spiegazione del funzionamento degli algoritmi genetici, è necessario premettere che questi ereditano e riadattano dalla biologia alcune terminologie che vengono qui preventivamente presentate per una successiva maggiore chiarezza espositiva: Un tipico algoritmo genetico, nel corso della sua esecuzione, provvede a fare evolvere delle soluzioni secondo il seguente schema di base: L'iterazione dei passi presentati permette l'evoluzione verso una soluzione ottimizzata del problema considerato. Poiché questo algoritmo di base soffre del fatto che alcune soluzioni ottime potrebbero essere perse durante il corso dell'evoluzione e del fatto che l'evoluzione potrebbe ricadere e stagnare in "ottimi locali" spesso viene integrato con la tecnica dell'"elitarismo" e con quella delle mutazioni casuali. La prima consiste in un ulteriore passo precedente al punto "3" che copia nelle nuove popolazioni anche gli individui migliori della popolazione precedente, la seconda invece successiva al punto "4" introduce nelle soluzioni individuate delle occasionali mutazioni casuali in modo da permettere l'uscita da eventuali ricadute in ottimi locali. Come accennato le soluzioni al problema considerato, siano queste quelle casuali di partenza o quelle derivate da evoluzione, devono essere codificate con qualche tecnica. Le codifiche più diffuse sono: All'interno della codifica vettoriale è giusto introdurre anche i concetti di "schema" e di "blocchi costruttori" strettamente legati poi al teorema degli schemi di Holland. La funzione di fitness è quella che permette di associare ad ogni soluzione uno o più parametri legati al modo in cui quest'ultima risolve il problema considerato. Generalmente è associata alle prestazioni computazionali e quindi alle prestazioni temporali della soluzione. A causa di complessi fenomeni di interazione non lineare (epistaticità), non è dato per scontato né che da due soluzioni promettenti ne nasca una terza più promettente né che da due soluzioni con valori di fitness basso ne venga generata una terza con valore di fitness più basso. Per ovviare a questi problemi, durante la scelta delle soluzioni candidate all'evoluzione, oltre che sul parametro ottenuto dalla funzione di fitness ci si basa anche su particolari tecniche di "selezione". Le più comuni sono: Per semplicità, durante la spiegazione del crossover, si farà riferimento alle codifiche vettoriali ma il procedimento per le codifiche ad albero è simile ed invece che essere applicato ai campi dei vettori viene applicato ai nodi dell'albero. In base ad un operatore stabilito inizialmente, alcune parti dei geni delle soluzioni candidate all'evoluzione vengono mescolate per ricavare nuove soluzioni. Gli operatori più comunemente utilizzati sono: Non è detto che il crossover debba avvenire ad ogni iterazione dell'algoritmo genetico. Generalmente la frequenza di crossover è regolata da un apposito parametro comunemente denominato formula_9. La mutazione consiste nella modifica pseudocasuale di alcune parti dei geni in base a coefficienti definiti inizialmente. Queste modifiche alle volte sono utilizzate per migliorare il valore della funzione di fitness per la soluzione in questione e altre volte sono utilizzate per ampliare lo spazio di ricerca ed attuare la tecnica dell'elitarismo per non far ricadere l'evoluzione in ottimi locali. La frequenza con cui deve avvenire una mutazione è generalmente regolata da un apposito parametro comunemente denominato formula_10. Nel caso in cui si abbia più di un obiettivo da ottimizzare, è possibile utilizzare un algoritmo genetico multiobiettivo. Sostanzialmente l'algoritmo funziona come quando va a perseguire un singolo obiettivo, quindi parte sempre da un certo numero di possibili soluzioni (la popolazione) e cerca di individuare, mediante diverse iterazioni, un certo numero di soluzioni ottimali, che si andranno a trovare su un fronte di Pareto. La diversità sta nel fatto che ora esistono due o più funzioni fitness da valutare. In questa sezione verranno analizzati ed affrontati dei problemi didattici per mostrare come si applica un algoritmo genetico. Il problema dello zaino consiste nel riuscire ad inserire in uno zaino con una certa capienza più oggetti possibili prelevati da un elenco dato rispettando anche particolari vincoli di peso. La soluzione ottima consiste nel riuscire ad inserire nello zaino quanti più oggetti possibili senza superare i limiti di peso imposti. Il problema del commesso viaggiatore consiste nel riuscire a visitare almeno una volta tutte le città presenti in un elenco, sfruttando al meglio i collegamenti tra queste e percorrendo meno strada possibile.

Algoritmo genetico

La selezione naturale, concetto introdotto da Charles Darwin nel 1859 nel libro "L'origine delle specie", e indipendentemente da Alfred Russel Wallace nel saggio "On the Tendency of Varieties to Depart Indefinitely From the Original Type," è un meccanismo chiave dell'evoluzione e secondo cui, nell'ambito della diversità genetica delle popolazioni, si ha un progressivo (e cumulativo) aumento degli individui con caratteristiche ottimali per l'ambiente in cui vivono. In riferimento alla competizione tra individui, Darwin, ispirandosi a Thomas Malthus, descrisse il concetto di "lotta per l'esistenza", che si basava sull'osservazione che gli organismi, moltiplicandosi con un ritmo troppo elevato, producono una progenie quantitativamente superiore a quella che le limitate risorse naturali possono sostenere, e di conseguenza sono costretti a una dura competizione per raggiungere lo stato adulto e riprodursi. Gli individui di una stessa specie si differenziano l'uno dall'altro per caratteristiche genetiche (genotipo) e quindi fenotipiche (cioè morfologiche e funzionali, frutto dell'interazione del genotipo con l'ambiente). La teoria della selezione naturale prevede che all'interno di tale variabilità, derivante da mutazioni genetiche casuali (nel senso che esse sono casuali rispetto a un adattamento), nel corso delle generazioni successive al manifestarsi della mutazione, vengano favorite ("selezionate") quelle mutazioni che portano gli individui ad avere caratteristiche più vantaggiose in date condizioni ambientali, determinandone, cioè, un vantaggio adattativo (migliore adattamento) in termini di sopravvivenza e riproduzione. La selezione naturale quindi, favorendo le mutazioni vantaggiose, funziona come meccanismo deterministico, opposto al caso. Gli individui meglio adattati a un certo habitat si procureranno più facilmente il cibo e si accoppieranno più facilmente degli altri individui della stessa specie che non presentano tali caratteristiche. In altre parole, è l'ambiente a selezionare le mutazioni secondo il criterio di vantaggiosità sopra descritto: i geni forieri di vantaggio adattativo potranno così essere trasmessi, attraverso la riproduzione, alle generazioni successive e con il susseguirsi delle generazioni si potrà avere una progressiva affermazione dei geni "buoni" a discapito dei geni inutili o dannosi. La specie potrà evolversi progressivamente grazie allo sviluppo di caratteristiche che la renderanno meglio adattata all'ambiente, sino a una situazione di equilibrio tra ambiente e popolazione che persisterà finché un cambiamento ambientale non innescherà un nuovo fenomeno evolutivo. Esempio tipico è l'evoluzione del collo delle giraffe. Nel corso di milioni di anni le mutazioni genetiche che portarono alcuni individui ad avere un collo (sempre) più lungo si rivelarono vantaggiose; questi individui potevano raggiungere più facilmente le foglie di alberi alti, il che, in condizioni di scarsità di cibo, determinò un migliore adattamento all'ambiente rispetto agli individui col collo più corto: migliore capacità di procurarsi il cibo, quindi maggiore probabilità di sopravvivere, di raggiungere l'età della riproduzione e di riprodursi, dunque, maggiore probabilità di trasmettere il proprio patrimonio genetico (e quindi la lunghezza del collo) alle generazioni successive. I principi fondamentali su cui si basa la selezione naturale sono: Il concetto della selezione naturale sviluppato da Charles Darwin nel libro "The Origin of species", pubblicato nella sua prima edizione nel 1859, è stato successivamente integrato con la genetica mendeliana nel libro pubblicato da Ronald Fisher nel 1930, "The Genetical theory of natural selection", che è considerato uno dei più importanti documenti della Moderna sintesi dell’evoluzione. Le variazioni del fenotipo all'interno di una popolazione derivano da variazioni del genotipo, ma possono a volte essere influenzate dall'ambiente e dalle interazioni gene/ambiente. Un gene per un determinato carattere può esistere, all'interno di una popolazione, sotto forma di versioni diverse, denominate alleli. Solo alcuni caratteri sono il risultato dell'espressione di un singolo locus, mentre la maggior parte delle caratteristiche fenotipiche, come il colore degli occhi e il colore della pelle, derivano dalla cooperazione dei prodotti di più coppie di geni. Una mutazione in uno di questi geni può determinare solo una piccola variazione del carattere, mentre mutazioni in più geni, che avvengono in maniera progressiva nel corso delle generazioni, hanno un effetto cumulativo producendo notevoli differenze nei fenotipi. Inoltre, ci sono casi in cui la selezione di un carattere è correlata alla selezione di un altro carattere; questo si verifica perché i geni corrispondenti sono intimamente associati in "loci" molto vicini nello stesso cromosoma, oppure perché ci sono geni che possono influenzare più caratteri contemporaneamente. La frequenza allelica, calcolata come il rapporto tra il numero degli alleli uguali, presenti all'interno di una popolazione, rispetto al numero totale di alleli per un determinato "locus" genico, definisce quanto una determinata versione di un gene è rappresentata all'interno della popolazione. La mutazione e la ricombinazione sono i meccanismi principali con i quali sono prodotti nuovi alleli, mentre la selezione naturale rappresenta il meccanismo che influenza le frequenze relative dei vari alleli all'interno di una popolazione. Bisogna distinguere tra il meccanismo con cui agisce la selezione naturale e i suoi effetti. La selezione naturale agisce sui fenotipi, favorendo quelli più adatti e conferendo loro un vantaggio sia di sopravvivenza sia riproduttivo. La selezione naturale agisce indistintamente sia sulla componente ereditaria sia su quella non ereditaria dei caratteri, ma è solo sulla prima, vale a dire sul genotipo, che si manifestano i suoi effetti, poiché è solo questa che è trasmessa alla progenie. Fondamentale nella descrizione della selezione è il concetto di fitness, che misura la capacità di un genotipo di riprodursi e di trasmettersi alla generazione successiva, conferendo, se superiore a quella media, un vantaggio riproduttivo all'individuo che lo possiede. Di conseguenza, genotipi con fitness elevata aumenteranno di frequenza nelle generazioni successive e diventeranno i più rappresentati, mentre genotipi con fitness bassa, diventeranno sempre meno frequenti, fino alla scomparsa. La fitness si riferisce, quindi, alla capacità di produrre prole; poiché il numero di discendenti che un individuo può generare dipende sia dalla sua capacità di arrivare allo stato adulto, sia dalla sua fertilità, possiamo considerare la fitness come il prodotto di due componenti, la vitalità e la fertilità: fenotipi che aumentano la capacità di sopravvivenza di un individuo, ma lo rendono sterile hanno fitness nulla. La fitness è influenzata dall'ambiente in cui l'organismo vive, infatti, lo stesso fenotipo può avere fitness diverse in ambienti diversi. La fitness può essere misurata in vari modi: La "fitness assoluta" W, di un determinato genotipo, si riferisce al rapporto del numero d'individui con quel genotipo dopo un evento selettivo (N2) rispetto al loro numero prima dell'evento selettivo(N1): formula_1 La fitness assoluta può essere calcolata all'interno della stessa generazione, immediatamente prima e dopo l'evento selettivo (ad esempio l'introduzione di un parassita, l'aumento di temperatura o l'esposizione a un antibiotico, per quanto riguarda le colonie batteriche); più in generale, la fitness si misura dopo una generazione, mettendo in rapporto il numero di discendenti con un determinato genotipo rispetto a quello della generazione precedente (in questo caso N2 rappresenta il numero di figli e N1 il numero dei genitori con lo stesso genotipo). Un altro sistema di misura della fitness mette in relazione le frequenze geniche riscontrate nella progenie rispetto alle frequenze geniche attese secondo l'equazione di Hardy- Weinberg, misurando in questo caso la deviazione da quest'equilibrio. Più usata è la "fitness relativa", ω, che si calcola assumendo che il genotipo più rappresentato all'interno della popolazione, con W = Wmax, abbia una fitness relativa ωmax = 1, mentre le fitness relative degli altri genotipi derivano dal rapporto della loro fitness assoluta rispetto a quella massima: formula_2 Di conseguenza omega può assumere valori compresi tra zero e uno: 0<ω<1 Un altro parametro di misura della selezione naturale è il "coefficiente di selezione", s, misurato secondo l'equazione: s = 1 – ω, che ha un significato opposto a quello della fitness, infatti un suo aumento significa una diminuzione delle frequenze alleliche corrispondenti nella popolazione. All'interno di una popolazione naturale, la variabilità tra gli individui, requisito essenziale della selezione, può esistere a vari livelli: morfologico, cellulare, subcellulare, biochimico, genico. Occorre precisare che, anche se la fitness è spesso riferita al genotipo, il bersaglio della selezione naturale è l'organismo "in toto", e deriva dalle interazioni delle diverse fitness genotipiche. Ogni gene, infatti, può contribuire aumentando o diminuendo la capacità riproduttiva di un individuo, o la sua sopravvivenza, ma la fitness totale sarà il risultato delle diverse pressioni selettive. Molto spesso, i fenotipi di determinati caratteri, ad esempio l'altezza degli individui o il loro peso corporeo, variano in maniera continua e le loro frequenze possono essere distribuite secondo una curva a campana, distribuzione normale, con un massimo di frequenza in corrispondenza del fenotipo medio. In altri casi, come la presenza/assenza di una determinata malattia ereditaria o la resistenza/sensibilità agli antibiotici, riscontrata nelle popolazioni batteriche, il fenotipo può presentarsi in maniera discontinua, sotto forma di due o poche varianti. La selezione naturale può essere distinta in tre tipi: Si parla inoltre di selezione negativa, intendendo la rimozione selettiva di alleli rari che sono dannosi. Viene detta anche selezione purificante e può portare al mantenimento delle sequenze geniche, conservate tra le specie, per lunghi periodi di tempo evolutivo. La progressiva epurazione di alleli dannosi, per il costante ripresentarsi di nuove mutazioni dannose, si ricollega alla selezione ambientale. Darwin, nel capitolo 4 del suo libro "The Origin of Species" dedicò un paragrafo alla definizione di un altro tipo di selezione, distinta da quella ecologica, che veniva descritta come il processo attraverso il quale un individuo acquisisce vantaggio rispetto a un altro dello stesso sesso, grazie alla sua capacità di accoppiarsi con un maggior numero di partner e, di conseguenza, di avere un maggior numero di discendenti. Questo tipo di selezione, nota come selezione sessuale, interessa generalmente gli individui di sesso maschile e si può manifestare con due tipi di comportamenti: Questo tipo di selezione conduce all'evoluzione di armi speciali o di caratteri ornamentali che si definiscono caratteri sessuali secondari perché, a differenza di quelli primari, non sono coinvolti direttamente nella riproduzione ma offrono un vantaggio nell'accoppiamento. Le relative differenze tra maschio e femmina determinano il dimorfismo sessuale. Darwin attribuì una notevole importanza al dimorfismo sessuale, che descrisse in un gran numero di specie. La comparazione tra le specie dimostrava che tale dimorfismo era più diffuso nelle specie poligame, nelle quali il maschio poteva accoppiarsi con più femmine, rispetto a quelle monogame. Sebbene la teoria classica della selezione naturale consideri l'individuo come il principale bersaglio delle forze selettive, esiste un altro approccio (benché molto controverso e minoritario) che prende in considerazione la presenza di una selezione multilivello, con forze selettive che agiscono sui vari livelli della gerarchia biologica, cioè i geni, la cellula, l'individuo, il gruppo e la specie. Da questa considerazione deriva la possibilità dell'esistenza di forze selettive che agiscono su caratteristiche o comportamenti condivisi da gruppi d'individui o da intere popolazioni. L'ipotesi della selezione di gruppo è stata introdotta nel 1962 da Wynne-Edwards, il quale sosteneva che alcuni individui, in determinate circostanze, possono sacrificare la loro riproduzione per offrire un vantaggio al gruppo a cui appartengono. In altre parole, ci sarebbero forze selettive che agiscono sulla competizione tra gruppi e non su quella tra individui e, di conseguenza, si osserverebbe una diminuzione della fitness individuale per la sopravvivenza del gruppo. È ciò che succede, ad esempio, nelle popolazioni di insetti sociali. In alcune occasioni, secondo Wynne-Edwards, gli individui possono limitare la loro riproduzione, ad esempio quando scarseggia il cibo, per evitare il sovraffollamento con successivo impoverimento delle risorse alimentari. Esistono numerose controversie riguardo all'esistenza della selezione di gruppo e, secondo un'opinione abbastanza condivisa, la maggior parte dei casi di questo tipo di selezione si possono spiegare con una selezione individuale. Uno dei maggiori problemi sollevati dagli oppositori di questa teoria è che, diminuendo la fitness individuale, i tratti legati a questo tipo di comportamento "altruistico" non possono essere trasmessi nelle generazioni. Nel 1964 W.D.Hamilton, rielaborando un'ipotesi espressa da J.B.S.Haldane nel 1932, introdusse il concetto di selezione di parentela o "kin selection". Secondo questo zoologo, il comportamento altruistico è favorito solo se gli individui che ricevono i benefici sono imparentati con l'individuo altruista, cioè quando esiste una forte condivisione di geni tra l'altruista e il beneficiario e, di conseguenza, i geni possono essere trasmessi alle generazioni successive. In questi casi, la fitness individuale viene sostituita da una "fitness inclusive". Hamilton espresse matematicamente questa sua tesi con la seguente equazione: rb>c dove r rappresenta la frazione dei geni condivisi tra individui altruisti e beneficiari; b è il beneficio del ricevente e c il costo pagato dall'individuo altruista. Con questa teoria si possono spiegare le cure parentali dei genitori per i figli e anche i comportamenti altruistici riscontrati nelle popolazioni di insetti sociali, i cui individui condividono un'alta percentuale di geni. La teoria della selezione di parentela è stata in seguito sostenuta anche da altri studiosi, tra cui Maynard-Smith. La selezione naturale è alla base dei processi di adattamento e speciazione, e quindi dell'evoluzione delle specie. L'adattamento è l'insieme delle caratteristiche, sia strutturali sia comportamentali, che sono state favorite dalla selezione naturale perché aumentano le possibilità di sopravvivenza e di riproduzione di un organismo nel suo habitat naturale. L'adattamento è la conseguenza dei cambiamenti del pool genico che avvengono all'interno delle popolazioni in seguito alle pressioni selettive dell'ambiente, che favoriscono individui con fitness più elevata. Variazioni del pool genico possono risultare, oltre che dalla selezione naturale, anche dalla deriva genetica. Tuttavia, si deve precisare che il concetto di adattamento è relativo, perché ciò che può essere adatto in un ambiente può non esserlo in un altro e, in seguito a variazioni ambientali, caratteristiche vantaggiose possono diventare svantaggiose e/o viceversa. Inoltre, in natura l'adattamento non è mai perfetto, ma risulta come compromesso tra le esigenze adattative delle diverse caratteristiche di un organismo. Un classico esempio di adattamento, descritto da Darwin, è rappresentato dal becco del picchio, perfettamente adattato a estrarre gli insetti dalla corteccia degli alberi. Altro esempio tipico è il mimetismo criptico, con il quale il colore e la forma di alcuni animali si adatta perfettamente all'ambiente in cui vivono, proteggendoli dai predatori. Esempi tipici di evoluzione adattativa si possono facilmente osservare nelle popolazioni di microrganismi, come batteri o virus, grazie ai loro tempi di generazioni molto brevi. Ad esempio in una popolazione di batteri esistono individui che contengono geni conferenti resistenza ad alcuni farmaci, come gli antibiotici. In assenza di tale farmaco, tutti gli individui hanno la stessa probabilità di sopravvivenza, ma se esposti all'antibiotico specifico, i batteri sensibili saranno inibiti, mentre quelli che contengono il gene della resistenza potranno moltiplicarsi indisturbati e, dopo poche generazioni, la popolazione sarà formata quasi esclusivamente da batteri resistenti; la popolazione si è dunque adattata. Alcuni virus, come il virus dell'influenza e il virus dell'immunodeficienza acquisita, subiscono una continua evoluzione, per la presenza di ceppi resistenti alle terapie e alle reazioni immunitarie dell'ospite. Se, da una parte, è relativamente semplice spiegare l'evoluzione adattativa di caratteristiche fenotipiche semplici, che derivano da uno o pochi geni, come il mimetismo, la resistenza ai farmaci, ecc., risulta più complicato seguire l'evoluzione di un organo complesso, ad esempio l'occhio dei vertebrati. Secondo la teoria evoluzionistica, questi caratteri complessi, che derivano da più geni, hanno subito adattamenti successivi, verificatisi in molte tappe, ciascuna delle quali ha coinvolto mutazioni in geni differenti che hanno conferito un vantaggio addizionale agli individui portatori. Si è verificata quindi una lenta e progressiva evoluzione che ha portato allo sviluppo di organi specializzati in determinate funzioni. Poiché l'adattamento rappresenta una risposta degli organismi alle pressioni selettive dell'ambiente, che si realizza con lo sviluppo di organi che hanno una determinata funzione, esso riesce a spiegare anche altri fenomeni evolutivi, come la convergenza evolutiva, in base alla quale specie diverse, vivendo in ambienti simili e quindi sottoposte allo stesso tipo di selezione, hanno sviluppato organi o funzioni simili. Gli organi vestigiali, a loro volta, sono strutture rappresentanti un retaggio del passato, che si erano selezionate per una specifica funzione e che, per cambiamenti ambientali avvenuti in seguito, hanno perso il loro significato. La selezione naturale è alla base della speciazione, il processo evolutivo che conduce alla formazione di nuove specie. Generalmente la speciazione avviene quando popolazioni della stessa specie sono separate da barriere geografiche o comportamentali e sono quindi sottoposte a pressioni selettive differenti, che conducono alla divergenza delle loro strutture anatomiche, fino a quando le differenze accumulate producono popolazioni di individui nettamente distinte e incapaci di accoppiarsi. Esistono quattro tipi di speciazione: allopatrica, peripatrica, parapatrica e simpatrica. Un classico esempio di speciazione allopatrica è quello proposto da Darwin, che descrisse quattordici specie di fringuelli in diverse isole delle Galápagos, tutte derivanti da un'unica specie parentale.

Selezione naturale

tatistica, gli indici di posizione (anche detti indicatori di posizione, o indici di tendenza centrale o misure di tendenza centrale, in quanto in generale tendono a essere posizionati centralmente rispetto agli altri dati della distribuzione) sono indici che danno un'idea approssimata dell'ordine di grandezza (la posizione sulla scala dei numeri, appunto) dei valori esistenti. Sono indici di posizione: Un modo per rappresentare graficamente alcuni indici di posizione è il box-plot.

Indice di posizione

In statistica lo scarto interquartile (o differenza interquartile o ampiezza interquartile, in inglese "interquartile range" o "IQR") è la differenza tra il terzo e il primo quartile, ovvero l'ampiezza della fascia di valori che contiene la metà "centrale" dei valori osservati. Lo scarto interquartile è un indice di dispersione, cioè una misura di quanto i valori si allontanino da un valore centrale. Viene utilizzato nel disegno del diagramma box-plot. Lo scarto interquartile di una variabile aleatoria si ottiene tramite la funzione di ripartizione, come differenza formula_1 Per una variabile casuale normale formula_2 lo scarto interquartile è circa formula_3. Per una variabile casuale di Cauchy formula_4 lo scarto interquartile è formula_5.

Scarto interquartile

Nell'analisi statistica della classificazione binaria, lF score (nota anche come F-score o F-measure, letteralmente "misura F") è una misura dell'accuratezza di un test. La misura tiene in considerazione precisione e recupero del test, dove la precisione è il numero di veri positivi diviso il numero di tutti i risultati positivi, mentre il recupero è il numero di veri positivi diviso il numero di tutti i test che sarebbero dovuti risultare positivi (ovvero veri positivi più falsi negativi). L'F viene calcolato tramite la media armonica di precisione e recupero: Può assumere valori compresi fra 0 e 1. Assume valore 0 solo se almeno uno dei due vale 0, mentre assume valore 1 sia precisione che recupero valgono 1. L'F score è anche noto come coefficiente di Sørensen-Dice (DSC), o semplicemente coefficiente di Dice. La formula generale è: per valori di β reali positivi. La formula in termini di errori di primo e secondo tipo: Due particolari istanze della formula solitamente utilizzate sono la misura formula_4 (che pone maggiore enfasi sui falsi negativi) ed formula_5 (la quale attenua l'influenza dei falsi negativi). In generale, formula_6 "misura l'efficacia del recupero rispetto ad un utente attribuisce al recupero un'importanza di β volte quella della precisione". L'F-score è solitamente usata nel campo del recupero dell'informazione per misurare l'accuratezza delle ricerche o della classificazione dei documenti. Inizialmente l'F score era l'unica misura ad essere considerata, ma con la proliferazione in larga scala di motori di ricerca gli obiettivi di prestazione iniziarono a variare, divenendo necessario porre maggiore enfasi su precisione o recupero. L'F-score è usata anche nel campo dell'apprendimento automatico ed è vastamente impiegata nella letteratura sull'elaborazione del linguaggio naturale. Da notare, comunque, che non viene mai preso in considerazione il numero di veri negativi. In tal senso, misure come il coefficiente di correlazione di Matthews o il Kappa di Cohen possono generare risultati più adeguati alle proprie esigenze. Mentre l'F-measure è una media armonica di recupero e precisione, la cosiddetta G-measure è una media geometrica: Dove "PPV" sta per "Positive Predictive Value" ("valore predittivo positivo") e "TPR" per "True Positive Rate" (o indice di sensibilità). È nota anche come indice di Fowlkes-Mallows.

F1 score

Lo scarto quadratico medio (o deviazione standard o scarto tipo) è un indice di dispersione statistico, vale a dire una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una variabile casuale. È uno dei modi per esprimere la dispersione dei dati intorno ad un indice di posizione, quale può essere, ad esempio, la media aritmetica o una sua stima. Ha pertanto la stessa unità di misura dei valori osservati (al contrario della varianza che ha come unità di misura il quadrato dell'unità di misura dei valori di riferimento). In statistica la precisione si può esprimere come lo scarto quadratico medio. Il termine ""standard deviation"" è stato introdotto in statistica da Pearson nel 1894 assieme alla lettera greca formula_1 (sigma) che lo rappresenta. Il termine italiano "deviazione standard" ne è la traduzione più utilizzata nel linguaggio comune; il termine dell'Ente Nazionale Italiano di Unificazione è tuttavia "scarto tipo", definito come la radice quadrata positiva della varianza per lo meno fin dal 1984. Se non indicato diversamente, lo scarto quadratico medio è la radice quadrata della varianza, la quale viene coerentemente rappresentata con il quadrato di sigma (formula_2). In statistica lo scarto quadratico medio di un carattere rilevato su una popolazione di formula_3 unità statistiche si definisce esplicitamente come: dove formula_5 è la media aritmetica di formula_6. Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile può essere calcolata a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato. A partire dallo scarto quadratico medio si definisce anche il coefficiente di variazione o la "deviazione standard relativa" come il rapporto tra lo scarto tipo formula_7 e il valore assoluto della media aritmetica della variabile in esame: Questo indice relativo (che viene spesso espresso in termini percentuali) consente di effettuare confronti tra dispersioni di dati di tipo diverso, indipendentemente dalle loro quantità assolute. Nell'ambito della statistica inferenziale (dove è noto solo un campione della popolazione), soprattutto nell'ambito della teoria della stima, a volte si rimpiazza il denominatore formula_3 con formula_10 ottenendo: Sostanzialmente, poiché non è nota la media dell'intera popolazione, ma solo una sua stima (la media del campione), bisogna utilizzare formula_10 per ottenere uno stimatore corretto formula_13 della varianza incognita formula_7 di formula_6 sull'intera popolazione a partire dai dati del campione. La sua radice quadrata diviene lo scarto quadratico medio "corretto". Questa correzione al denominatore fa sì che la nuova definizione sia un po' più grande della precedente, correggendo così la tendenza della precedente a sottostimare le incertezze soprattutto nel caso in cui si lavori con pochi dati (formula_3 piccolo). Osserviamo il caso limite di formula_17, cioè quando si ha un campione di un solo elemento: la prima definizione dà il risultato formula_18, che ovviamente non è molto ragionevole nell'ambito della statistica inferenziale, mentre quella "corretta" dà un risultato non definito del tipo formula_19, rispecchiando così la totale ignoranza inerente all'incertezza su una singola misura. In questo senso, si dice che la statistica non dice nulla sul singolo caso. Osserviamo che la differenza tra le due definizioni per campioni molto estesi è spesso numericamente insignificante. Il calcolo può essere semplificato come segue: cioè, applicando il tutto alla formula originale: Sia formula_6 una variabile aleatoria, lo scarto quadratico medio è definito come la radice quadrata della varianza di formula_6 Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile aleatoria può essere calcolato a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato, cioè dove formula_26 è il valore atteso di formula_6. In ambito finanziario, lo scarto quadratico medio viene usato per indicare la variabilità di un'attività finanziaria e dei suoi payoff (rendimenti). Esso fornisce quindi, implicitamente, una misura della volatilità dell'attività, quindi del suo rischio. In fisica, è un ottimo indice dell'errore casuale della misurazione di una grandezza fisica. In ambito sportivo è utilizzato per valutare la prestazione di un giocatore di bowling in riferimento ad un certo numero di partite. Il valore trovato non incide sul punteggio ma sintetizza le capacità e i miglioramenti del giocatore. In ingegneria, è uno dei parametri da considerare per valutare la capacità di un processo produttivo. Nelle applicazioni informatiche, è a volte conveniente utilizzare la formula che consente, con sole tre variabili formula_29, di calcolare lo scarto quadratico medio, oltre che la media, di un flusso di numeri di lunghezza formula_3 senza dover ricorrere ad una memorizzazione degli stessi.

Scarto quadratico medio

Lo scarto quadratico medio (o deviazione standard o scarto tipo) è un indice di dispersione statistico, vale a dire una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una variabile casuale. È uno dei modi per esprimere la dispersione dei dati intorno ad un indice di posizione, quale può essere, ad esempio, la media aritmetica o una sua stima. Ha pertanto la stessa unità di misura dei valori osservati (al contrario della varianza che ha come unità di misura il quadrato dell'unità di misura dei valori di riferimento). In statistica la precisione si può esprimere come lo scarto quadratico medio. Il termine ""standard deviation"" è stato introdotto in statistica da Pearson nel 1894 assieme alla lettera greca formula_1 (sigma) che lo rappresenta. Il termine italiano "deviazione standard" ne è la traduzione più utilizzata nel linguaggio comune; il termine dell'Ente Nazionale Italiano di Unificazione è tuttavia "scarto tipo", definito come la radice quadrata positiva della varianza per lo meno fin dal 1984. Se non indicato diversamente, lo scarto quadratico medio è la radice quadrata della varianza, la quale viene coerentemente rappresentata con il quadrato di sigma (formula_2). In statistica lo scarto quadratico medio di un carattere rilevato su una popolazione di formula_3 unità statistiche si definisce esplicitamente come: dove formula_5 è la media aritmetica di formula_6. Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile può essere calcolata a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato. A partire dallo scarto quadratico medio si definisce anche il coefficiente di variazione o la "deviazione standard relativa" come il rapporto tra lo scarto tipo formula_7 e il valore assoluto della media aritmetica della variabile in esame: Questo indice relativo (che viene spesso espresso in termini percentuali) consente di effettuare confronti tra dispersioni di dati di tipo diverso, indipendentemente dalle loro quantità assolute. Nell'ambito della statistica inferenziale (dove è noto solo un campione della popolazione), soprattutto nell'ambito della teoria della stima, a volte si rimpiazza il denominatore formula_3 con formula_10 ottenendo: Sostanzialmente, poiché non è nota la media dell'intera popolazione, ma solo una sua stima (la media del campione), bisogna utilizzare formula_10 per ottenere uno stimatore corretto formula_13 della varianza incognita formula_7 di formula_6 sull'intera popolazione a partire dai dati del campione. La sua radice quadrata diviene lo scarto quadratico medio "corretto". Questa correzione al denominatore fa sì che la nuova definizione sia un po' più grande della precedente, correggendo così la tendenza della precedente a sottostimare le incertezze soprattutto nel caso in cui si lavori con pochi dati (formula_3 piccolo). Osserviamo il caso limite di formula_17, cioè quando si ha un campione di un solo elemento: la prima definizione dà il risultato formula_18, che ovviamente non è molto ragionevole nell'ambito della statistica inferenziale, mentre quella "corretta" dà un risultato non definito del tipo formula_19, rispecchiando così la totale ignoranza inerente all'incertezza su una singola misura. In questo senso, si dice che la statistica non dice nulla sul singolo caso. Osserviamo che la differenza tra le due definizioni per campioni molto estesi è spesso numericamente insignificante. Il calcolo può essere semplificato come segue: cioè, applicando il tutto alla formula originale: Sia formula_6 una variabile aleatoria, lo scarto quadratico medio è definito come la radice quadrata della varianza di formula_6 Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile aleatoria può essere calcolato a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato, cioè dove formula_26 è il valore atteso di formula_6. In ambito finanziario, lo scarto quadratico medio viene usato per indicare la variabilità di un'attività finanziaria e dei suoi payoff (rendimenti). Esso fornisce quindi, implicitamente, una misura della volatilità dell'attività, quindi del suo rischio. In fisica, è un ottimo indice dell'errore casuale della misurazione di una grandezza fisica. In ambito sportivo è utilizzato per valutare la prestazione di un giocatore di bowling in riferimento ad un certo numero di partite. Il valore trovato non incide sul punteggio ma sintetizza le capacità e i miglioramenti del giocatore. In ingegneria, è uno dei parametri da considerare per valutare la capacità di un processo produttivo. Nelle applicazioni informatiche, è a volte conveniente utilizzare la formula che consente, con sole tre variabili formula_29, di calcolare lo scarto quadratico medio, oltre che la media, di un flusso di numeri di lunghezza formula_3 senza dover ricorrere ad una memorizzazione degli stessi.

Scarto quadratico medio

statistica, quando si stima un parametro, la semplice individuazione di un singolo valore è spesso non sufficiente. È opportuno allora accompagnare la stima di un parametro con un intervallo di valori plausibili per quel parametro, che viene definito intervallo di confidenza (o intervallo di fiducia). Se formula_1 e formula_2 sono variabili casuali con distribuzioni di probabilità che dipendono da qualche parametro formula_3 e formula_4 (dove formula_5 è un numero tra 0 e 1), allora l'intervallo casuale formula_6 è un intervallo di confidenza al formula_7 per formula_8. I valori estremi dell'intervallo di confidenza si chiamano "limiti di confidenza". Ad esso si associa quindi un valore di probabilità cumulativa che caratterizza, indirettamente in termini di probabilità, la sua ampiezza rispetto ai valori massimi assumibili dalla variabile aleatoria misurando cioè la probabilità che l'evento casuale descritto dalla variabile aleatoria in oggetto cada all'interno di tale intervallo, graficamente pari all'area sottesa dalla curva di distribuzione di probabilità della variabile aleatoria nell'intervallo considerato. È bene non confondere l'intervallo di confidenza con la probabilità. Data l'espressione "vi è un livello di confidenza del 95% che formula_9 sia nell'intervallo", nulla si può dire sulla probabilità che l'intervallo ottenuto contenga formula_10 Si ipotizzi di voler calcolare l'età media degli abitanti di un luogo. Supponiamo che non si conosca l'età per ogni singolo abitante. Viene allora estratto un campione casuale di abitanti di cui è possibile sapere l'età, e dal campione si tenta di inferire ("predire") l'età media per tutta la popolazione residente e la variabilità di tale dato. Questo può essere fatto calcolando, ad esempio, l'età media delle persone presenti nel campione e ipotizzando che questo valore coincida con l'età media di tutta la popolazione inclusa quella non scelta nel campione. In questo caso si è fatta una "stima puntuale". Alternativamente, a partire dalle età delle persone nel campione, si può calcolare un intervallo di valori entro il quale si ritenga ci sia il valore della media di tutta la popolazione e, se la procedura è fatta in modo rigoroso e statisticamente corretto, è possibile stabilire un valore di "confidenza" di quanto sia "credibile" che l'intervallo ottenuto contenga effettivamente il valore cercato. In questo caso si è fatta una "stima per intervalli" e l'intervallo ottenuto è detto "intervallo di confidenza". Riassumendo: la stima puntuale fornisce un valore singolo che varia a seconda del campione, e difficilmente coincide con il valore vero della popolazione; la stima per intervalli fornisce un insieme di valori (intervallo) che con una certa "confidenza" contiene il valore vero della popolazione. Se formula_11 è una variabile aleatoria di media formula_9 e varianza formula_13 con formula_14 si indica la variabile campionaria corrispondente che ha media aritmetica degli formula_15 dati osservati nel campione e deviazione standard Il livello di confidenza è fissato dal ricercatore. Il valore scelto più di frequente è 95%. Tuttavia, meno di frequente, viene scelto anche un livello di confidenza del 90%, oppure del 99%. Se il valore di formula_18 non differisce molto dalla variabilità formula_19 della popolazione, può essere assunto come suo stimatore (ad esempio con un numero di soggetti osservati e replicazioni complessivamente maggiore di 60; in alternativa si ipotizza una distribuzione t di Student caratterizzata da una maggiore dispersione rispetto alla normale standard). In questa prima ipotesi, l'intervallo di confidenza per la media formula_9 ("vera media", della popolazione) al 99% (al livello formula_21), è dato da: Al 95% è dato da: Prima della diffusione dei computer si cercava di utilizzare l’approssimazione normale ogni qualvolta possibile. Adesso non è più strettamente necessario, e nella formula possono essere utilizzati percentili di altre distribuzioni, facendo rifierimento a campioni di dimensione più ridotta). Dalle formule risulta che i due intervalli di confidenza possono essere scritti in funzione dei "soli dati campionari" formula_24. Oltre a diminuire con il livello di confidenza, l'ampiezza dell'intervallo dipende dall'errore della stima formula_25 e diminuisce se: Qualora la popolazione non segua il modello gaussiano, se il campione è grande a sufficienza, la variabile campionaria tende a seguire comunque una legge normale (teorema centrale del limite). In altre parole, le due formule precedenti per l'intervallo di confidenza si possono usare anche nel caso in cui non è nota la sua legge di probabilità. Il livello di confidenza o copertura è il complemento a uno del livello di significatività formula_27: ad esempio, un intervallo di confidenza al formula_28 corrisponde a un livello di significatività di formula_29. Gli intervalli di confidenza sono spesso confusi con altri concetti della statistica, e talora oggetto di errate interpretazioni anche da parte di ricercatori professionisti. Alcuni errori comuni: Gli intervalli di confidenza furono introdotti da Jerzy Neyman in un articolo pubblicato nel 1937. C'è un metodo agevole per il calcolo degli intervalli di confidenza attraverso il test di verifica d'ipotesi (secondo l'impostazione di Neyman). Un intervallo di confidenza al 95% si può quindi ricavare da un test di verifica d'ipotesi di significatività 5%.

Intervallo di confidenza

In statistica bayesiana, la probabilità a posteriori di un evento aleatorio o di una proposizione incerta, è la probabilità condizionata che è assegnata dopo che si è tenuto conto dell'informazione rilevante o degli antefatti relativi a tale evento aleatorio o a tale proposizione incerta. Similmente, la distribuzione di probabilità a posteriori è la distribuzione di una quantità incognita, trattata come una variabile casuale, condizionata sull'informazione posta in evidenza da un esperimento o da un processo di raccolta di informazione rilevanti (es. un'ispezione, un'indagine conoscitiva, ecc.). La probabilità a posteriori è la probabilità dei parametri formula_1 data la conoscenza di formula_2: formula_3. Essa differisce dalla funzione di verosimiglianza, che è la probabilità di possedere una data conoscenza una volta dati i parametri: formula_4. I due concetti sono però tra loro collegati: Supponiamo di avere una credenza a priori che la funzione di distribuzione di probabilità sia formula_5 e i dati osservati formula_2 con una verosimiglianza formula_4, allora la probabilità a posteriori è definita come La probabilità a posteriori può essere scritta in una forma mnemonica come Consideriamo una scuola mista composta dal 60% di ragazzi e dal 40% di ragazze. Le ragazze indossano pantaloni o gonne in numeri eguali, i ragazzi indossano tutti pantaloni. Un osservatore vede da distante uno studente (a caso); tutto quello che può dire è che indossa pantaloni. Qual è la probabilità che lo studente sia una ragazza? La risposta corretta può essere dedotta applicando il teorema di Bayes. L'evento "G" è quello in cui lo studente visto è una ragazza, e l'evento "T" è quello in cui lo studente visto indossa pantaloni. Per calcolare P("G"|"T") abbiamo prima bisogno di sapere: Una volta ottenute tutte queste informazioni, la probabilità che l'osservatore abbia individuato una ragazza una volta visto uno studente che indossa pantaloni può essere calcolata sostituendo i valori nella formula: La distribuzione di probabilità a posteriori di una variabile casuale dato il valore di un'altra, può essere calcolata con il teorema di Bayes moltiplicando la distribuzione di probabilità a priori per la funzione di verosimiglianza, e quindi dividendo per una costante di normalizzazione come segue: la quale fornisce la funzione di densità di probabilità per una variabile casuale "X" una volta dato "Y" = "y", dove Nell'ambito della classificazione statistica le probabilità a posteriori riflettono l'incertezza nell'assegnare un'osservazione ad una classe particolare. Mentre i metodi di classificazione statistica per definizione generano probabilità a posteriori, gli apprenditori automatici solitamente forniscono valori di appartenenza che non inducono alcuna confidenza di tipo probabilistico. È desiderabile trasformare o convertire i valori di appartenenza a valori di probabilità di appartenenza ad una certa classe in quanto tali classi sono, in confronto ai primi, di più facile trattamento in susseguenti elaborazioni.

Probabilità a posteriori

In teoria della probabilità la probabilità condizionata di un evento "A" rispetto a un evento "B" è la probabilità che si verifichi "A", sapendo che "B" è verificato. Questa probabilità, indicata formula_1 o formula_2, esprime una "correzione" delle aspettative per "A", dettata dall'osservazione di "B". Poiché, come si vedrà nella successiva definizione, formula_3 compare al denominatore, formula_1 ha senso solo se "B" ha una probabilità non nulla di verificarsi. È utile osservare che la notazione con il simbolo "Barra verticale" è comune con la definizione del connettivo logico NAND. Per esempio, la probabilità di ottenere "4" con il lancio di un dado a sei facce (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa Si consideri questo secondo esempio, la probabilità di ottenere "1" con il lancio di un comune dado (evento "A") ha probabilità "P(A)=1/6" di verificarsi. "Sapendo" però che il risultato del lancio è un numero tra "4", "5" e "6" (evento "B"), la probabilità di "A" diventa La probabilità di "A" condizionata da "B" è dove formula_8 è la probabilità congiunta dei due eventi, ovvero la probabilità che si verifichino entrambi. In termini più rigorosi, dato uno spazio misurabile formula_9 di misura "P", ogni evento "B" eredita una struttura di spazio misurato formula_10, restringendo gli insiemi misurabili a quelli contenuti in "B", ed induce una nuova misura formula_11 su formula_9, con formula_13. Se formula_14 è uno spazio probabilizzato (formula_15) e "B" non è trascurabile (formula_16), allora riscalando formula_17 a formula_18 si ottiene lo spazio probabilizzato formula_19 delle probabilità condizionate da "B". La formula della probabilità condizionata permette di descrivere la probabilità congiunta come Ovvero, la probabilità che si verifichino sia "A" sia "B" è pari alla probabilità che si verifichi "B" moltiplicata per la probabilità che si verifichi "A" supponendo che "B" sia verificato. Due eventi "A" e "B" sono indipendenti quando vale una delle tre equazioni equivalenti Per trovare la probabilità dell'evento a destra negato si può usare la seguente formula: formula_24. Se "A" e "B" sono eventi disgiunti, cioè se formula_25, le loro probabilità condizionate sono nulle: sapendo che uno dei due eventi si è verificato, è impossibile che si sia verificato "anche" l'altro. Se l'evento "A" implica l'evento "B", cioè se formula_26, allora la loro intersezione è "A", per cui formula_27 e: Nel caso di una misura di probabilità uniforme su uno spazio Ω finito, questa formula per "P(A|B)" esprime la definizione classica di probabilità come "casi favorevoli ("A") su casi possibili ("B")". Invece, per "P(B|A)" otteniamo il valore 1 che, per un numero finito di valori lo stesso Bayes interpretò in senso lato come la certezza che il tutto sia condizionato dalla parte. La speranza condizionata formula_30 di una variabile aleatoria "X" ad un evento "B" è la speranza di "X" calcolata sulle probabilità formula_31 (condizionate da "B"). La probabilità di un evento "A" può essere condizionata da una variabile aleatoria discreta "X", originando una nuova variabile aleatoria, formula_32, che per "X=x" assume il valore formula_33. Il teorema di Bayes esprime l'uguaglianza simmetrica formula_34 del teorema della probabilità composta come Questo teorema è alla base dell'inferenza bayesiana in statistica, dove "P" è detta "probabilità "a priori" di "B"" e "P" "probabilità "a posteriori" di "B"". Molti paradossi sono legati alla probabilità condizionata e derivano sia da un'errata formulazione del problema sia dalla confusione di "P(A|B)" con "P(A)" o con "P(B|A)". Esempi particolari sono il paradosso delle due buste, il paradosso dei due bambini, il problema di Monty Hall e il paradosso di Simpson.

Probabilità condizionata

L'analisi delle componenti principali (in inglese "principal component analysis" o abbreviata "PCA"), anche nota come trasformata di Karhunen-Loève, trasformata di Hotelling o decomposizione ortogonale propria, è una tecnica per la semplificazione dei dati utilizzata nell'ambito della statistica multivariata. Questo metodo fu proposto per la prima volta nel 1901 da Karl Pearson e sviluppato poi da Harold Hotelling nel 1933, e fa parte dell'analisi fattoriale. Lo scopo della tecnica è quello di ridurre il numero più o meno elevato di variabili che descrivono un insieme di dati a un numero minore di variabili latenti, limitando il più possibile la perdita di informazioni. Ciò avviene tramite una trasformazione lineare delle variabili che proietta quelle originarie in un nuovo sistema cartesiano in cui la nuova variabile con la maggiore varianza viene proiettata sul primo asse, la variabile nuova, seconda per dimensione della varianza, sul secondo asse e così via. La riduzione della complessità avviene limitandosi ad analizzare le principali, per varianza, tra le nuove variabili. Diversamente da altre trasformazioni lineari di variabili praticate nell'ambito della statistica, in questa tecnica sono gli stessi dati che determinano i vettori di trasformazione. Assumendo che a ciascuna delle variabili originarie venga sottratta la loro media e pertanto la nuova variabile (X) abbia media nulla, Dove arg max indica l'insieme degli argomenti "w" in cui è raggiunto il massimo. Con i primi (k-1) componenti, il k-esimo componente può essere trovato sottraendo i primi (k-1) componenti principali a "X" e sostituendo questo Un metodo più semplice per calcolare la componente w utilizza la matrice delle covarianze di x. La stessa operazione può essere eseguita partendo dalla matrice dei coefficienti di correlazione anziché dalla matrice di varianza-covarianza delle variabili "x". Innanzitutto si devono trovare gli autovalori della matrice di covarianza o della matrice dei coefficienti di correlazione. Si ottengono tanti autovalori quante sono le variabili x. Se viene utilizzata la matrice di correlazione, l'autovalore relativo alla prima componente principale, ossia quella con varianza massima, sarà pari ad 1. In ogni caso l'autovalore con il maggiore valore corrisponde alla dimensione w che ha la maggiore varianza: esso sarà dunque la varianza della componente principale 1. In ordine decrescente, il secondo autovalore sarà la varianza della componente principale 2, e così via per gli n autovalori. Per ciascun autovalore viene calcolato il corrispondente autovettore, ossia la matrice (riga vettore) dei coefficienti che moltiplicano le vecchie variabili x nella combinazione lineare per l'ottenimento delle nuove variabili w. Questi coefficienti sono anche definiti loading. La matrice degli autovettori, ossia la matrice che ha per riga ciascun autovettore prima calcolato, è la cosiddetta matrice di rotazione V. Eseguendo l'operazione matriciale formula_4, dove W è il vettore colonna avente come elementi le nuove variabili w1, w2, ..., wn e X è il vettore colonna avente come elementi le "vecchie variabili" x1, x2, ..., xn, si possono trovare le coordinate di ciascun punto nel nuovo spazio vettoriale. Utilizzando le coordinate per ciascun punto relative alle componenti principali si costruisce il grafico denominato score plot. Se le componenti principali sono 3 si avrà un grafico tridimensionale, se sono 2 sarà bidimensionale, se invece si è scelta una sola componente principale lo score plot sarà allora monodimensionale. Mediante lo score plot è possibile verificare quali dati sono simili tra di loro e quindi si può ad esempio dedurre quali campioni presentano la medesima composizione. In PCA esiste anche un altro tipo di grafico, definito loading plot, in cui sono le variabili x ad essere riportate nel nuovo sistema avente per assi le componenti principali. Con questo tipo di grafico è possibile osservare se due variabili sono simili, e pertanto forniscono lo stesso tipo di informazione, oppure se sono distanti (e quindi non sono simili). Quindi gli elementi dell'autovettore colonna corrispondente a un autovalore esprimono il legame tra le variabili di partenza e la componente considerata attraverso dei pesi. Il numero di variabili latenti da considerare come componenti principali si fonda sulla grandezza relativa di un autovalore rispetto agli altri. Invece nel caso in cui sia l'operatore a scegliere le componenti principali senza considerare la relativa varianza espressa dai rispettivi autovalori, si ha un supervised pattern recognition. Si può costruire la matrice dei fattori, in pratica una matrice modale, che elenca per riga le variabili originarie e per colonna le variabili latenti: ogni valore, compreso tra 0 e 1, dice quanto le seconde incidano sulle prime. Invece la matrice del punteggio fattoriale ha la stessa struttura della precedente, ma dice quanto le singole variabili originarie abbiano pesato sulla determinazione della grandezza di quelle latenti. Si supponga di disporre di un'indagine che riporta per 10 soggetti: voto medio (da 0 a 33), intelligenza (da 0 a 10), media ore studiate in un giorno e zona d'origine, che varia da 1 a 3. Si standardizzino i valori con la formula: formula_5 E(x) è il valore atteso di X, ovvero il valor medio, SD è la deviazione standard. La matrice dei coefficienti di correlazione è: La diagonale principale è composta da valori uguali ad 1 perché è il coefficiente di correlazione di una variabile con se stessa. È pure una matrice simmetrica perché il coefficiente di correlazione tra la variabile "x" e la variabile "y" è uguale a quello tra "y" e "x". Si vede come ci sia un forte legame tra voto, media ore studio e intelligenza. Dall'analisi degli autovalori si possono trarre conclusioni: Gli autovalori sono in ordine decrescente e il loro rapporto con la somma degli autovalori dà la percentuale di varianza che spiegano. Sono stati selezionati arbitrariamente solo quelli che hanno valore maggiore di 1 in quanto più significativi, che spiegano il 70,708% e il 26,755% rispettivamente. Si osservi alla matrice delle componenti principali: Il fattore 1 pesa fortemente sul voto medio. Sembrerebbe pure che pesi in maniera negativa sulla variabile della zona di origine; chiaramente questa affermazione non ha senso perché inverte il nesso di causalità: spetta allo statistico dare una spiegazione e una lettura sensate. Si calcoli quindi la matrice di punteggio fattoriale: Come si vede la variabile provenienza continua ad avere un influsso di segno negativo sull'autovalore principale. Le altre variabili invece hanno peso positivo.

Analisi delle componenti principali

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

Nell'ambito dell'inferenza statistica bayesiana, una distribuzione di probabilità a priori, detta spesso anche distribuzione a priori, di una quantità incognita "p" (per esempio, supponiamo "p" essere la proporzione di votanti che voteranno per il politico Rossi in un'elezione futura) è la distribuzione di probabilità che esprimerebbe l'incertezza di "p" prima che i "dati" (per esempio, un sondaggio di opinione) siano presi in considerazione. Il proposito è di attribuire incertezza piuttosto che casualità a una quantità incerta. La quantità incognita può essere un parametro o una variabile latente. Si applica il teorema di Bayes, moltiplicando la distribuzione a priori per la funzione di verosimiglianza e quindi normalizzando, per ottenere la distribuzione di probabilità a posteriori, la quale è la distribuzione condizionata della quantità incerta una volta ottenuti i dati. Spesso una distribuzione a priori è l'accertamento soggettivo (elicitazione) di una persona esperta. Quando possibile, alcuni sceglieranno una "distribuzione a priori coniugata" per rendere più semplice il calcolo della distribuzione a posteriori. I parametri di una distribuzione a priori sono chiamati "iperparametri", per distinguerli dai parametri del modello dei dati sottostanti. Per esempio, se si sta usando una distribuzione beta per modellare la distribuzione di un parametro "p" di una distribuzione di Bernoulli, allora: Una "distribuzione a priori informativa" esprime una specifica, definita informazione circa una variabile. Un esempio è la distribuzione a priori per la temperatura di domattina. Un approccio ragionevole è costruire la distribuzione a priori come una distribuzione normale con valore atteso uguale alla temperatura mattutina di oggi, con una varianza uguale alla varianza giorno per giorno della temperatura atmosferica, oppure come una distribuzione della temperatura per quel tal giorno dell'anno. Questo esempio ha una proprietà in comune con molte distribuzioni a priori, ovvero che la distribuzione a posteriori di un problema (temperatura odierna) diventa la distribuzione a priori per un altro problema (temperatura di domani); l'evidenza preesistente, che è già stata tenuta in conto, è parte della distribuzione a priori e come ulteriore evidenza viene accumulata. La distribuzione a priori è largamente determinata dall'evidenza piuttosto che da qualche assunzione originale, sempre che l'assunzione originale ammetta la possibilità (ossia sia compatibile) con quello che l'evidenza suggerisce. I termini "a priori" e "a posteriori" sono generalmente relativi a un dato o un'osservazione specifica. Una "distribuzione a priori non informativa" esprime vaghezza o informazione a carattere generale circa una variabile. Il termine "non informativa" può essere un po' fuorviante; spesso, tale tipo di distribuzione è chiamata "a priori non molto informativa", oppure "a priori oggettiva", cioè una distribuzione che non è soggettivamente esplicitata. Le distribuzioni a priori non informative possono esprimere informazione "oggettiva" come ad esempio "la variabile è positiva" oppure "la variabile è minore di tal limite". La più semplice e vecchia regola per determinare una distribuzione a priori non informativa è il principio d'indifferenza, il quale assegna a tutti gli eventi uguale probabilità. In problemi di stima parametrica, l'uso di una distribuzione a priori non informativa dà risultati che sono non troppo differenti dall'analisi statistica convenzionale. Questo accade in quanto la funzione di verosimiglianza fornisce la parte maggiore dell'informazione rispetto a quella fornita dalla distribuzione a priori non informativa nel determinare una distribuzione a posteriori. Vari tentativi sono stati fatti per trovare probabilità a priori, cioè distribuzioni di probabilità in un certo senso logicamente richieste dalla natura di uno stato di incertezza; queste sono soggette a controversia filosofica, con i sostenitori del metodo bayesiano approssimativamente divisi in due scuole: i "bayesiani oggettivistici", che credono che tali distribuzioni a priori esistano in molte situazioni, e i "bayesiani soggettivisti" che credono che in pratica le distribuzioni a priori rappresentino giudizi di opinione che non possono essere rigorosamente giustificati. Per la maggiore le più forti argomentazioni a favore della scuola oggettivistica furono date da Edwin T. Jaynes. Come esempio di una distribuzione a priori, dovuta a, consideriamo una situazione in cui sappiamo che una pallina è nascosta sotto una di tre tazze rovesciate, A, B o C, ma nessun'altra informazione è disponibile circa la sua posizione. In questo caso una distribuzione a priori uniforme di formula_1 sembra intuitivamente verosimile la sola scelta ragionevole. Più formalmente, noi possiamo vedere che il problema rimane lo stesso se scambiamo le lettere identificative "A", "B" e "C" delle tazze. Sarebbe perciò strano scegliere una distribuzione a priori per la quale una permutazione delle lettere causerebbe un cambio nella nostra predizione circa la posizione dove la pallina sarà trovata; la distribuzione a priori uniforme è la sola che preserva questa invarianza. Se si accetta questo principio di invarianza allora si può vedere che la distribuzione a priori uniforme è la distribuzione logicamente corretta che rappresenta questo stato di conoscenza a priori. Si avrà notato che questa distribuzione a priori è "oggettiva" nel senso di essere la scelta corretta per rappresentare un particolare stato di conoscenza, ma non è oggettiva nel senso di essere una caratteristica del sistema osservato indipendente dall'osservatore: in realtà la pallina esiste sotto una specifica tazza e in questa situazione ha solo senso parlare di probabilità se c'è un osservatore con una conoscenza limitata del sistema ossia della posizione della pallina sotto le tazze. Come esempio più controverso, Jaynes pubblicò un argomento basato sui gruppi di Lie suggerente che la distribuzione a priori rappresentante in maniera completa l'incertezza sarebbe la distribuzione a priori di Haldane "p"(1 − "p"). L'esempio fornito da Jaynes è quello di trovare un chimico in un laboratorio e di chiedergli di eseguire ripetutamente degli esperimenti di dissoluzione in acqua. La distribuzione a priori di Haldane da prevalentemente la maggiore probabilità agli eventi formula_2 and formula_3, indicando che il campione ogni volta si scioglierà oppure no, con uguale probabilità. Tuttavia se sono stati osservati campioni non disciogliersi in un esperimento e disciogliersi in un altro, allora questa distribuzione a priori è aggiornata alla distribuzione uniforme sull'intervallo [0, 1]. Questo risultato si ottiene applicando il teorema di Bayes all'insieme di dati consistente in un'osservazione di dissoluzione e una di non dissoluzione, usando la distribuzione a priori precedente. sulla base che essa fornisce una distribuzione a posteriori impropria che pone il 100% del contenuto di probabilità sia a "p" = 0 o a "p" = 1 se un numero finito di esperimenti ha dato lo stesso risultato (ad esempio il discioglimento). La distribuzione a priori di Jeffreys "p"(1 − "p") è perciò preferita ("cfr." sotto). Se lo spazio parametrico X è dotato di una struttura di gruppo naturale che lascia invariato il nostro stato di conoscenza bayesiano, allora la distribuzione a priori può essere costruita proporzionale alla Misura di Haar. Questo può essere visto come una generalizzazione del principio di invarianza che giustificava la distribuzione a priori uniforme dell'esempio delle tre tazze visto sopra. Per esempio, in fisica ci si aspetta che un esperimento dia i medesimi risultati indipendentemente dalla scelta dell'origine del sistema di coordinate. Questo induce la struttura gruppale del gruppo delle traslazioni su "X", il quale determina la distribuzione di probabilità a priori come una distribuzione a priori impropria costante. Analogamente alcuni sistemi fisici presentano un'invarianza di scala (ossia i risultati sperimentali sono indipendenti dal fatto che, ad esempio, usiamo centimetri o pollici). In tal caso il gruppo di scala è la struttura di gruppo naturale, e la corrispondente distribuzione a priori su "X" è proporzionale a 1/"x". Qualche volta risulta importante se viene usata la misura di Haar invariante a sinistra piuttosto che quella invariante a destra. Per esempio, le misure di Haar invarianti a destra e a sinistra sul gruppo affine non sono uguali. Berger (1985, p. 413) arguisce che la scelta corretta è la misura di Haar invariante a destra. Un'altra idea, supportata da Edwin T. Jaynes, è di usare il principio di massima entropia (MAXENT). La motivazione è che l'entropia di Shannon di una distribuzione di probabilità misura l'ammontare di informazione contenuta nella distribuzione. Maggiore è l'entropia, minore è l'informazione fornita dalla distribuzione. Perciò, mediante la massimizzazione dell'entropia sopra un adeguato insieme di distribuzioni di probabilità su "X", si trova la distribuzione che è meno informativa nel senso che essa contiene il minore ammontare di informazione consistente con le costrizioni definite dall'insieme scelto. Per esempio, la distribuzione a priori di massima entropia su uno spazio discreto, dato solo il fatto che la probabilità è normalizzata a 1, è la distribuzione a priori che assegna uguale probabilità ad ogni stato. Mentre nel caso continuo, la distribuzione a priori di massima entropia con densità normalizzata, media nulla e varianza unitaria, è la ben nota distribuzione normale. Il principio di minima entropia incrociata generalizza il principio di massima entropia al caso di "aggiornamento" di una distribuzione a priori arbitraria con adeguate costrizioni nel senso di massima entropia. Un'idea collegata, la distribuzione a priori di riferimento, fu introdotta da José-Miguel Bernardo. Qui l'idea è di massimizzare il valore atteso della divergenza di Kullback–Leibler della distribuzione a posteriori rispetto alla distribuzione a priori. Questo massimizza l'informazione attesa riguardante "X" quando la densità a priori è "p"("x"); perciò, in un certo senso, "p"("x") è la distribuzione a priori "meno informativa" riguardo X. La distribuzione a priori di riferimento è definita nel limite asintotico, cioè si considera il limite delle distribuzioni a priori così ottenute come il numero di dati va all'infinito. Nei problemi multivariati spesso vengono scelte come distribuzioni a priori oggettive le distribuzioni a priori di riferimento, dato che altre scelte (ad esempio la regola di Jeffreys possono portare a distribuzioni a priori dal comportamento problematico. Distribuzioni a priori oggettive possono anche essere derivate da altri principi, come le teorie dell'informazione o le teorie della codifica (vedi ad esempio lunghezza di descrizione minima) oppure della statistica frequentista. Problemi filosofici legati alle distribuzioni a priori non informative sono associati alla scelta di una metrica appropriata o scala di misurazione. Supponiamo di volere una distribuzione a priori per la valocità di un corridore a noi sconosciuto. Potremmo specificare, diciamo, per la sua velocità una distribuzione a priori di tipo normale, ma in alternativa potremmo specificare una distribuzione a priori normale per il tempo impiegato a percorrere 100 metri, il quale è proporzionale al reciproco della prima distribuzione a priori. Queste due distribuzioni a priori sono effettivamente differenti, ma non è chiaro quale delle due preferire. Il metodo, spesso sopravvalutato, di trasformazione dei gruppi di Jaynes può rispondere a tale questione in varie situazioni. In maniera simile, se ci è chiesto di stimare una proporzione incognita tra 0 e 1, noi possiamo affermare che tutte le proporzioni sono ugualmente probabili ed usare una distribuzione a priori uniforme. Alternativamente, potremmo dire che tutti gli ordini di grandezza per la proporzione sono ugualmente probabili, e scegliere la distribuzione a priori logaritmica, la quale è la distribuzione a priori uniforme sul logaritmo della proporzione. La distribuzione a priori di Jeffreys tenta di risolvere questo problema calcolando una distribuzione a priori che esprime la medesima credenza indipendentemente dalla metrica utilizzata. La distribuzione a priori di Jeffreys per una proporzione incognita "p" è "p"(1 − "p"), che differisce da quella raccomandata da Jaynes. Distribuzioni a priori basate sulla nozione di probabilità algoritmica vengono impiegate nel campo dell'inferenza induttiva come base induttiva in configurazioni del tutto generali. Problemi pratici associati con le distribuzioni a priori non informative includono il requisito che la distribuzione a posteriori sia propria. Le distribuzioni a priori non informative su variabili continue, non limitate sono improprie. Questo non è necessariamente un problema se la distribuzione a posteriori è propria. Un altro argomento importante è quello in cui se una distribuzione a priori non informativa viene usata in maniera regolare, cioè con svariati insiemi di dati, allora essa avrebbe buone proprietà frequentiste. Normalmente un bayesiano non dovrebbe porsi questo problema, ma potrebbe essere importante farlo in questa situazione. Per esempio, uno potrebbe volere che qualsiasi regola di decisione basata sulla distribuzione a posteriori sia ammissibile sotto la funzionedi perdita adottata. Sfortunatamente, l'ammissibilità è difficile da verificare, nonostante vari risultati siano noti ("cfr." ad esempio, Berger and Strawderman, 1996). Il problema è particolarmente acuto con i modelli di Bayes gerarchici; le distribuzioni a priori usuali (ad esempio la distribuzione a priori di Jeffreys) possono dare regole di decisione praticamente inammissibili se impiegate ai livelli gerarchici più elevati. Se il teorema di Bayes viene scritto come allora è chiaro che si otterrebbe il medesimo risultato se tutte le probabilità a priori "P"("A") e "P"("A") fossero moltiplicate per una data costante; lo stesso sarebbe vero per una variabile casuale continua. Se la sommatoria al denominatore converge, le probabilità a posteriori sommeranno (o integreranno) ancora a 1 anche se i valori della distribuzione a priori non lo fanno, e in tal modo può solo essere necessario richiedere alle distribuzioni a priori di essere specificate nella proporzione corretta. Spingendo oltre questa idea, in molti casi non è neanche richiesto che la somma o l'integrale dei valori della distribuzione a priori sia finita per ottenere risposte significative circa le probabilità a posteriori. Quando questo è il caso, la distribuzione a priori è chiamata distribuzione a priori impropria. Tuttavia, se la distribuzione a priori è impropria, allora non è necessario che la distribuzione a posteriori sia propria. Questo è chiaro nella situazione in cui l'evento "B" è indipendente da tutti gli altri eventi "A". Vari statistici usano le distribuzioni a priori improprie come distribuzioni a priori non informative. Per esempio, se hanno bisogno di una distribuzione a priori per la media e la varianza di una variabile casuale, allora essi assumono "p"("m", "v") ~ 1/"v" (per "v" > 0) il che suggerirebbe che qualsiasi valore per la media è "ugualmente probabile" e che un valore per la varianza positiva diventa "meno probabile" in proporzione inversa al suo valore. Molti autori (Lindley, 1973; De Groot, 1937; Kass and Wasserman, 1996) mettono in guardia contro il pericolo di sovra-interpretare tali distribuzioni a priori poiché non sono densità di probabilità. La loro sola rilevanza che esse hanno si trova nella distribuzione a posteriori corrispondente, fintanto che questa è ben definita per tutte le osservazioni. (La distribuzione a priori di Haldane è un tipico controesempio.) Esempi di distribuzioni a priori includono: Il concetto di probabilità algoritmica fornisce una via per specificare la probabilità delle distribuzioni a priori basata sulla complessità relativa di modelli presi in considerazione e tra loro alternativi.

Distribuzione di probabilità a priori

Il test di verifica d'ipotesi si utilizza per verificare la bontà di un'ipotesi. Per ipotesi è da intendersi un'affermazione che ha come oggetto accadimenti nel mondo reale, che si presta ad essere confermata o smentita dai dati osservati sperimentalmente. Il metodo con cui si valuta l'attendibilità di un'ipotesi è il metodo sperimentale. Quest'ultimo consiste nel determinare le conseguenze di un'ipotesi in termini di eventi osservabili, e di valutare se la realtà effettivamente osservata si accorda o meno con l'ipotesi su di essa fatta. A tal riguardo si distinguono due ambiti in cui tale attività si esplica: Nell'ambito statistico, a seconda delle ipotesi si distingue tra: Nel primo caso, si tende a pervenire a delle conclusioni più sicure possibili. Ad esempio volendo provare se in un circuito elettrico passa corrente si inserirà una lampadina o un amperometro e si constaterà l'accensione o l'attivazione dello strumento. In tal caso si perviene con maggior sicurezza alla conclusione. Se la lampadina si accende allora passa corrente; in caso contrario il circuito non è predisposto correttamente. In questo ambito, se nel circuito passa corrente la maggior parte delle volte che si inserisce una lampadina questa si accende. In caso contrario il ripetuto inserimento della lampadina darà sempre esito negativo. Nel secondo caso la situazione è modificata in quanto interviene un elemento nuovo, ovvero il caso e/o l'errore di misura. Si supponga di avere una moneta recante due facce contrassegnate con testa e croce. Volendo verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta si eseguono 20 lanci e si contano quelli che danno esito testa. La conseguenza del bilanciamento consiste nell'osservare un valore di teste attorno a 10. Tuttavia anche in ipotesi di bilanciamento non si può escludere di osservare 20 teste. D'altronde, l'ipotesi di bilanciamento è logicamente compatibile con un numero di teste variante da 0 a 20. In tale contesto una qualsiasi decisione in merito all'ipotesi da verificare comporta un rischio di errore. Ad esempio rigettare l'ipotesi di bilanciamento della moneta avendo osservato 20 teste su 20 lanci comporta il rischio di prendere una decisione errata. Nel procedere alla verifica dell'ipotesi di bilanciamento della moneta, si ricorre a una variabile casuale X. Tale variabile casuale X è una variabile aleatoria discreta con distribuzione binomiale B(20; 0,5), dove 20 indica il numero di lanci e 0,5 la probabilità che si verifichi l'evento "testa". Il risultato sperimentale si deve quindi confrontare con tale distribuzione: quanto è distante tale risultato dal valore medio della distribuzione B(20; 0,5)? Per rispondere alla domanda si deve individuare un valore caratteristico della distribuzione B(20; 0,5). Nel nostro caso tale valore caratteristico è il valore medio 20/2 = 10. Per valutare la distanza tra il valore sperimentale e quello atteso si valuta la probabilità di ottenere un valore sperimentale lontano dal valore medio di B(20; 0,5), ossìa nel caso che dal nostro esperimento risulti X=15 (15 teste dopo 20 lanci), si calcola P{|X-10|>=15-10} quindi P{X<=5 oppure X>=15}=0,041. Quindi, usando una moneta ben bilanciata, la probabilità di ottenere un numero di teste X >= 15 (oppure X <= 5) dopo 20 lanci è pari a 0,041 ossia al 4,1%. Giudicando bassa tale probabilità si rifiuterà l'ipotesi di bilanciamento della moneta in esame, accettando quindi il rischio del 4,1% di compiere un errore nel rifiutarla. Di solito, il valore della probabilità adottato per rifiutare l'ipotesi nulla è < 0,05. Tale valore è detto livello di significatività ed è definibile come segue: il livello di significatività sotto l'ipotesi nulla è la probabilità di cadere nella zona di rifiuto quando l'ipotesi nulla è vera. Tale livello di significatività si indica convenzionalmente con α. Il livello di significatività osservato α del test per il quale si rifiuterebbe l'ipotesi nulla è detto valore-p ("p-value"). Riprendendo l'esempio sopra riportato il valore-p è pari a 0,041. Adottando nell'esempio α = 0,05, si rifiuterà l'ipotesi se P{|X-10|>=x}<0,05. Tale condizione si raggiunge appunto se X<6 oppure X>14. Tale insieme di valori si definisce convenzionalmente come regione di rifiuto. Viceversa l'insieme { 6,7…14} si definisce regione di accettazione. In questo modo si è costruita una regola di comportamento per verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta. Tale regola definisce il test statistico. In termini tecnici l'ipotesi da verificare si chiama ipotesi nulla e si indica con "H", mentre l'ipotesi alternativa con "H". Nel caso della moneta, se "p" è la probabilità di ottenere testa in un lancio la verifica di ipotesi si traduce nel seguente sistema: Come già osservato, il modo di condurre un test statistico comporta un rischio di errore. Nella pratica statistica si individuano due tipi di errori: Tornando all'esempio della moneta in cui la regione di accettazione è data dall'insieme di valori {6..14}, la probabilità di rifiutare H quando è vera è stato calcolato pari a 0,041.Tale probabilità rappresenta il rischio di incorrere in un errore di primo tipo e si indica con α. Per valutare la probabilità di un errore di secondo tipo è necessario specificare un valore di "p" in caso di verità di H. Si supponga che p=0,80, in tal caso la distribuzione di X è una B(20;0,80) Con tale distribuzione di probabilità, l'errore di tipo "2" si calcola sommando le probabilità relative ai valori di X della zona di accettazione, ciò supponendo H vera. Si trova quindi che la probabilità cercata è pari a circa 0,20. Tale probabilità quantifica il rischio di incorrere nell'errore di tipo "2." e si indica convenzionalmente con β. La quantità 1-β si chiama "potenza del test" ed esprime quindi la capacità di un test statistico di riconoscere la falsità di H quando questa è effettivamente falsa. La potenza del test trova applicazione nella pratica statistica in fase di pianificazione di un esperimento.

Test di verifica d'ipotesi

Una foresta casuale (in inglese: "random forest") è un classificatore d'insieme ottenuto dall'aggregazione tramite bagging di alberi di decisione L'algoritmo per la creazione di una una foresta casuale fu sviluppato orignariamente da Leo Breiman e Adele Cutler. Il nome viene dalle foreste di decisione casuali che furono proposte per primo da Tin Kam Ho dei Bell Labs nel 1995. Il metodo combina l'idea dell'insaccamento di Breiman della selezione casuale delle caratteristiche, introdotta indipendentemente da Ho e Amit Geman per costruire una collezione di alberi di decisione con la variazione controllata. La selezione di un sottoinsieme di caratteristiche è un esempio del metodo del sottoinsieme casuale che, nella formulazione di Ho, è un modo di implementare la discriminazione stocastica proposta da Eugene Kleinberg.

Foresta casuale

L’apprendimento automatico (noto anche come machine learning) è una branca dell'intelligenza artificiale che raccoglie un insieme di metodi, sviluppati a partire dagli ultimi decenni del XX secolo in varie comunità scientifiche, sotto diversi nomi quali: statistica computazionale, riconoscimento di pattern, reti neurali artificiali, filtraggio adattivo, teoria dei sistemi dinamici, elaborazione delle immagini, data mining, algoritmi adattivi, ecc; che utilizza metodi statistici per migliorare progressivamente la performance di un algoritmo nell'identificare pattern nei dati. Nell'ambito dell'informatica, l'apprendimento automatico è una variante alla programmazione tradizionale nella quale si predispone in una macchina l'abilità di apprendere qualcosa dai dati in maniera autonoma, senza ricevere istruzioni esplicite a riguardo. Lo stesso Arthur Samuel che coniò il termine nel 1959 in linea di principio identifica due approcci distinti. Il primo metodo, indicato come rete neurale, porta allo sviluppo di macchine ad apprendimento automatico per impiego generale in cui il comportamento è appreso da una rete di commutazione connessa casualmente, a seguito di una routine di apprendimento basata su ricompensa e punizione (apprendimento per rinforzo). Il secondo metodo, più specifico, consiste nel riprodurre l'equivalente di una rete altamente organizzata progettata per imparare solo alcune attività specifiche. La seconda procedura, che necessita di supervisione, richiede la riprogrammazione per ogni nuova applicazione, ma risulta essere molto più efficiente dal punto di vista computazionale. L'apprendimento automatico è strettamente legato al riconoscimento di pattern e alla teoria computazionale dell'apprendimento ed esplora lo studio e la costruzione di algoritmi che possano apprendere da un insieme di dati e fare delle predizioni su questi, costruendo in modo induttivo un modello basato su dei campioni. L'apprendimento automatico viene impiegato in quei campi dell'informatica nei quali progettare e programmare algoritmi espliciti è impraticabile; tra le possibili applicazioni citiamo il filtraggio delle email per evitare spam, l'individuazione di intrusioni in una rete o di intrusi che cercano di violare dati, il riconoscimento ottico dei caratteri, i motori di ricerca e la visione artificiale. L'apprendimento automatico è strettamente collegato, e spesso si sovrappone con la statistica computazionale, che si occupa dell'elaborazione di predizioni tramite l'uso di computer. L'apprendimento automatico è anche fortemente legato all'ottimizzazione matematica, che fornisce metodi, teorie e domini di applicazione a questo campo. Per usi commerciali, l'apprendimento automatico è conosciuto come analisi predittiva. L'apprendimento automatico si sviluppa con lo studio dell'intelligenza artificiale, e vi è strettamente collegato: infatti già dai primi tentativi di definire l'intelligenza artificiale come disciplina accademica, alcuni ricercatori si erano mostrati interessati alla possibilità che le macchine imparassero dai dati. Questi ricercatori, in particolare Marvin Minsky, Arthur Samuel e Frank Rosenblatt, provarono ad avvicinarsi al problema sia attraverso vari metodi formali, sia con quelle che vengono definite reti neurali nei tardi anni '50. Le reti neurali erano allora costituite da singoli percettroni e da modelli matematici derivati dal modello lineare generalizzato della statistica, come l'ADALINE di Widrow. Si provò a sfruttare anche ragionamenti probabilistici, in particolare nelle diagnosi mediche automatiche. Sempre negli anni '50, Alan Turing propose l'idea di una "macchina che apprende", ovvero in grado di imparare e dunque diventare intelligente. La proposta specifica di Turing anticipa gli algoritmi genetici. Tuttavia già dalla metà degli anni '50 lo studio dell'intelligenza artificiale si stava concentrando su approcci logici di tipo "knowledge-based", nota oggi sotto il nome di GOFAI, causando un distacco tra lo studio dell'IA e quello dell'apprendimento automatico. Sistemi di tipo probabilistico erano invasi di problemi sia teoretici sia pratici in termini di acquisizione e rappresentazione dei dati. Negli anni Ottanta, i sistemi esperti dominavano il campo dell'IA, e i sistemi basati sulla statistica non venivano più studiati. Lo studio dell'apprendimento simbolico e "knowledge-based" continuò nell'ambito dell'IA, portando a sviluppare la programmazione logica induttiva, ma ora la ricerca più prettamente statistica si svolgeva al di fuori del campo vero e proprio dell'intelligenza artificiale, nel riconoscimento di pattern e nell'information retrieval. Un altro motivo per cui lo studio dell'apprendimento automatico fu abbandonato fu la pubblicazione del libro "Perceptrons: an introduction to computational geometry" di Marvin Minsky e Seymour Papert, che vi descrivevano alcune delle limitazioni dei percettroni e delle reti neurali. La ricerca sulle reti neurali subì un significativo rallentamento a causa dell'interpretazione del libro, che le descriveva come intrinsecamente limitate. Anche la linea di ricerca sulle reti neurali continuò al di fuori del campo dell'IA, portata avanti da ricercatori provenienti da altre discipline quali Hopfield, Rumelhart, Hinton e Fukushima. Il loro successo principale fu a metà degli anni '80 con la riscoperta della "backpropagation" e della self-organization. L'apprendimento automatico, sviluppatosi come campo di studi separato dall'IA classica, cominciò a rifiorire negli anni '90. Il suo obiettivo cambiò dall'ottenere l'intelligenza artificiale ad affrontare problemi risolvibili di natura pratica. Distolse inoltre la propria attenzione dagli approcci simbolici che aveva ereditato dall'IA, e si diresse verso metodi e modelli presi in prestito dalla statistica e dalla teoria della probabilità. L'apprendimento automatico ha inoltre beneficiato dalla nascita di Internet, che ha reso l'informazione digitale più facilmente reperibile e distribuibile. Tom M. Mitchell ha fornito la definizione più citata di apprendimento automatico nel suo libro ""Machine Learning"": ""Si dice che un programma apprende dall'esperienza E con riferimento a alcune classi di compiti T e con misurazione della performance P, se le sue performance nel compito T, come misurato da P, migliorano con l'esperienza E."" In poche parole, si potrebbe semplificare dicendo che un programma apprende se c'è un miglioramento delle prestazioni dopo un compito svolto. Questa definizione di Mitchell è rilevante poiché fornisce una definizione operativa dell'apprendimento automatico, invece che in termini cognitivi. Fornendo questa definizione, Mitchell di fatto segue la proposta che Alan Turing fece nel suo articolo ""Computing Machinery and Intelligence"", sostituendo la domanda ""Le macchine possono pensare?"" con la domanda ""Le macchine possono fare quello che noi (in quanto entità pensanti) possiamo fare?"". L'obiettivo principe dell'apprendimento automatico è che una macchina sia in grado di generalizzare dalla propria esperienza, ossia che sia in grado di svolgere ragionamenti induttivi. In questo contesto, per generalizzazione si intende l'abilità di una macchina di portare a termine in maniera accurata esempi o compiti nuovi, che non ha mai affrontato, dopo aver fatto esperienza su un insieme di dati di apprendimento. Gli esempi di addestramento (in inglese chiamati "training examples") si assume provengano da una qualche distribuzione di probabilità, generalmente sconosciuta e considerata rappresentativa dello spazio delle occorrenze del fenomeno da apprendere; la macchina ha il compito di costruire un modello probabilistico generale dello spazio delle occorrenze, in maniera tale da essere in grado di produrre previsioni sufficientemente accurate quando sottoposta a nuovi casi. L'analisi computazionale degli algoritmi di apprendimento automatico e delle loro prestazioni è una branca dell'Informatica teorica chiamata teoria dell'apprendimento. Dato che gli esempi di addestramento sono insiemi finiti di dati e non c'è modo di sapere l'evoluzione futura di un modello, la teoria dell'apprendimento non offre alcuna garanzia sulle prestazioni degli algoritmi. D'altro canto, è piuttosto comune che tali prestazioni siano vincolate da limiti probabilistici. Il bias-variance tradeoff è uno dei modi di quantificare l'errore di generalizzazione. Affinché la generalizzazione offra le migliori prestazioni possibili, la complessità dell'ipotesi induttiva deve essere pari alla complessità della funzione sottostante i dati. Se l'ipotesi è meno complessa della funzione, allora il modello manifesta "underfitting". Quando la complessità del modello viene aumentata in risposta, allora l'errore di apprendimento diminuisce. Al contrario invece se l'ipotesi è troppo complessa, allora il modello manifesta overfitting e la generalizzazione sarà più scarsa. Oltre ai limiti di prestazioni, i teorici dell'apprendimento studiano la complessità temporale e la fattibilità dell'apprendimento stesso. Una computazione è considerata fattibile se può essere svolta in tempo polinomiale. I compiti dell'apprendimento automatico vengono tipicamente classificati in tre ampie categorie, a seconda della natura del "segnale" utilizzato per l'apprendimento o del "feedback" disponibile al sistema di apprendimento. Queste categorie, anche dette paradigmi, sono: A metà strada tra l'apprendimento supervisionato e quello non supervisionato c'è l'apprendimento semi-supervisionato, nel quale l'insegnante fornisce un dataset incompleto per l'allenamento, cioè un insieme di dati per l'allenamento tra i quali ci sono dati senza il rispettivo output desiderato. La trasduzione è un caso speciale di questo principio, nel quale l'intero insieme delle istanze del problema è noto durante l'apprendimento, eccetto la parte degli output desiderati che è mancante. Un'altra categorizzazione dei compiti dell'apprendimento automatico si rileva quando si considera l'output desiderato del sistema di apprendimento automatico. L'apprendimento automatico e la statistica sono discipline strettamente collegate. Secondo Michael I. Jordan, le idee dell'apprendimento automatico, dai principi metodologici agli strumenti teorici, sono stati sviluppati prima in statistica. Jordan ha anche suggerito il termine data science come nome con cui chiamare l'intero campo di studi. Leo Breiman ha distinto due paradigmi statistici di modellazione: modello basato sui dati e modello basato sugli algoritmi, dove "modello basato sugli algoritmi" indica approssimativamente algoritmi di apprendimento automatico come la foresta casuale. Alcuni statistici hanno adottato metodi provenienti dall'apprendimento automatico, il che ha portato alla creazione di una disciplina combinata chiamata "apprendimento statistico". L'apprendimento automatico viene a volte unito al data mining, che si focalizza maggiormente sull'analisi esplorativa dei dati ed utilizza principalmente il paradigma di apprendimento chiamato "apprendimento non supervisionato". Invece, l'apprendimento automatico può essere anche supervisionato. L'apprendimento automatico e il "data mining" infatti si sovrappongono in modo significativo, ma mentre l'apprendimento automatico si concentra sulla previsione basata su proprietà note apprese dai dati, il data mining si concentra sulla scoperta di proprietà prima "sconosciute" nei dati. Il data mining sfrutta i metodi dell'apprendimento automatico, ma con obiettivi differenti; d'altro canto, l'apprendimento automatico utilizza i metodi di data mining come metodi di apprendimento non supervisionato o come passi di preprocessing per aumentare l'accuratezza dell'apprendimento. Gran parte della confusione tra le due comunità di ricerca scaturisce dall'assunzione di base del loro operato: nell'apprendimento automatico, le prestazioni sono generalmente valutate in base all'abilità di riprodurre conoscenza già acquisita, mentre in data mining il compito chiave è la scoperta di conoscenza che prima non si aveva. L'apprendimento automatico ha legami molto stretti con l'ottimizzazione: molti problemi di apprendimento sono formulati come la minimizzazione di una qualche funzione di costo su un insieme di esempi di apprendimento. La funzione di costo (o funzione di perdita) rappresenta la discrepanza tra le previsioni del modello che si sta addestrando e le istanze del problema reale. Le differenze tra i due campi (l'apprendimento automatico e l'ottimizzazione) sorgono dall'obiettivo della generalizzazione: mentre gli algoritmi di ottimizzazione possono minimizzare la perdita su un insieme di apprendimento, l'apprendimento automatico si preoccupa di minimizzare la perdita su campioni mai visti dalla macchina. La risoluzione automatica di problemi avviene, nel campo dell'informatica, in due modi differenti: tramite paradigmi di "hard computing" o tramite paradigmi di "soft computing". Per "hard computing" si intende la risoluzione di un problema tramite l'esecuzione di un algoritmo ben definito e decidibile. La maggior parte dei paradigmi di "hard computing" sono metodi ormai consolidati, ma presentano alcuni lati negativi: infatti richiedono sempre un modello analitico preciso e definibile, e spesso un alto tempo di computazione. Le tecniche di "soft computing" d'altro canto antepongono il guadagno nella comprensione del comportamento di un sistema a scapito della precisione, spesso non necessaria. I paradigmi di "soft computing" si basano su due principi: L'apprendimento automatico si avvale delle tecniche di "soft computing". La programmazione logica induttiva (anche ILP, dall'inglese "inductive logic programming") è un approccio all'apprendimento di regole che usa la programmazione logica come rappresentazione uniforme per gli esempi di input, per la conoscenza di base della macchina, e per le ipotesi. Data una codifica della (nota) conoscenza di base e un insieme di esempi rappresentati come fatti in una base di dati logica, un sistema ILP deriva un programma logico ipotetico da cui conseguono tutti gli esempi positivi, e nessuno di quelli negativi. La programmazione induttiva è un campo simile che considera ogni tipo di linguaggio di programmazione per rappresentare le ipotesi invece che soltanto la programmazione logica, come ad esempio programmi funzionali. L'albero di decisione è un metodo di apprendimento per approssimazione di una funzione obiettivo discreta in cui l'elemento che apprende è rappresentato da un albero di decisione. Gli alberi di decisione possono essere rappresentati da un insieme di regole if-else per migliorare la leggibilità umana. L'apprendimento automatico basato su regole di associazione è un metodo di apprendimento che identifica, apprende ed evolve delle "regole" con l'intento di immagazzinare, manipolare e applicare conoscenza. La caratteristica principale di questo tipo di apprendimento è l'identificazione ed utilizzo di un insieme di regole relazionali che rappresenta nel suo insieme la conoscenza catturata dal sistema. Ciò si pone in controtendenza con altri tipi di apprendimento automatico che normalmente identificano un singolo modello che può essere applicato universalmente ad ogni istanza per riuscire a fare su di essa una previsione. Gli approcci dell'apprendimento basato su regole di associazione includono il sistema immunitario artificiale. Una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la sua struttura basata su informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Inoltre esse sono robuste agli errori presenti nel training data. Gli algoritmi genetici forniscono un approccio all'apprendimento che è liberamente ispirato all'evoluzione simulata. La ricerca di una soluzione del problema inizia con una popolazione di soluzioni iniziale. I membri della popolazione attuale danno luogo a una popolazione di nuova generazione per mezzo di operazioni quali la mutazione casuale e crossover, che sono modellati sui processi di evoluzione biologica. Ad ogni passo, le soluzioni della popolazione attuale sono valutate rispetto a una determinata misura di fitness, con le ipotesi più adatte selezionate probabilisticamente come semi per la produzione della prossima generazione. Gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo a una varietà di compiti di apprendimento e di altri problemi di ottimizzazione. Ad esempio, essi sono stati usati per imparare raccolte di norme per il controllo del robot e per ottimizzare la topologia dei parametri di apprendimento per reti neurali artificiali. Il ragionamento bayesiano fornisce un approccio probabilistico di inferenza. Esso si basa sul presupposto che le quantità di interesse sono disciplinate da distribuzioni di probabilità e che le decisioni ottimali possono essere prese a seguito dell'analisi di queste probabilità insieme ai dati osservati. Nell'ambito dell'apprendimento automatico, la teoria Bayesiana è importante perché fornisce un approccio quantitativo per valutare le prove a sostegno dell'ipotesi alternativa. Il Ragionamento bayesiano fornisce la base per l'apprendimento negli algoritmi che manipolano direttamente le probabilità. Macchine a vettori di supporto ("Support Vector Machine", SVM) sono un insieme di metodi di apprendimento supervisionato usati per la classificazione e la regressione di pattern. Dato un insieme di esempi di addestramento, ciascuno contrassegnato come appartenente a due possibili categorie, un algoritmo di addestramento SVM costruisce un modello in grado di prevedere a quale categoria deve appartenere un nuovo esempio di input. La discesa dei prezzi per l'hardware e lo sviluppo di GPU per uso personale negli ultimi anni hanno contribuito allo sviluppo del concetto di apprendimento profondo, che consiste nello sviluppare livelli nascosti multipli nelle reti neurali artificiali. Questo approccio tenta di modellizzare il modo in cui il cervello umano processa luce e suoni e li interpreta in vista e udito. Alcune delle applicazioni più affermate dell'apprendimento profondo sono la visione artificiale e il riconoscimento vocale. La cluster analisi, o clustering, è in grado di rilevare similarità strutturali tra le osservazioni di un dataset attraverso l'assegnazione di un insieme di osservazioni in sottogruppi ("cluster") di elementi tra loro omogenei. Il clustering è un metodo di apprendimento non supervisionato, e una tecnica comune per l'analisi statistica dei dati. Tutti i sistemi di riconoscimento vocale di maggior successo utilizzano metodi di apprendimento automatico. Ad esempio, il SPHINXsystem impara le strategie di altoparlanti specifici per riconoscere i suoni primitivi (fonemi) e le parole del segnale vocale osservato. Metodi di apprendimento basati su reti neurali e su modelli di Markov nascosti sono efficaci per la personalizzazione automatica di vocabolari, caratteristiche del microfono, rumore di fondo, ecc. Metodi di apprendimento automatico sono stati usati per addestrare i veicoli controllati da computer. Ad esempio, il sistema ALVINN ha usato le sue strategie per imparare a guidare senza assistenza a 70 miglia all'ora per 90 miglia su strade pubbliche, tra le altre auto. Con tecniche simili sono possibili applicazioni in molti problemi di controllo basato su sensori. Metodi di apprendimento automatico sono stati applicati ad una varietà di database di grandi dimensioni per imparare regolarità generali implicito nei dati. Ad esempio, algoritmi di apprendimento basati su alberi di decisione sono stati usati dalla NASA per classificare oggetti celesti a partire dal secondo Palomar Observatory Sky Survey. Questo sistema è oggi utilizzato per classificare automaticamente tutti gli oggetti nel Sky Survey, che si compone di tre terabyte di dati immagine. I programmi per computer di maggior successo per il gioco del backgammon sono basati su algoritmi di apprendimento. Ad esempio, il miglior programma di computer al mondo per backgammon, TD-Gammon, ha sviluppato la sua strategia giocando oltre un milione di partite di prova contro se stesso. Tecniche simili hanno applicazioni in molti problemi pratici in cui gli spazi di ricerca molto rilevanti devono essere esaminati in modo efficiente. L'apprendimento automatico solleva un numero di problematiche etiche. I sistemi addestrati con insiemi di dati faziosi o pregiudizievoli possono esibire questi pregiudizi quando vengono interpellati: in questo modo possono essere digitalizzati pregiudizi culturali quali il razzismo istituzionale e il classismo. Di conseguenza la raccolta responsabile dei dati può diventare un aspetto critico dell'apprendimento automatico. In ragione dell'innata ambiguità dei linguaggi naturali, le macchine addestrate su corpi linguistici necessariamente apprenderanno questa ambiguità.

Apprendimento automatico

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

In statistica, il clustering o analisi dei gruppi (dal termine inglese "cluster analysis" introdotto da Robert Tryon nel 1939) è un insieme di tecniche di analisi multivariata dei dati volte alla selezione e raggruppamento di elementi omogenei in un insieme di dati. Le tecniche di "clustering" si basano su misure relative alla somiglianza tra gli elementi. In molti approcci questa similarità, o meglio, dissimilarità, è concepita in termini di distanza in uno spazio multidimensionale. La bontà delle analisi ottenute dagli algoritmi di "clustering" dipende molto dalla scelta della metrica, e quindi da come è calcolata la distanza. Gli algoritmi di "clustering" raggruppano gli elementi sulla base della loro distanza reciproca, e quindi l'appartenenza o meno ad un insieme dipende da quanto l'elemento preso in esame è distante dall'insieme stesso. Le tecniche di "clustering" si possono basare principalmente su due "filosofie": Esistono varie classificazioni delle tecniche di clustering comunemente utilizzate. Una prima categorizzazione dipende dalla possibilità che un elemento possa o meno essere assegnato a più cluster: Un'altra suddivisione delle tecniche di clustering tiene conto del tipo di algoritmo utilizzato per dividere lo spazio: Queste due suddivisioni sono del tutto trasversali, e molti algoritmi nati come "esclusivi" sono stati in seguito adattati nel caso "non-esclusivo" e viceversa. Gli algoritmi di clustering di questa famiglia creano una partizione delle osservazioni minimizzando una certa funzione di costo: dove formula_2 è il numero dei cluster, formula_3 è il formula_4-esimo cluster e formula_5 è la funzione di costo associata al singolo cluster. L'algoritmo più famoso appartenente a questa famiglia è il k-means, proposto da MacQueen nel 1967. Un altro algoritmo abbastanza conosciuto appartenente a questa classe è il Partitioning Around Medioid (PAM). Le tecniche di clustering gerarchico non producono un partizionamento "flat" dei punti, ma una rappresentazione gerarchica ad albero. Questi algoritmi sono a loro volta suddivisi in due classi: Una rappresentazione grafica del processo di clustering è fornita dal dendrogramma. In entrambi i tipi di clustering gerarchico sono necessarie funzioni per selezionare la coppia di cluster da fondere ("agglomerativo"), oppure il cluster da dividere ("divisivo"). Nel primo caso, sono necessarie funzioni che misurino la "similarità" (o, indistintamente, la "distanza") tra due cluster, in modo da fondere quelli più simili. Le funzioni utilizzate nel caso agglomerativo sono: Nei 4 casi precedenti, formula_10 indica una qualsiasi funzione distanza su uno spazio metrico. Invece nel clustering divisivo è necessario individuare il cluster da suddividere in due sottogruppi. Per questa ragione sono necessarie funzioni che misurino la compattezza del cluster, la densità o la sparsità dei punti assegnati ad un cluster. Le funzioni normalmente utilizzate nel caso divisivo sono: Nel "Clustering density-based", il raggruppamento avviene analizzando l'intorno di ogni punto dello spazio. In particolare, viene considerata la densità di punti in un intorno di raggio fissato. Un esempio è il metodo di clustering Dbscan. Algoritmi di clustering molto usati sono: Il QT ("Quality Threshold") Clustering (Heyer et al., 1999) è un metodo alternativo di partizionare i dati, inventato per il clustering dei geni. Richiede più potenza di calcolo rispetto al "K"-Means, ma non richiede di specificare il numero di cluster "a priori", e restituisce sempre lo stesso risultato quando si ripete diverse volte. L'algoritmo è: La distanza tra un punto ed un gruppo di punti è calcolata usando il concatenamento completo, cioè come la massima distanza dal punto di ciascun membro del gruppo (vedi il "Clustering gerarchico agglomerativo" sulla distanza tra i cluster nella sezione clustering gerarchico).

Clustering

Il test t (o, dall'inglese, t-test) è un test statistico di tipo parametrico con lo scopo di verificare se il valore medio di una distribuzione si discosta significativamente da un certo valore di riferimento. Differisce dal test z per il fatto che la varianza formula_1 è sconosciuta. Se la varianza della popolazione non è nota, la verifica d'ipotesi sulla media della popolazione si effettua sostituendo alla varianza di universo la sua stima ottenuta a partire dallo stimatore varianza corretta del campione: In questo modo la statistica test è: la cui distribuzione è quella della formula_4 di Student con formula_5 gradi di libertà. Ad ogni modo, all'aumentare dei gradi di libertà, per il teorema del limite centrale, la variabile casuale formula_4 tende alla distribuzione normale e quindi alla formula_4 si può sostituire la formula_8 diciamo per una soglia campionaria formula_9 maggiore di 30. Se il test è bidirezionale, si rifiuterà l'ipotesi nulla se la formula_10 empirica è maggiore della formula_10 teorica di formula_12 con formula_5 gradi di libertà e si accetterà l'ipotesi alternativa formula_14 con un errore formula_15 di I specie. In econometria la statistica formula_10 ha la seguente forma:

Test t

Il test di verifica d'ipotesi si utilizza per verificare la bontà di un'ipotesi. Per ipotesi è da intendersi un'affermazione che ha come oggetto accadimenti nel mondo reale, che si presta ad essere confermata o smentita dai dati osservati sperimentalmente. Il metodo con cui si valuta l'attendibilità di un'ipotesi è il metodo sperimentale. Quest'ultimo consiste nel determinare le conseguenze di un'ipotesi in termini di eventi osservabili, e di valutare se la realtà effettivamente osservata si accorda o meno con l'ipotesi su di essa fatta. A tal riguardo si distinguono due ambiti in cui tale attività si esplica: Nell'ambito statistico, a seconda delle ipotesi si distingue tra: Nel primo caso, si tende a pervenire a delle conclusioni più sicure possibili. Ad esempio volendo provare se in un circuito elettrico passa corrente si inserirà una lampadina o un amperometro e si constaterà l'accensione o l'attivazione dello strumento. In tal caso si perviene con maggior sicurezza alla conclusione. Se la lampadina si accende allora passa corrente; in caso contrario il circuito non è predisposto correttamente. In questo ambito, se nel circuito passa corrente la maggior parte delle volte che si inserisce una lampadina questa si accende. In caso contrario il ripetuto inserimento della lampadina darà sempre esito negativo. Nel secondo caso la situazione è modificata in quanto interviene un elemento nuovo, ovvero il caso e/o l'errore di misura. Si supponga di avere una moneta recante due facce contrassegnate con testa e croce. Volendo verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta si eseguono 20 lanci e si contano quelli che danno esito testa. La conseguenza del bilanciamento consiste nell'osservare un valore di teste attorno a 10. Tuttavia anche in ipotesi di bilanciamento non si può escludere di osservare 20 teste. D'altronde, l'ipotesi di bilanciamento è logicamente compatibile con un numero di teste variante da 0 a 20. In tale contesto una qualsiasi decisione in merito all'ipotesi da verificare comporta un rischio di errore. Ad esempio rigettare l'ipotesi di bilanciamento della moneta avendo osservato 20 teste su 20 lanci comporta il rischio di prendere una decisione errata. Nel procedere alla verifica dell'ipotesi di bilanciamento della moneta, si ricorre a una variabile casuale X. Tale variabile casuale X è una variabile aleatoria discreta con distribuzione binomiale B(20; 0,5), dove 20 indica il numero di lanci e 0,5 la probabilità che si verifichi l'evento "testa". Il risultato sperimentale si deve quindi confrontare con tale distribuzione: quanto è distante tale risultato dal valore medio della distribuzione B(20; 0,5)? Per rispondere alla domanda si deve individuare un valore caratteristico della distribuzione B(20; 0,5). Nel nostro caso tale valore caratteristico è il valore medio 20/2 = 10. Per valutare la distanza tra il valore sperimentale e quello atteso si valuta la probabilità di ottenere un valore sperimentale lontano dal valore medio di B(20; 0,5), ossìa nel caso che dal nostro esperimento risulti X=15 (15 teste dopo 20 lanci), si calcola P{|X-10|>=15-10} quindi P{X<=5 oppure X>=15}=0,041. Quindi, usando una moneta ben bilanciata, la probabilità di ottenere un numero di teste X >= 15 (oppure X <= 5) dopo 20 lanci è pari a 0,041 ossia al 4,1%. Giudicando bassa tale probabilità si rifiuterà l'ipotesi di bilanciamento della moneta in esame, accettando quindi il rischio del 4,1% di compiere un errore nel rifiutarla. Di solito, il valore della probabilità adottato per rifiutare l'ipotesi nulla è < 0,05. Tale valore è detto livello di significatività ed è definibile come segue: il livello di significatività sotto l'ipotesi nulla è la probabilità di cadere nella zona di rifiuto quando l'ipotesi nulla è vera. Tale livello di significatività si indica convenzionalmente con α. Il livello di significatività osservato α del test per il quale si rifiuterebbe l'ipotesi nulla è detto valore-p ("p-value"). Riprendendo l'esempio sopra riportato il valore-p è pari a 0,041. Adottando nell'esempio α = 0,05, si rifiuterà l'ipotesi se P{|X-10|>=x}<0,05. Tale condizione si raggiunge appunto se X<6 oppure X>14. Tale insieme di valori si definisce convenzionalmente come regione di rifiuto. Viceversa l'insieme { 6,7…14} si definisce regione di accettazione. In questo modo si è costruita una regola di comportamento per verificare l'ipotesi di bilanciamento della moneta. Tale regola definisce il test statistico. In termini tecnici l'ipotesi da verificare si chiama ipotesi nulla e si indica con "H", mentre l'ipotesi alternativa con "H". Nel caso della moneta, se "p" è la probabilità di ottenere testa in un lancio la verifica di ipotesi si traduce nel seguente sistema: Come già osservato, il modo di condurre un test statistico comporta un rischio di errore. Nella pratica statistica si individuano due tipi di errori: Tornando all'esempio della moneta in cui la regione di accettazione è data dall'insieme di valori {6..14}, la probabilità di rifiutare H quando è vera è stato calcolato pari a 0,041.Tale probabilità rappresenta il rischio di incorrere in un errore di primo tipo e si indica con α. Per valutare la probabilità di un errore di secondo tipo è necessario specificare un valore di "p" in caso di verità di H. Si supponga che p=0,80, in tal caso la distribuzione di X è una B(20;0,80) Con tale distribuzione di probabilità, l'errore di tipo "2" si calcola sommando le probabilità relative ai valori di X della zona di accettazione, ciò supponendo H vera. Si trova quindi che la probabilità cercata è pari a circa 0,20. Tale probabilità quantifica il rischio di incorrere nell'errore di tipo "2." e si indica convenzionalmente con β. La quantità 1-β si chiama "potenza del test" ed esprime quindi la capacità di un test statistico di riconoscere la falsità di H quando questa è effettivamente falsa. La potenza del test trova applicazione nella pratica statistica in fase di pianificazione di un esperimento.

Test di verifica d'ipotesi

La retropropagazione dell'errore (in lingua inglese "backward propagation of errors", solitamente abbreviato in backpropagation), è un algoritmo per l'allenamento delle reti neurali artificiali, usato in combinazione con un metodo di ottimizzazione come per esempio la discesa stocastica del gradiente. La retropropagazione richiede un'uscita desiderata per ogni valore in ingresso per poter calcolare il gradiente della funzione di perdita (funzione di costo). Viene considerato quindi un metodo di apprendimento supervisionato, sebbene venga usato anche in reti non supervisionate come gli autocodificatori o Reti Diabolo. È una generalizzazione della regola delta di reti feed-forward multistrato, resa possibile usando la regola di catena che iterativamente calcola i gradienti per ogni strato. La retropropagazione richiede che la funzione d'attivazione usata dai neuroni artificiali (o "nodi") sia differenziabile. Una delle principali difficoltà nell'uso della retropropagazione dell'errore è il problema noto come scomparsa del gradiente, dovuto all'uso di funzioni di attivazione non lineari che causano una diminuzione esponenziale del valore del gradiente all'aumentare della profondità della rete neurale.

Retropropagazione dell'errore

La classificazione statistica è quell'attività che si serve di un algoritmo statistico al fine di individuare una rappresentazione di alcune caratteristiche di un'entità da classificare (oggetto o nozione), associandole una etichetta classificatoria. Tale attività può essere svolta mediante algoritmi di apprendimento automatico supervisionato o non supervisionato. Esempi di questi algoritmi sono: I programmi che effettuano l'attività di classificazione sono detti classificatori. Talora si usa l'aggettivo "statistica" anche per classificazioni utilizzate per costruire indicazioni statistiche sulle entità assegnate ai diversi contenitori di una classificazione, soprattutto nel caso delle tassonomie, mentre nella definizione della classificazione non si sono utilizzati precisi metodi statistici.

Classificazione statistica

Lo scarto quadratico medio (o deviazione standard o scarto tipo) è un indice di dispersione statistico, vale a dire una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una variabile casuale. È uno dei modi per esprimere la dispersione dei dati intorno ad un indice di posizione, quale può essere, ad esempio, la media aritmetica o una sua stima. Ha pertanto la stessa unità di misura dei valori osservati (al contrario della varianza che ha come unità di misura il quadrato dell'unità di misura dei valori di riferimento). In statistica la precisione si può esprimere come lo scarto quadratico medio. Il termine ""standard deviation"" è stato introdotto in statistica da Pearson nel 1894 assieme alla lettera greca formula_1 (sigma) che lo rappresenta. Il termine italiano "deviazione standard" ne è la traduzione più utilizzata nel linguaggio comune; il termine dell'Ente Nazionale Italiano di Unificazione è tuttavia "scarto tipo", definito come la radice quadrata positiva della varianza per lo meno fin dal 1984. Se non indicato diversamente, lo scarto quadratico medio è la radice quadrata della varianza, la quale viene coerentemente rappresentata con il quadrato di sigma (formula_2). In statistica lo scarto quadratico medio di un carattere rilevato su una popolazione di formula_3 unità statistiche si definisce esplicitamente come: dove formula_5 è la media aritmetica di formula_6. Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile può essere calcolata a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato. A partire dallo scarto quadratico medio si definisce anche il coefficiente di variazione o la "deviazione standard relativa" come il rapporto tra lo scarto tipo formula_7 e il valore assoluto della media aritmetica della variabile in esame: Questo indice relativo (che viene spesso espresso in termini percentuali) consente di effettuare confronti tra dispersioni di dati di tipo diverso, indipendentemente dalle loro quantità assolute. Nell'ambito della statistica inferenziale (dove è noto solo un campione della popolazione), soprattutto nell'ambito della teoria della stima, a volte si rimpiazza il denominatore formula_3 con formula_10 ottenendo: Sostanzialmente, poiché non è nota la media dell'intera popolazione, ma solo una sua stima (la media del campione), bisogna utilizzare formula_10 per ottenere uno stimatore corretto formula_13 della varianza incognita formula_7 di formula_6 sull'intera popolazione a partire dai dati del campione. La sua radice quadrata diviene lo scarto quadratico medio "corretto". Questa correzione al denominatore fa sì che la nuova definizione sia un po' più grande della precedente, correggendo così la tendenza della precedente a sottostimare le incertezze soprattutto nel caso in cui si lavori con pochi dati (formula_3 piccolo). Osserviamo il caso limite di formula_17, cioè quando si ha un campione di un solo elemento: la prima definizione dà il risultato formula_18, che ovviamente non è molto ragionevole nell'ambito della statistica inferenziale, mentre quella "corretta" dà un risultato non definito del tipo formula_19, rispecchiando così la totale ignoranza inerente all'incertezza su una singola misura. In questo senso, si dice che la statistica non dice nulla sul singolo caso. Osserviamo che la differenza tra le due definizioni per campioni molto estesi è spesso numericamente insignificante. Il calcolo può essere semplificato come segue: cioè, applicando il tutto alla formula originale: Sia formula_6 una variabile aleatoria, lo scarto quadratico medio è definito come la radice quadrata della varianza di formula_6 Formalmente lo scarto quadratico medio di una variabile aleatoria può essere calcolato a partire dalla funzione generatrice dei momenti, in particolare è la radice quadrata della differenza tra il momento secondo ed il momento primo elevato al quadrato, cioè dove formula_26 è il valore atteso di formula_6. In ambito finanziario, lo scarto quadratico medio viene usato per indicare la variabilità di un'attività finanziaria e dei suoi payoff (rendimenti). Esso fornisce quindi, implicitamente, una misura della volatilità dell'attività, quindi del suo rischio. In fisica, è un ottimo indice dell'errore casuale della misurazione di una grandezza fisica. In ambito sportivo è utilizzato per valutare la prestazione di un giocatore di bowling in riferimento ad un certo numero di partite. Il valore trovato non incide sul punteggio ma sintetizza le capacità e i miglioramenti del giocatore. In ingegneria, è uno dei parametri da considerare per valutare la capacità di un processo produttivo. Nelle applicazioni informatiche, è a volte conveniente utilizzare la formula che consente, con sole tre variabili formula_29, di calcolare lo scarto quadratico medio, oltre che la media, di un flusso di numeri di lunghezza formula_3 senza dover ricorrere ad una memorizzazione degli stessi.

Scarto quadratico medio

In statistica lo scarto interquartile (o differenza interquartile o ampiezza interquartile, in inglese "interquartile range" o "IQR") è la differenza tra il terzo e il primo quartile, ovvero l'ampiezza della fascia di valori che contiene la metà "centrale" dei valori osservati. Lo scarto interquartile è un indice di dispersione, cioè una misura di quanto i valori si allontanino da un valore centrale. Viene utilizzato nel disegno del diagramma box-plot. Lo scarto interquartile di una variabile aleatoria si ottiene tramite la funzione di ripartizione, come differenza formula_1 Per una variabile casuale normale formula_2 lo scarto interquartile è circa formula_3. Per una variabile casuale di Cauchy formula_4 lo scarto interquartile è formula_5.

Scarto interquartile

Nel data mining, le regole di associazione sono uno dei metodi per estrarre relazioni nascoste tra i dati. Agrawal et al. introdussero le regole di associazione per la scoperta di regolarità all'interno delle transazioni registrate nelle vendite dei supermercati. Per esempio, la regola formula_1 individuata nell'analisi degli scontrini di un supermercato indica che il se il cliente compra insieme cipolle e patate è probabile che acquisti anche della carne per hamburger. Tale informazione può essere utilizzata come base per le decisioni riguardanti le attività di marketing, come ad esempio le offerte promozionali o il posizionamento dei prodotti negli scaffali. Le regole di associazione sono anche usate in molte altre aree, quali il Web mining, la scoperta di anomalie e la bioinformatica. Il concetto di regola di associazione divenne popolare a causa di un articolo del 1993 di Agrawal et al.. Secondo Google Scholar esso possiede più di 9500 citazioni (Settembre 2010) ed è uno degli articoli più citati nel campo del data mining. Tuttavia è possibile che quella che viene chiamata come "regola di associazione" sia simile a un approccio di data mining presentato nel 1966 e sviluppato da Hájek et al.. Seguendo la definizione originale di Agrawal et al. il problema della scoperta di regole di associazione è rappresentato come segue. Consideriamo l'insieme di formula_2 attributi binari ("oggetti" o "item") formula_3 e l'insieme di transazioni ("database")formula_4. Ciascuna transazione appartenente a formula_5 possiede un codice identificativo (ID) e contiene un sottoinsieme degli oggetti contenuti in formula_6. Una "regola" è definita come un'implicazione nella forma formula_7 dove formula_8 e formula_9. L'insieme di oggetti (o "itemsets") formula_10 e formula_11 vengono chiamati rispettivamente "antecendente" e "conseguente" della regola. Per illustrare questo concetto, è possibile usare un esempio giocattolo riguardante un supermercato. L'insieme di oggetti è formula_12 e il database contenente gli oggetti è rappresentato nella tabella a destra, dove 1 indica la presenza di un oggetto in una transazione e 0 l'assenza. Un esempio di regola di associazione potrebbe essere: formula_13. Essa indica che se il cliente acquista pane e burro, comprerà anche il latte. Attenzione: questo esempio è estremamente piccolo. In un'applicazione reale una regola necessita di un supporto di diverse centinaia di transazioni perché sia considerata statisticamente significativa e il database deve contenere migliaia (o milioni) di transazioni.

Regole di associazione

Nell'ambito della scienza dei dati l'analisi dei dati è un processo di ispezione, pulizia, trasformazione e modellazione di dati con il fine di evidenziare informazioni che suggeriscano conclusioni e supportino le decisioni strategiche aziendali. L'analisi di dati ha molti approcci e sfaccettature, il che comprende tecniche diversissime tra loro che si riconoscono con una serie di definizioni varie nel commercio, le scienze naturali e sociali. Il data mining è una tecnica particolare di analisi dei dati che si focalizza nella modellazione e scoperta di conoscenza per scopi predittivi piuttosto che descrittivi. Il business intelligence identifica l'analisi di dati che si basa fondamentalmente sull'aggregazione, focalizzandosi sulle informazioni aziendali. Nell'ambito dei big data si parla di big data analytics. Nelle applicazioni statistiche, gli studiosi dividono l'analisi dei dati in statistica descrittiva, analisi dei dati esplorativa (ADE) e analisi dei dati di conferma (ADC). L'ADE si concentra sullo scoprire nuove caratteristiche presenti nei dati, mentre l'ADC nel confermare o falsificare le ipotesi esistenti. L'analisi predittiva si concentra sull'applicazione di modelli statistici o strutturali per classificazione o il forecasting predittivo, mentre l'analisi testuale applica tecniche statistiche, linguistiche e strutturali per estrarre e classificare informazioni da fonti testuali, una categoria di dati non-strutturati. L'integrazione di dati è un precursore dell'analisi dei dati, la quale è collegata alla visualizzazione di dati.

Analisi dei dati

Un sistema esperto è un programma che cerca di riprodurre le prestazioni di una o più persone esperte in un determinato campo di attività, ed è un'applicazione o una branca dell'intelligenza artificiale. I programmi utilizzati dai sistemi esperti sono in grado di porre in atto procedure di inferenza adeguate alla risoluzione di problemi particolarmente complessi, a cui potrebbe, se posto in una dimensione umana, porre rimedio solo un esperto del settore disciplinare in cui rientra la questione da risolvere. Ciò implica che tale sistema possa avvalersi in modo risoluto e autorevole delle istanze inferenziali che soggiacciono al corretto funzionamento del programma, cosicché sia capace di superare le incertezze e le difficoltà su cui volge la propria attività. I sistemi esperti si differenziano dunque da altri programmi simili, in quanto, facendo riferimento a tecnologie elaborate in funzione dell'intelligenza artificiale, sono sempre in grado di esibire i passaggi logici che soggiacciono alle loro decisioni: proposito che, ad esempio, non è attuabile da parte della mente umana. Il sistema esperto si compone principalmente di tre sezioni: Queste informazioni sono piuttosto generiche, ed estremamente flessibili per ciò che concerne la designazione di un programma con una tale definizione. Non esistono infatti sistemi capaci per davvero di soddisfare nella sua interezza il tipo di conoscenza che dovrebbe caratterizzare un sistema di tale fatta. Difatti, nella maggior parte dei programmi, le componenti che presiedono alle procedure di inferenza, non riescono ad attenere il rigore connaturato ad un algoritmo, in quanto nelle situazioni altamente complicate sarebbe troppo dispendioso analizzare ogni possibilità; si ricorre così allo stratagemma dell'euristica, che, tramite ragionamenti approssimativi ("fuzzy logic"), sacrifica la sicurezza dell'algoritmo per giungere a risultati altamente probabili, ma comunque fallibili. I sistemi esperti si dividono in due categorie principali. I sistemi esperti basati su regole sono dei programmi composti da regole nella forma codice_1 (se condizione, allora azione). Dati una serie di fatti, i sistemi esperti, grazie alle regole di cui sono composti, riescono a dedurre nuovi fatti. Per esempio, supponiamo di avere un problema di salute, forniamo al sistema esperto i seguenti fatti: il sistema esperto assume i fatti e sceglie una regola così formata: Esempi di sistemi a regole sono Jess e CLIPS. Un sistema esperto basato su alberi, dato un insieme di dati ed alcune deduzioni, creerebbe un albero che classificherebbe i vari dati. Nuovi dati verrebbero analizzati dall'albero e il nodo di arrivo rappresenterebbe la deduzione. È da notare che un sistema esperto non è "intelligente" nel senso comune della parola, ossia in modo creativo. Le deduzioni di un sistema esperto non possono uscire dall'insieme di nozioni immesse inizialmente e dalle loro conseguenze. Ciò che li rende utili è che, come i calcolatori elettronici, possono maneggiare una gran quantità di dati molto velocemente e tenere quindi conto di una miriade di regole e dettagli che un esperto umano può ignorare, tralasciare o dimenticare.

Sistema esperto

Nel campo dell'apprendimento automatico, una rete neurale artificiale (in inglese "artificial neural network", abbreviato in ANN o anche come NN) è un modello computazionale composto di "neuroni" artificiali, ispirato vagamente dalla semplificazione di una rete neurale biologica. Questi modelli matematici sono troppo semplici per ottenere una comprensione delle reti neurali biologiche, ma sono utilizzati per tentare di risolvere problemi ingegneristici di intelligenza artificiale come quelli che si pongono in diversi ambiti tecnologici (in elettronica, informatica, simulazione, e altre discipline). Una rete neurale artificiale può essere realizzata sia da programmi software che da hardware dedicato (DSP, "Digital Signal Processing"). Questa branca può essere utilizzata in congiunzione alla logica fuzzy. L'ampia varietà di modelli non può prescindere dal costituente di base, il neurone artificiale proposto da W.S. McCulloch e Walter Pitts in un famoso lavoro del 1943: ""A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity"", il quale schematizza un combinatore lineare a soglia, con dati binari multipli in entrata e un singolo dato binario in uscita: un numero opportuno di tali elementi, connessi in modo da formare una rete, è in grado di calcolare semplici funzioni booleane. Le prime ipotesi di apprendimento furono introdotte da D. O. Hebb nel libro del 1949: ""The organization of behavior"", nel quale vengono proposti collegamenti con i modelli complessi del cervello. Nel 1958, J. Von Neumann nella sua opera ""The computer and the brain"" esamina le soluzioni proposte dai precedenti autori sottolineando la scarsa precisione che queste strutture possedevano per potere svolgere operazioni complesse. Nello stesso anno, Frank Rosenblatt nel libro "Psychological review" introduce il primo schema di rete neurale, detto "Perceptron" (percettrone), antesignano delle attuali reti neurali, per il riconoscimento e la classificazione di forme, allo scopo di fornire un'interpretazione dell'organizzazione generale dei sistemi biologici. Il modello probabilistico di Rosenblatt è quindi mirato all'analisi, in forma matematica, di funzioni quali l'immagazzinamento delle informazioni, e della loro influenza sul riconoscimento dei pattern; esso costituisce un progresso decisivo rispetto al modello binario di McCulloch e Pitts, perché i suoi pesi sinaptici sono variabili e quindi il percettrone è in grado di apprendere. L'opera di Rosenblatt stimola una quantità di studi e ricerche che dura per un decennio, e suscita un vivo interesse e notevoli aspettative nella comunità scientifica, destinate tuttavia ad essere notevolmente ridimensionate allorché nel 1969 Marvin Minsky e Seymour A. Papert, nell'opera ""An introduction to computational geometry"", mostrano i limiti operativi delle semplici reti a due strati basate sul percettrone, e dimostrano l'impossibilità di risolvere per questa via molte classi di problemi, ossia tutti quelli non caratterizzati da separabilità lineare delle soluzioni: questo tipo di rete neurale non è abbastanza potente: non è infatti neanche in grado di calcolare la funzione "or esclusivo" (XOR). A causa di queste limitazioni, al periodo di euforia dovuto ai primi risultati della cibernetica (come veniva chiamata negli anni sessanta) segue un periodo di diffidenza durante il quale tutte le ricerche in questo campo non ricevono più alcun finanziamento dal governo degli Stati Uniti d'America; le ricerche sulle reti tendono, di fatto, a ristagnare per oltre un decennio, e l'entusiasmo iniziale risulta fortemente ridimensionato. Il contesto matematico per addestrare le reti MLP ("Multi-Layers Perceptron", ossia percettrone multistrato) fu stabilito dal matematico americano Paul Werbos nella sua tesi di dottorato (Ph.D.) del 1974. Non fu dato molto peso al suo lavoro tanto fu forte la confutazione dimostrata da Minsky e Papert anni prima, e solo l'intervento di J. J. Hopfield, nel 1982, che in un suo lavoro studia dei modelli di riconoscimento di pattern molto generali, si oppose in modo diretto alla confutazione di Minsky riaprendo così degli spiragli per la ricerca in questo campo. Uno dei metodi più noti ed efficaci per l'addestramento di tale classe di reti neurali è il cosiddetto algoritmo di retropropagazione dell'errore (error backpropagation), proposto nel 1986 da David E. Rumelhart, G. Hinton e R. J. Williams, il quale modifica sistematicamente i pesi delle connessioni tra i nodi, così che la risposta della rete si avvicini sempre di più a quella desiderata. Tale lavoro fu prodotto riprendendo il modello creato da Werbos. L'algoritmo di retropropagazione ("backpropagation" o BP) è una tecnica d'apprendimento tramite esempi, costituente una generalizzazione dell'algoritmo d'apprendimento per il percettrone sviluppato da Rosenblatt nei primi anni '60. Mediante questa tecnica era possibile, come detto, trattare unicamente applicazioni caratterizzabili come funzioni booleane linearmente separabili. L'algoritmo di apprendimento si basa sul metodo della discesa del gradiente che permette di trovare un minimo locale di una funzione in uno spazio a N dimensioni. I pesi associati ai collegamenti tra gli strati di neuroni si inizializzano a valori piccoli (ovvero molto inferiori ai valori reali che poi assumeranno) e casuali e poi si applica la regola di apprendimento presentando alla rete dei pattern di esempio. Queste reti neurali sono poi capaci di generalizzare in modo appropriato, cioè di dare risposte plausibili per input che non hanno mai visto. L'addestramento di une rete neurale di tipo BP avviene in due diversi stadi: "forward-pass" e "backward-pass". Nella prima fase i vettori in input sono applicati ai nodi in ingresso con una propagazione in avanti dei segnali attraverso ciascun livello della rete ("forward-pass"). Durante questa fase i valori dei pesi sinaptici sono tutti fissati. Nella seconda fase la risposta della rete viene confrontata con l'uscita desiderata ottenendo il segnale d'errore. L'errore calcolato è propagato nella direzione inversa rispetto a quella delle connessioni sinaptiche. I pesi sinaptici infine sono modificati in modo da minimizzare la differenza tra l'uscita attuale e l'uscita desiderata ("backward-pass"). Tale algoritmo consente di superare le limitazioni del percettrone e di risolvere il problema della separabilità non lineare (e quindi di calcolare la funzione XOR), segnando il definitivo rilancio delle reti neurali, come testimoniato anche dall'ampia varietà d'applicazioni commerciali: attualmente la BP rappresenta un algoritmo di largo uso in molti campi applicativi. Una rete neurale artificiale (ANN ""Artificial Neural Network"" in inglese), normalmente chiamata solo "rete neurale" (NN ""Neural Network"" in inglese), è un modello matematico/informatico di calcolo basato sulle reti neurali biologiche. Tale modello è costituito da un gruppo di interconnessioni di informazioni costituite da neuroni artificiali e processi che utilizzano un approccio di connessionismo di calcolo. Nella maggior parte dei casi una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la propria struttura in base a informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete stessa durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Una rete neurale artificiale riceve segnali esterni su uno strato di nodi (unità di elaborazione) d'ingresso, ciascuno dei quali è collegato con numerosi nodi interni, organizzati in più livelli. Ogni nodo elabora i segnali ricevuti e trasmette il risultato a nodi successivi. Il concetto di rete neurale si pone perché una funzione formula_1 è definita come una composizione di altre funzioni formula_2, che possono a loro volta essere ulteriormente definite come composizione di altre funzioni. Questo può essere comodamente rappresentato come una struttura di reti, con le frecce raffiguranti le dipendenze tra variabili. Una rappresentazione ampiamente utilizzata è la somma ponderata non lineare, dove formula_3, dove formula_4 è una funzione predefinita, come ad esempio la tangente iperbolica. Sarà conveniente per le seguenti far riferimento ad un insieme di funzioni come un vettore formula_5. La Figura 1 esemplifica una decomposizione della funzione formula_6, con dipendenze tra le variabili indicate dalle frecce. Queste possono essere interpretate in due modi: I due punti di vista sono in gran parte equivalenti. In entrambi i casi, per questa particolare architettura di rete, i componenti dei singoli strati sono indipendenti l'uno dall'altro (ad esempio, le componenti di formula_8 sono indipendenti l'una dall'altra, dato il loro ingresso formula_15). Questo, naturalmente, permette un certo grado di parallelismo nella costruzione del sistema. Reti, come ad esempio quelle precedenti vengono comunemente chiamate ""feedforward"", perché il loro è un grafico aciclico diretto. Reti con cicli al loro interno sono comunemente chiamati reti ricorrenti. Tali reti sono comunemente raffigurate nel modo indicato nella parte superiore della Figura 2, dove la funzione formula_6 è mostrata come dipendente su se stessa. Tuttavia, vi è una dipendenza temporale implicita che non è possibile dimostrare. Questo significa in pratica che il valore di formula_6 ad un certo punto nel tempo formula_18 dipende dai valori di formula_6 al tempo zero o su uno o più altri punti temporali. Il modello del grafico nella parte inferiore della Figura 2 illustra il caso in cui il valore di formula_6 al tempo formula_18 dipende solo dal suo valore finale. Tuttavia la funzionalità più interessante di queste funzioni, ciò che ha attirato l'interesse e lo studio per la maggior parte delle reti neurali, è la possibilità di apprendimento, che in pratica significa la seguente: Ciò comporta la definizione di una funzione di costo formula_24 tale che, per la soluzione ottimale formula_25 formula_26 nessuna soluzione ha un costo inferiore al costo della soluzione ottimale. La funzione di costo formula_27 è un concetto importante nell'apprendimento, poiché si tratta di una misura di quanto è lontana da noi la soluzione ottimale del problema che vogliamo risolvere. Quindi vi sono una serie di algoritmi di apprendimento che cercano nello spazio delle soluzioni al fine di trovare una funzione che abbia il minor costo possibile. Per applicazioni in cui la soluzione dipende da alcuni dati, il costo deve essere necessariamente funzione delle osservazioni. Mentre è possibile definire per alcune reti una funzione di costo ad hoc, spesso si può utilizzare una particolare funzione di costo poiché gode delle proprietà desiderate (ad esempio, la convessità), o perché proviene da una particolare formulazione del problema (vale a dire, in una formulazione probabilistica, la probabilità a posteriori del modello può essere utilizzata come l'inverso del costo). In ultima analisi, la funzione di costo dipenderà dal compito. Vi sono tre grandi paradigmi di apprendimento, ciascuno corrispondente ad un particolare compito astratto di apprendimento. Si tratta dell'apprendimento supervisionato, apprendimento non supervisionato e l'apprendimento per rinforzo. Di solito un tipo di architettura di rete può essere impiegato in qualsiasi di tali compiti. L'algoritmo di apprendimento hebbiano (1984) si basa sul semplice principio che se due neuroni si attivano contemporaneamente, la loro interconnessione deve essere rafforzata. formula_28 dove formula_29, dove formula_30 è l'formula_31 ingresso e formula_32 è il tasso di apprendimento formula_33. La regola di Hebb è la seguente: l'efficacia di una particolare sinapsi cambia se e solo se c'è un'intensa attività simultanea dei due neuroni, con un'alta trasmissione di input nella sinapsi in questione. Esempio di procedura: In questo modo le connessioni possono solo irrobustirsi. Le connessioni si considerano irrobustite quando le unità presinaptica e postsinaptica sono d'accordo, altrimenti si indeboliscono. Si considerano funzioni bipolari (-1,1) invece che booleane (0,1). Le reti neurali si basano principalmente sulla simulazione di neuroni artificiali opportunamente collegati. Il modello rappresentato in figura è quello proposto da McCulloch e Pitts. I suddetti neuroni ricevono in ingresso degli stimoli e li elaborano. L'elaborazione può essere anche molto sofisticata ma in un caso semplice si può pensare che i singoli ingressi vengano moltiplicati per un opportuno valore detto peso, il risultato delle moltiplicazioni viene sommato e se la somma supera una certa soglia il neurone si attiva attivando la sua uscita. Il peso indica l'efficacia sinaptica della linea di ingresso e serve a quantificarne l'importanza, un ingresso molto importante avrà un peso elevato, mentre un ingresso poco utile all'elaborazione avrà un peso inferiore. Si può pensare che se due neuroni comunicano fra loro utilizzando maggiormente alcune connessioni allora tali connessioni avranno un peso maggiore, fino a che non si creeranno delle connessioni tra l'ingresso e l'uscita della rete che sfruttano "percorsi preferenziali". Tuttavia è sbagliato pensare che la rete finisca col produrre un unico percorso di connessione: tutte le combinazioni infatti avranno un certo peso, e quindi contribuiscono al collegamento ingresso/uscita. Il modello in figura rappresenta una classica rete neurale pienamente connessa. I singoli neuroni vengono collegati alla schiera di neuroni successivi, in modo da formare una rete di neuroni. Normalmente una rete è formata da tre strati. Nel primo abbiamo gli ingressi (I), questo strato si preoccupa di trattare gli ingressi in modo da adeguarli alle richieste dei neuroni. Se i segnali in ingresso sono già trattati può anche non esserci. Il secondo strato è quello nascosto (H, "hidden"), si preoccupa dell'elaborazione vera e propria e può essere composto anche da più colonne di neuroni. Il terzo strato è quello di uscita (O) e si preoccupa di raccogliere i risultati ed adattarli alle richieste del blocco successivo della rete neurale. Queste reti possono essere anche molto complesse e coinvolgere migliaia di neuroni e decine di migliaia di connessioni. Per costruire la struttura di una rete neurale multistrato si possono inserire formula_38 strati "hidden." L'efficacia di generalizzare di una rete neurale multistrato dipende ovviamente dall'addestramento che ha ricevuto e dal fatto di essere riuscita o meno ad entrare in un minimo locale buono. L'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation") è utilizzato nell'apprendimento con supervisione. Esso permette di modificare i pesi delle connessioni in modo tale che si minimizzi una certa funzione errore E. Tale funzione dipende dal vettore h-esimo di output formula_39 restituito dalla rete, dato il vettore h-esimo di ingresso formula_40 e dal vettore h-esimo di output formula_41che noi desideriamo (che fa parte del training set). Il training set è dunque un insieme di N coppie di vettori formula_42, con formula_43. La funzione errore che si deve minimizzare si può scrivere come: formula_44 dove l'indice k rappresenta il valore corrispondente al k-esimo neurone di output. E(w) è una funzione dipendente dai pesi (che in generale variano nel tempo), per minimizzarla si può usare l'algoritmo della discesa del gradiente ("gradient descent"). L'algoritmo parte da un punto generico formula_45 e calcola il gradiente formula_46. Il gradiente dà la direzione verso cui muoversi lungo la quale si ha il massimo incremento (o decremento se considero formula_47). Definita la direzione ci si muove di una distanza formula_32 predefinita a priori e si trova un nuovo punto formula_49 sul quale è calcolato nuovamente il gradiente. Si continua iterativamente finché il gradiente non è nullo. L'algoritmo di backpropagation può essere diviso in due passi: I passi logici per addestrare una rete neurale con apprendimento supervisionato sono i seguenti: Per l'addestramento di reti neurali profonde, impiegando dataset molto vasti, la discesa del gradiente classica risulta computazionalmente proibitiva, per cui nell'ottimizzare i parametri del modello si fa tipicamente uso dell'algoritmo di discesa stocastica del gradiente. Nel 1982, il fisico John J. Hopfield pubblica un articolo fondamentale in cui presenta un modello matematico comunemente noto appunto come rete di Hopfield: tale rete si distingue per "l'emergere spontaneo di nuove capacità computazionali dal comportamento collettivo di un gran numero di semplici elementi d'elaborazione". Le proprietà collettive del modello producono una memoria associativa per il riconoscimento di configurazioni corrotte e il recupero di informazioni mancanti. Inoltre, Hopfield ritiene che ogni sistema fisico possa essere considerato come un potenziale dispositivo di memoria, qualora esso disponga di un certo numero di stati stabili, i quali fungano da attrattore per il sistema stesso. Sulla base di tale considerazione, egli si spinge a formulare la tesi secondo cui la stabilità e la collocazione di tali attrattori sono proprietà spontanee di sistemi costituiti, come accennato, da considerevoli quantità di neuroni reciprocamente interagenti. Le applicazioni delle reti di Hopfield riguardano principalmente la realizzazione di memorie associative, resistenti all'alterazione delle condizioni operative, e la soluzione di problemi d'ottimizzazione combinatoriale. Da un punto di vista strutturale, la rete di Hopfield costituisce una rete neurale ricorrente simmetrica, di cui è garantita la convergenza. Una rete ricorrente è un modello neurale in cui è presente un flusso bidirezionale d'informazioni; in altri termini, mentre nelle reti di tipo feedforward la propagazione dei segnali avviene unicamente, in maniera continua, nella direzione che conduce dagli ingressi alle uscite, nelle reti ricorrenti tale propagazione può anche manifestarsi da uno strato neurale successivo ad uno precedente, oppure tra neuroni appartenenti ad uno stesso strato, e persino tra un neurone e sé stesso. Un significativo e noto esempio di semplice rete ricorrente è dovuto a Jeffrey L. Elman (1990). Essa costituisce una variazione sul tema del percettrone multistrato, con esattamente tre strati e l'aggiunta di un insieme di neuroni "contestuali" nello strato d'ingresso. Le connessioni retroattive si propagano dallo strato intermedio (e nascosto) a tali unità contestuali, alle quali si assegna peso costante e pari all'unità. In ciascun istante, gli ingressi si propagano nel modo tradizionale e tipico delle reti feedforward, compresa l'applicazione dell'algoritmo d'apprendimento (solitamente la "backpropagation"). Le connessioni retroattive fisse hanno come effetto quello di mantenere una copia dei precedenti valori dei neuroni intermedi, dal momento che tale flusso avviene sempre prima della fase d'apprendimento. In questo modo la rete di Elman tiene conto del suo stato precedente, cosa che le consente di svolgere compiti di previsione di sequenze temporali che sono difficilmente alla portata dei percettroni multistrato convenzionali. Infine, un ultimo interessante tipo di rete è costituita dalla cosiddetta mappa auto-organizzante o rete SOM ("Self-Organizing Map"). Tale innovativo tipo di rete neurale è stata elaborata da Teuvo Kohonen dell'Università Tecnologica di Helsinki; il suo algoritmo d'apprendimento è senza dubbio una brillante formulazione di apprendimento non supervisionato, e ha dato luogo a un gran numero di applicazioni nell'ambito dei problemi di classificazione. Una mappa o rete SOM è basata essenzialmente su un reticolo o griglia di neuroni artificiali i cui pesi sono continuamente adattati ai vettori presentati in ingresso nel relativo insieme di addestramento. Tali vettori possono essere di dimensione generica, anche se nella maggior parte delle applicazioni essa è piuttosto alta. Per ciò che riguarda le uscite della rete, al contrario, ci si limita di solito ad una dimensione massima pari a tre, il che consente di dare luogo a mappe 2D o 3D. In termini più analitici, l'algoritmo può essere agevolmente descritto, come accennato, nei termini di un insieme di neuroni artificiali, ciascuno con una precisa collocazione sulla mappa rappresentativa degli "output", che prendono parte ad un processo noto come "winner takes all" ("Il vincitore piglia tutto"), al termine del quale il nodo avente un vettore di pesi più vicino ad un certo "input" è dichiarato vincitore, mentre i pesi stessi sono aggiornati in modo da avvicinarli al vettore in ingresso. Ciascun nodo ha un certo numero di nodi adiacenti. Quando un nodo vince una competizione, anche i pesi dei nodi adiacenti sono modificati, secondo la regola generale che più un nodo è lontano dal nodo vincitore, meno marcata deve essere la variazione dei suoi pesi. Il processo è quindi ripetuto per ogni vettore dell'insieme di "training", per un certo numero, solitamente grande, di cicli. Va da sé che ingressi diversi producono vincitori diversi. Operando in tal modo, la mappa riesce alfine ad associare i nodi d'uscita con i gruppi o schemi ricorrenti nell'insieme dei dati in ingresso. Se questi schemi sono riconoscibili, essi possono essere associati ai corrispondenti nodi della rete addestrata. In maniera analoga a quella della maggioranza delle reti neurali artificiali, anche la mappa o rete SOM può operare in due distinte modalità: In generale una ANN ("Attractor Neural Network") è una rete di nodi (es: biologicamente ispirati), spesso interconnessi in modo ricorsivo, la cui dinamica nel tempo stabilisce un assestamento in un particolare modo di oscillazione. Questo modo di oscillazione può essere stazionario, variante nel tempo o di tipo stocastico ed è chiamato il suo 'attrattore'. In neuroscienza teorica diversi tipi di reti ad attrattori sono state associate a differenti funzioni, come: memoria, attenzione, condotta del moto e classificazione. Più precisamente, una rete ad attrattori è una rete di N nodi connessi in modo che la loro intera dinamica diventi stabile in uno spazio D dimensionale, dove solitamente N»D. Ciò assume che non vi sia più input dall'esterno del sistema. La stabilità nello stato ad attrattore indica l'esistenza di uno stato stabile in una qualche varietà algebrica (es: linea, cerchio, piano, toroide). L'utilità dei modelli di rete neurale sta nel fatto che queste possono essere usate per comprendere una funzione utilizzando solo le osservazioni sui dati. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni in cui la complessità dei dati o la difficoltà di elaborazione rende la progettazione di una tale funzione impraticabile con i normali procedimenti di analisi manuale. I compiti a cui le reti neurali sono applicate possono essere classificate nelle seguenti grandi categorie di applicazioni: Le aree di applicazione includono i sistemi di controllo (controllo di veicoli, controllo di processi), simulatori di giochi e processi decisionali (backgammon, scacchi), riconoscimento di pattern (sistemi radar, identificazione di volti, riconoscimento di oggetti, ecc), riconoscimenti di sequenze (riconoscimento di gesti, riconoscimento vocale, OCR), diagnosi medica, applicazioni finanziarie, data mining, filtri spam per e-mail. Le reti neurali per come sono costruite lavorano in parallelo e sono quindi in grado di trattare molti dati. Si tratta in sostanza di un sofisticato sistema di tipo statistico dotato di una buona immunità al rumore; se alcune unità del sistema dovessero funzionare male, la rete nel suo complesso avrebbe delle riduzioni di prestazioni ma difficilmente andrebbe incontro ad un blocco del sistema. I software di ultima generazione dedicati alle reti neurali richiedono comunque buone conoscenze statistiche; il grado di apparente utilizzabilità immediata non deve trarre in inganno, pur permettendo all'utente di effettuare subito previsioni o classificazioni, seppure con i limiti del caso. Da un punto di vista industriale, risultano efficaci quando si dispone di dati storici che possono essere trattati con gli algoritmi neurali. Ciò è di interesse per la produzione perché permette di estrarre dati e modelli senza effettuare ulteriori prove e sperimentazioni. I modelli prodotti dalle reti neurali, anche se molto efficienti, non sono spiegabili in linguaggio simbolico umano: i risultati vanno accettati "così come sono", da cui anche la definizione inglese delle reti neurali come "black box": in altre parole, a differenza di un sistema algoritmico, dove si può esaminare passo-passo il percorso che dall'input genera l'output, una rete neurale è in grado di generare un risultato valido, o comunque con una alta probabilità di essere accettabile, ma non è possibile spiegare come e perché tale risultato sia stato generato. Come per qualsiasi algoritmo di modellazione, anche le reti neurali sono efficienti solo se le variabili predittive sono scelte con cura. Non sono in grado di trattare in modo efficiente variabili di tipo categorico (per esempio, il nome della città) con molti valori diversi. Necessitano di una fase di addestramento del sistema che fissi i pesi dei singoli neuroni e questa fase può richiedere molto tempo, se il numero dei record e delle variabili analizzate è molto grande. Non esistono teoremi o modelli che permettano di definire la rete ottima, quindi la riuscita di una rete dipende molto dall'esperienza del creatore. Le reti neurali vengono solitamente usate in contesti dove i dati possono essere parzialmente errati oppure dove non esistano modelli analitici in grado di affrontare il problema. Un loro tipico utilizzo è nei software di OCR, nei sistemi di riconoscimento facciale e più in generale nei sistemi che si occupano di trattare dati soggetti a errori o rumore. Esse sono anche uno degli strumenti maggiormente utilizzati nelle analisi di Data mining. Le reti neurali vengono anche utilizzate come mezzo per previsioni nell'analisi finanziaria o meteorologica. Negli ultimi anni è aumentata notevolmente la loro importanza anche nel campo della bioinformatica nel quale vengono utilizzate per la ricerca di pattern funzionali e/o strutturali in proteine e acidi nucleici. Mostrando opportunamente una lunga serie di input (fase di training o apprendimento), la rete è in grado di fornire l'output più probabile. Negli ultimi anni inoltre sono in corso studi per il loro utilizzo nella previsione degli attacchi Epilettici (Analisi dei Dati provenienti dall' EEG). Recenti studi hanno dimostrato buone potenzialità delle reti neurali in sismologia per la localizzazione di epicentri di terremoti e predizione della loro intensità.

Rete neurale artificiale

In statistica, una correlazione è una relazione tra due variabili tale che a ciascun valore della prima corrisponda un valore della seconda, seguendo una certa regolarità . Il termine apparve per la prima volta in un'opera di Francis Galton, "Hereditary Genius" (1869). Non fu definita in modo più approfondito (la moralità di un individuo e la sua instabilità morale sono non correlate). Otto anni dopo, nel 1877, lo stesso Galton scoprì che i coefficienti di regressione lineare tra X e Y sono gli stessi se - ad entrambe le variabili - viene applicata la deviazione standard σ e σ: Galton utilizzò in realtà lo scarto interquartile, definendo il parametro "coefficiente di co-relazione" e abbreviando "regressione" in "r". In base alle caratteristiche presentate, la correlazione può definirsi: Inoltre, le correlazioni possono essere: Il grado di correlazione tra due variabili viene espresso tramite l'indice di correlazione. Il valore che esso assume è compreso tra −1 (correlazione inversa) e 1 (correlazione diretta e assoluta), con un indice pari a 0 che comporta l'assenza di correlazione; il valore nullo dell'indice non implica, tuttavia, che le variabili siano indipendenti. I coefficienti di correlazione sono derivati dagli indici, tenendo presenti le grandezze degli scostamenti dalla media. In particolare, l'indice di correlazione di Pearson è calcolato come rapporto tra la covarianza delle due variabili e il prodotto delle loro deviazioni standard.: Va comunque notato che gli indici e i coefficienti di correlazione siano da ritenersi sempre approssimativi, a causa dell'arbitrarietà con cui sono scelti gli elementi: ciò è vero, in particolare, nei casi di correlazioni multiple. Contrariamente a quanto si potrebbe intuire, la correlazione non dipende da un rapporto di causa-effetto quanto dalla tendenza di una variabile a cambiare in funzione di un'altra. Le variabili possono essere tra loro dipendenti (per esempio la relazione tra stature dei padri e dei figli) oppure comuni (relazione tra altezza e peso di una persona). Nel cercare una correlazione statistica tra due grandezze, per determinare un possibile rapporto di causa-effetto, essa non deve risultare una correlazione spuria.

Correlazione (statistica)

Il data mining (letteralmente dall'inglese "estrazione di dati") è l'insieme di tecniche e metodologie che hanno per oggetto l'estrazione di informazioni utili da grandi quantità di dati (es. database, datawarehouse ecc...), attraverso metodi automatici o semi-automatici (es. machine learning) e l'utilizzo scientifico, aziendale/industriale o operativo delle stesse. La statistica può essere definita altrimenti come ""estrazione di informazione utile da insiemi di dati"". Il concetto di "data mining" è simile, ma con una sostanziale differenza: la statistica permette di elaborare informazioni generali riguardo ad una popolazione (es. percentuali di disoccupazione, nascite), mentre il "data mining "viene utilizzato per cercare correlazioni tra più variabili relativamente ai singoli individui; ad esempio conoscendo il comportamento medio dei clienti di una compagnia telefonica cerco di prevedere quanto spenderà il cliente medio nell'immediato futuro. In sostanza il data mining è ""l'analisi, da un punto di vista matematico, eseguita su database di grandi dimensioni"", preceduta tipicamente da altre fasi di preparazione/trasformazione/filtraggio dei dati come il data cleaning. Il termine "data mining" è diventato popolare nei tardi anni novanta come versione abbreviata della definizione appena esposta; oggi il "data mining" ha una duplice valenza: In entrambi i casi i concetti di informazione e di significato sono legati strettamente al dominio applicativo in cui si esegue data mining, in altre parole un dato può essere interessante o trascurabile a seconda del tipo di applicazione in cui si vuole operare. Questo tipo di attività è cruciale in molti ambiti della ricerca scientifica, ma anche in altri settori (per esempio in quello delle ricerche di mercato). Nel mondo professionale è utilizzata per risolvere problematiche diverse tra loro, che vanno dalla gestione delle relazioni con i clienti (CRM), all'individuazione di comportamenti fraudolenti, fino all'ottimizzazione di siti web. I fattori principali che hanno contribuito allo sviluppo del data mining sono: Le tecniche di data mining sono fondate su specifici algoritmi. I pattern identificati possono essere, a loro volta, il punto di partenza per ipotizzare e quindi verificare nuove relazioni di tipo causale fra fenomeni; in generale, possono servire in senso statistico per formulare previsioni su nuovi insiemi di dati. Un concetto correlato al data mining è quello di apprendimento automatico ("Machine learning"); infatti, l'identificazione di pattern può paragonarsi all'apprendimento, da parte del sistema di data mining, di una relazione causale precedentemente ignota, cosa che trova applicazione in ambiti come quello degli algoritmi euristici e dell'intelligenza artificiale. Tuttavia, occorre notare che il processo di data mining è sempre sottoposto al rischio di rivelare relazioni causali che poi si rivelano inesistenti. Tra le tecniche maggiormente utilizzate in questo ambito vi sono: Un'altra tecnica molto diffusa per il data mining è l'apprendimento mediante classificazione. Questo schema di apprendimento parte da un insieme ben definito di esempi di classificazione per casi noti, dai quali ci si aspetta di dedurre un modo per classificare esempi non noti. Tale approccio viene anche detto "con supervisione" ("supervised"), nel senso che lo schema di apprendimento opera sotto la supervisione fornita implicitamente dagli esempi di classificazione per i casi noti; tali esempi, per questo motivo, vengono anche detti "training examples", ovvero "esempi per l'addestramento". La conoscenza acquisita per apprendimento mediante classificazione può essere rappresentata con un albero di decisione. L'estrazione dei dati vera e propria giunge quindi al termine di un processo che comporta numerose fasi: si individuano le fonti di dati; si crea un unico set di dati aggregati; si effettua una pre-elaborazione (data cleaning, analisi esplorative, selezione, ecc.); si estraggono i dati con l'algoritmo scelto; si interpretano e valutano i pattern; l'ultimo passaggio va dai pattern alla nuova conoscenza così acquisita. Vi sono diverse proposte e tecniche aventi ognuna specifiche caratteristiche e vantaggi. Che cosa "è" "data mining"? Che cosa "non è" "data mining"? È una forma particolare di data mining nella quale i dati consistono in testi in lingua naturale, in altre parole, documenti "destrutturati". Il text mining unisce la tecnologia della lingua con gli algoritmi del data mining. L'obiettivo è sempre lo stesso: l'estrazione di informazione implicita contenuta in un insieme di documenti. Ha avuto un notevole sviluppo, grazie ai progressi delle tecniche di elaborazione del linguaggio naturale (NLP in inglese), della disponibilità di applicazioni complesse attraverso gli "Application service provider" (ASP) e dell'interesse verso le tecniche automatiche di gestione della lingua mostrato sia dagli accademici, sia dai produttori di software, sia dai gestori dei motori di ricerca. Una delle evoluzioni più recenti del data mining è la "data visualisation". Settore specialistico dell'infografica, la data visualisation si occupa non solamente di rendere graficamente intelligibile un testo, ma entra in relazione più diretta con la strutturazione dei database e l'esportazione di grafici dai dati. Un'altra nuova frontiera è il «social data mining»: l'analisi di informazioni generate dalle reti sociali online, come ad esempio l'analisi del sentiment. L'utilizzo del data mining nella ricerca di mercato è volto ad ampliare la conoscenza su cui basare i processi decisionali. Nel contesto aziendale il data mining è considerato parte del processo che porta alla creazione di un data warehouse. È efficace soprattutto per la valorizzazione delle informazioni aziendali residenti in questi grandi depositi di dati. Affinché l'informazione estratta dai dati esistenti sia significativa, e quindi potenzialmente utile, deve essere: In questo contesto, un pattern (schema) non è altro che la rappresentazione delle relazioni chiave che vengono scoperte durante il processo di estrazione dati: sequenze ripetute, omogeneità, emergenza di regole, ecc. Per esempio, se un pattern mostra che i clienti di una certa area demografica sono molto propensi ad acquistare uno specifico prodotto, allora un'interrogazione ("query") selettiva ad un data warehouse di probabili compratori può essere usata per generare un elenco di indirizzi promozionali. L'esempio classico spesso usato nei corsi universitari è quello di una catena non meglio specificata di supermercati (probabilmente statunitense) che avrebbe scoperto, analizzando gli scontrini, qualcosa altrimenti difficilmente immaginabile: le persone che acquistavano pannolini spesso compravano più birra degli altri, per cui mettendo la birra più costosa non lontano dai pannolini, poteva incrementarne le vendite. Infatti quelle persone che avevano figli piccoli passavano più serate in casa a guardare la TV bevendo birra in casa non potendo uscire con gli amici. È doveroso tuttavia precisare che non è chiaro quale sia la catena di supermercati in questione, e l'esempio, seppur ottimo per scopi didattici e largamente utilizzato anche in ambito giornalistico, potrebbe essere stato inventato così come potrebbe essere vero.

Data mining

In statistica, la regressione di Poisson è una forma di modello lineare generalizzato di analisi di regressione usato per modellare il conteggio dei dati in tabelle contingenti. La regressione di Poisson assume che la variabile di risposta Y ha una distribuzione di Poisson, e assume che il logaritmo del suo valore aspettato possa essere modellato da una combinazione lineare di parametri sconosciuti. La regressione di Poisson è talvolta conosciuta anche come modello log-lineare, specialmente quando viene usato per modellare tabelle contingenti. La regressione binomiale negativa (NB2) è una famosa generalizzazione della regressione di Poisson perché allenta il presupposto altamente restrittivo che la varianza è uguale alla media come nel modello di Poisson La NB2 si basa sulla distribuzione mista Poisson-Gamma. Questo modello è molto usato perché modella l'eterogeneità della Poisson con la distribuzione Gamma.

Regressione di Poisson

In matematica, una funzione di densità di probabilità (o PDF dall'inglese "probability density function") è l'analogo della funzione di probabilità di una variabile casuale nel caso in cui la variabile casuale formula_1 sia continua, cioè l'insieme dei possibili valori che ha la potenza del continuo. Essa descrive la "densità" di probabilità in ogni punto nello spazio campionario. La funzione di densità di probabilità di una variabile casuale formula_1 è un'applicazione formula_3 non negativa integrabile secondo Lebesgue e reale di variabile reale tale che la probabilità dell'insieme "A" sia data da per tutti i sottinsiemi "A" dello spazio campionario. Intuitivamente, se una distribuzione di probabilità ha densità formula_3, allora l'intervallo formula_6 ha probabilità formula_7. Da ciò deriva che la funzione formula_3 è un'applicazione definita come Assumendo formula_10, ciò corrisponde al limite della probabilità che formula_11 si trovi nell'intervallo formula_6 per formula_13 che tende a zero. Di qui il nome di funzione di 'densità', in quanto essa rappresenta il rapporto tra una probabilità e un'ampiezza. Per la condizione di normalizzazione l'integrale su tutto lo spazio di formula_3 deve essere 1. Di conseguenza ogni funzione non negativa, integrabile secondo Lebesgue, con integrale su tutto lo spazio uguale a 1, è la funzione densità di probabilità di una ben definita distribuzione di probabilità. Una variabile casuale che possiede densità si dice "variabile casuale continua". Per le variabili casuali multivariate (o vettoriali) la trattazione formale è assolutamente identica: formula_15 si dice assolutamente continua se esiste una funzione a valori reali definita in formula_16, detta densità congiunta, tale che per ogni sottoinsieme "A" dello spazio campionario Essa conserva tutte le proprietà di una densità scalare: è una funzione non negativa a integrale unitario su tutto lo spazio. Una proprietà importante è che se formula_15 è assolutamente continua allora lo è ogni sua componente; il viceversa invece non vale. La densità di una componente, detta densità marginale, si ottiene con un ragionamento analogo al teorema della probabilità assoluta, cioè fissando l'insieme di suoi valori di cui si vuole determinare la probabilità e lasciando libere di variare tutte le altre componenti. Infatti (nel caso bivariato per semplicità) l'evento formula_19 è l'evento formula_20, dunque utilizzando il teorema di Fubini. La densità marginale di formula_1 è data dunque da La funzione di densità della variabile casuale normale di media 0 e varianza 1 (detta "normale standard"), di cui a destra è riportato il grafico e l'espressione analitica della corrispondente densità nel caso generico (media formula_24 e varianza formula_25). Un altro esempio può essere dato dalla densità di probabilità uniforme su un segmento (0,1). Si può verificare immediatamente che è densità di probabilità facendo l'integrale tra (0,1).

Funzione di densità di probabilità

Nell'analisi statistica della classificazione binaria, lF score (nota anche come F-score o F-measure, letteralmente "misura F") è una misura dell'accuratezza di un test. La misura tiene in considerazione precisione e recupero del test, dove la precisione è il numero di veri positivi diviso il numero di tutti i risultati positivi, mentre il recupero è il numero di veri positivi diviso il numero di tutti i test che sarebbero dovuti risultare positivi (ovvero veri positivi più falsi negativi). L'F viene calcolato tramite la media armonica di precisione e recupero: Può assumere valori compresi fra 0 e 1. Assume valore 0 solo se almeno uno dei due vale 0, mentre assume valore 1 sia precisione che recupero valgono 1. L'F score è anche noto come coefficiente di Sørensen-Dice (DSC), o semplicemente coefficiente di Dice. La formula generale è: per valori di β reali positivi. La formula in termini di errori di primo e secondo tipo: Due particolari istanze della formula solitamente utilizzate sono la misura formula_4 (che pone maggiore enfasi sui falsi negativi) ed formula_5 (la quale attenua l'influenza dei falsi negativi). In generale, formula_6 "misura l'efficacia del recupero rispetto ad un utente attribuisce al recupero un'importanza di β volte quella della precisione". L'F-score è solitamente usata nel campo del recupero dell'informazione per misurare l'accuratezza delle ricerche o della classificazione dei documenti. Inizialmente l'F score era l'unica misura ad essere considerata, ma con la proliferazione in larga scala di motori di ricerca gli obiettivi di prestazione iniziarono a variare, divenendo necessario porre maggiore enfasi su precisione o recupero. L'F-score è usata anche nel campo dell'apprendimento automatico ed è vastamente impiegata nella letteratura sull'elaborazione del linguaggio naturale. Da notare, comunque, che non viene mai preso in considerazione il numero di veri negativi. In tal senso, misure come il coefficiente di correlazione di Matthews o il Kappa di Cohen possono generare risultati più adeguati alle proprie esigenze. Mentre l'F-measure è una media armonica di recupero e precisione, la cosiddetta G-measure è una media geometrica: Dove "PPV" sta per "Positive Predictive Value" ("valore predittivo positivo") e "TPR" per "True Positive Rate" (o indice di sensibilità). È nota anche come indice di Fowlkes-Mallows.

F1 score

Un'ipotesi nulla (in inglese "null hypothesis," che significa letteralmente ipotesi zero) è un'affermazione sulla distribuzione di probabilità di una o più variabili casuali. Si intende per ipotesi nulla l'affermazione secondo la quale non ci sia differenza oppure non vi sia relazione tra due fenomeni misurati, o associazione tra due gruppi. Solitamente viene assunta vera finché non si trova evidenza che la confuti. Nel test statistico viene verificata in termini probabilistici la validità di un'ipotesi statistica, detta appunto ipotesi nulla, di solito indicata con "H". Attraverso una funzione dei dati campionari si decide se accettare l'ipotesi nulla o meno. Nel caso l'ipotesi nulla venga rifiutata si accetterà l'ipotesi alternativa, indicata con "H". Se si rifiuta un'ipotesi nulla che nella realtà è vera allora si dice che si è commesso un errore di prima specie (o falso positivo). Accettando invece un'ipotesi nulla falsa si commette un errore di seconda specie (o falso negativo). L'ipotesi può essere di tipo funzionale se riferita alla forma della f (x;θ) con f funzione di densità o di probabilità, o parametrica se riferita al vettore incognito θ. L'ipotesi è semplice quando specifica completamente la f (x;θ). Nel caso un'ipotesi non sia semplice si dirà composta. Quando si considera un solo parametro l'ipotesi semplice è del tipo θ=θ, dove θ è un valore particolare. Un'ipotesi è unilaterale se è del tipo θ > θ oppure del tipo θ < θ. Un'ipotesi è bilaterale se è del tipo θ ≠ θ oppure del tipo θ < θ e θ > θ.

Ipotesi nulla

In statistica bayesiana, la probabilità a posteriori di un evento aleatorio o di una proposizione incerta, è la probabilità condizionata che è assegnata dopo che si è tenuto conto dell'informazione rilevante o degli antefatti relativi a tale evento aleatorio o a tale proposizione incerta. Similmente, la distribuzione di probabilità a posteriori è la distribuzione di una quantità incognita, trattata come una variabile casuale, condizionata sull'informazione posta in evidenza da un esperimento o da un processo di raccolta di informazione rilevanti (es. un'ispezione, un'indagine conoscitiva, ecc.). La probabilità a posteriori è la probabilità dei parametri formula_1 data la conoscenza di formula_2: formula_3. Essa differisce dalla funzione di verosimiglianza, che è la probabilità di possedere una data conoscenza una volta dati i parametri: formula_4. I due concetti sono però tra loro collegati: Supponiamo di avere una credenza a priori che la funzione di distribuzione di probabilità sia formula_5 e i dati osservati formula_2 con una verosimiglianza formula_4, allora la probabilità a posteriori è definita come La probabilità a posteriori può essere scritta in una forma mnemonica come Consideriamo una scuola mista composta dal 60% di ragazzi e dal 40% di ragazze. Le ragazze indossano pantaloni o gonne in numeri eguali, i ragazzi indossano tutti pantaloni. Un osservatore vede da distante uno studente (a caso); tutto quello che può dire è che indossa pantaloni. Qual è la probabilità che lo studente sia una ragazza? La risposta corretta può essere dedotta applicando il teorema di Bayes. L'evento "G" è quello in cui lo studente visto è una ragazza, e l'evento "T" è quello in cui lo studente visto indossa pantaloni. Per calcolare P("G"|"T") abbiamo prima bisogno di sapere: Una volta ottenute tutte queste informazioni, la probabilità che l'osservatore abbia individuato una ragazza una volta visto uno studente che indossa pantaloni può essere calcolata sostituendo i valori nella formula: La distribuzione di probabilità a posteriori di una variabile casuale dato il valore di un'altra, può essere calcolata con il teorema di Bayes moltiplicando la distribuzione di probabilità a priori per la funzione di verosimiglianza, e quindi dividendo per una costante di normalizzazione come segue: la quale fornisce la funzione di densità di probabilità per una variabile casuale "X" una volta dato "Y" = "y", dove Nell'ambito della classificazione statistica le probabilità a posteriori riflettono l'incertezza nell'assegnare un'osservazione ad una classe particolare. Mentre i metodi di classificazione statistica per definizione generano probabilità a posteriori, gli apprenditori automatici solitamente forniscono valori di appartenenza che non inducono alcuna confidenza di tipo probabilistico. È desiderabile trasformare o convertire i valori di appartenenza a valori di probabilità di appartenenza ad una certa classe in quanto tali classi sono, in confronto ai primi, di più facile trattamento in susseguenti elaborazioni.

Probabilità a posteriori

Nel campo dell'apprendimento automatico, una rete neurale artificiale (in inglese "artificial neural network", abbreviato in ANN o anche come NN) è un modello computazionale composto di "neuroni" artificiali, ispirato vagamente dalla semplificazione di una rete neurale biologica. Questi modelli matematici sono troppo semplici per ottenere una comprensione delle reti neurali biologiche, ma sono utilizzati per tentare di risolvere problemi ingegneristici di intelligenza artificiale come quelli che si pongono in diversi ambiti tecnologici (in elettronica, informatica, simulazione, e altre discipline). Una rete neurale artificiale può essere realizzata sia da programmi software che da hardware dedicato (DSP, "Digital Signal Processing"). Questa branca può essere utilizzata in congiunzione alla logica fuzzy. L'ampia varietà di modelli non può prescindere dal costituente di base, il neurone artificiale proposto da W.S. McCulloch e Walter Pitts in un famoso lavoro del 1943: ""A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity"", il quale schematizza un combinatore lineare a soglia, con dati binari multipli in entrata e un singolo dato binario in uscita: un numero opportuno di tali elementi, connessi in modo da formare una rete, è in grado di calcolare semplici funzioni booleane. Le prime ipotesi di apprendimento furono introdotte da D. O. Hebb nel libro del 1949: ""The organization of behavior"", nel quale vengono proposti collegamenti con i modelli complessi del cervello. Nel 1958, J. Von Neumann nella sua opera ""The computer and the brain"" esamina le soluzioni proposte dai precedenti autori sottolineando la scarsa precisione che queste strutture possedevano per potere svolgere operazioni complesse. Nello stesso anno, Frank Rosenblatt nel libro "Psychological review" introduce il primo schema di rete neurale, detto "Perceptron" (percettrone), antesignano delle attuali reti neurali, per il riconoscimento e la classificazione di forme, allo scopo di fornire un'interpretazione dell'organizzazione generale dei sistemi biologici. Il modello probabilistico di Rosenblatt è quindi mirato all'analisi, in forma matematica, di funzioni quali l'immagazzinamento delle informazioni, e della loro influenza sul riconoscimento dei pattern; esso costituisce un progresso decisivo rispetto al modello binario di McCulloch e Pitts, perché i suoi pesi sinaptici sono variabili e quindi il percettrone è in grado di apprendere. L'opera di Rosenblatt stimola una quantità di studi e ricerche che dura per un decennio, e suscita un vivo interesse e notevoli aspettative nella comunità scientifica, destinate tuttavia ad essere notevolmente ridimensionate allorché nel 1969 Marvin Minsky e Seymour A. Papert, nell'opera ""An introduction to computational geometry"", mostrano i limiti operativi delle semplici reti a due strati basate sul percettrone, e dimostrano l'impossibilità di risolvere per questa via molte classi di problemi, ossia tutti quelli non caratterizzati da separabilità lineare delle soluzioni: questo tipo di rete neurale non è abbastanza potente: non è infatti neanche in grado di calcolare la funzione "or esclusivo" (XOR). A causa di queste limitazioni, al periodo di euforia dovuto ai primi risultati della cibernetica (come veniva chiamata negli anni sessanta) segue un periodo di diffidenza durante il quale tutte le ricerche in questo campo non ricevono più alcun finanziamento dal governo degli Stati Uniti d'America; le ricerche sulle reti tendono, di fatto, a ristagnare per oltre un decennio, e l'entusiasmo iniziale risulta fortemente ridimensionato. Il contesto matematico per addestrare le reti MLP ("Multi-Layers Perceptron", ossia percettrone multistrato) fu stabilito dal matematico americano Paul Werbos nella sua tesi di dottorato (Ph.D.) del 1974. Non fu dato molto peso al suo lavoro tanto fu forte la confutazione dimostrata da Minsky e Papert anni prima, e solo l'intervento di J. J. Hopfield, nel 1982, che in un suo lavoro studia dei modelli di riconoscimento di pattern molto generali, si oppose in modo diretto alla confutazione di Minsky riaprendo così degli spiragli per la ricerca in questo campo. Uno dei metodi più noti ed efficaci per l'addestramento di tale classe di reti neurali è il cosiddetto algoritmo di retropropagazione dell'errore (error backpropagation), proposto nel 1986 da David E. Rumelhart, G. Hinton e R. J. Williams, il quale modifica sistematicamente i pesi delle connessioni tra i nodi, così che la risposta della rete si avvicini sempre di più a quella desiderata. Tale lavoro fu prodotto riprendendo il modello creato da Werbos. L'algoritmo di retropropagazione ("backpropagation" o BP) è una tecnica d'apprendimento tramite esempi, costituente una generalizzazione dell'algoritmo d'apprendimento per il percettrone sviluppato da Rosenblatt nei primi anni '60. Mediante questa tecnica era possibile, come detto, trattare unicamente applicazioni caratterizzabili come funzioni booleane linearmente separabili. L'algoritmo di apprendimento si basa sul metodo della discesa del gradiente che permette di trovare un minimo locale di una funzione in uno spazio a N dimensioni. I pesi associati ai collegamenti tra gli strati di neuroni si inizializzano a valori piccoli (ovvero molto inferiori ai valori reali che poi assumeranno) e casuali e poi si applica la regola di apprendimento presentando alla rete dei pattern di esempio. Queste reti neurali sono poi capaci di generalizzare in modo appropriato, cioè di dare risposte plausibili per input che non hanno mai visto. L'addestramento di une rete neurale di tipo BP avviene in due diversi stadi: "forward-pass" e "backward-pass". Nella prima fase i vettori in input sono applicati ai nodi in ingresso con una propagazione in avanti dei segnali attraverso ciascun livello della rete ("forward-pass"). Durante questa fase i valori dei pesi sinaptici sono tutti fissati. Nella seconda fase la risposta della rete viene confrontata con l'uscita desiderata ottenendo il segnale d'errore. L'errore calcolato è propagato nella direzione inversa rispetto a quella delle connessioni sinaptiche. I pesi sinaptici infine sono modificati in modo da minimizzare la differenza tra l'uscita attuale e l'uscita desiderata ("backward-pass"). Tale algoritmo consente di superare le limitazioni del percettrone e di risolvere il problema della separabilità non lineare (e quindi di calcolare la funzione XOR), segnando il definitivo rilancio delle reti neurali, come testimoniato anche dall'ampia varietà d'applicazioni commerciali: attualmente la BP rappresenta un algoritmo di largo uso in molti campi applicativi. Una rete neurale artificiale (ANN ""Artificial Neural Network"" in inglese), normalmente chiamata solo "rete neurale" (NN ""Neural Network"" in inglese), è un modello matematico/informatico di calcolo basato sulle reti neurali biologiche. Tale modello è costituito da un gruppo di interconnessioni di informazioni costituite da neuroni artificiali e processi che utilizzano un approccio di connessionismo di calcolo. Nella maggior parte dei casi una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la propria struttura in base a informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete stessa durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Una rete neurale artificiale riceve segnali esterni su uno strato di nodi (unità di elaborazione) d'ingresso, ciascuno dei quali è collegato con numerosi nodi interni, organizzati in più livelli. Ogni nodo elabora i segnali ricevuti e trasmette il risultato a nodi successivi. Il concetto di rete neurale si pone perché una funzione formula_1 è definita come una composizione di altre funzioni formula_2, che possono a loro volta essere ulteriormente definite come composizione di altre funzioni. Questo può essere comodamente rappresentato come una struttura di reti, con le frecce raffiguranti le dipendenze tra variabili. Una rappresentazione ampiamente utilizzata è la somma ponderata non lineare, dove formula_3, dove formula_4 è una funzione predefinita, come ad esempio la tangente iperbolica. Sarà conveniente per le seguenti far riferimento ad un insieme di funzioni come un vettore formula_5. La Figura 1 esemplifica una decomposizione della funzione formula_6, con dipendenze tra le variabili indicate dalle frecce. Queste possono essere interpretate in due modi: I due punti di vista sono in gran parte equivalenti. In entrambi i casi, per questa particolare architettura di rete, i componenti dei singoli strati sono indipendenti l'uno dall'altro (ad esempio, le componenti di formula_8 sono indipendenti l'una dall'altra, dato il loro ingresso formula_15). Questo, naturalmente, permette un certo grado di parallelismo nella costruzione del sistema. Reti, come ad esempio quelle precedenti vengono comunemente chiamate ""feedforward"", perché il loro è un grafico aciclico diretto. Reti con cicli al loro interno sono comunemente chiamati reti ricorrenti. Tali reti sono comunemente raffigurate nel modo indicato nella parte superiore della Figura 2, dove la funzione formula_6 è mostrata come dipendente su se stessa. Tuttavia, vi è una dipendenza temporale implicita che non è possibile dimostrare. Questo significa in pratica che il valore di formula_6 ad un certo punto nel tempo formula_18 dipende dai valori di formula_6 al tempo zero o su uno o più altri punti temporali. Il modello del grafico nella parte inferiore della Figura 2 illustra il caso in cui il valore di formula_6 al tempo formula_18 dipende solo dal suo valore finale. Tuttavia la funzionalità più interessante di queste funzioni, ciò che ha attirato l'interesse e lo studio per la maggior parte delle reti neurali, è la possibilità di apprendimento, che in pratica significa la seguente: Ciò comporta la definizione di una funzione di costo formula_24 tale che, per la soluzione ottimale formula_25 formula_26 nessuna soluzione ha un costo inferiore al costo della soluzione ottimale. La funzione di costo formula_27 è un concetto importante nell'apprendimento, poiché si tratta di una misura di quanto è lontana da noi la soluzione ottimale del problema che vogliamo risolvere. Quindi vi sono una serie di algoritmi di apprendimento che cercano nello spazio delle soluzioni al fine di trovare una funzione che abbia il minor costo possibile. Per applicazioni in cui la soluzione dipende da alcuni dati, il costo deve essere necessariamente funzione delle osservazioni. Mentre è possibile definire per alcune reti una funzione di costo ad hoc, spesso si può utilizzare una particolare funzione di costo poiché gode delle proprietà desiderate (ad esempio, la convessità), o perché proviene da una particolare formulazione del problema (vale a dire, in una formulazione probabilistica, la probabilità a posteriori del modello può essere utilizzata come l'inverso del costo). In ultima analisi, la funzione di costo dipenderà dal compito. Vi sono tre grandi paradigmi di apprendimento, ciascuno corrispondente ad un particolare compito astratto di apprendimento. Si tratta dell'apprendimento supervisionato, apprendimento non supervisionato e l'apprendimento per rinforzo. Di solito un tipo di architettura di rete può essere impiegato in qualsiasi di tali compiti. L'algoritmo di apprendimento hebbiano (1984) si basa sul semplice principio che se due neuroni si attivano contemporaneamente, la loro interconnessione deve essere rafforzata. formula_28 dove formula_29, dove formula_30 è l'formula_31 ingresso e formula_32 è il tasso di apprendimento formula_33. La regola di Hebb è la seguente: l'efficacia di una particolare sinapsi cambia se e solo se c'è un'intensa attività simultanea dei due neuroni, con un'alta trasmissione di input nella sinapsi in questione. Esempio di procedura: In questo modo le connessioni possono solo irrobustirsi. Le connessioni si considerano irrobustite quando le unità presinaptica e postsinaptica sono d'accordo, altrimenti si indeboliscono. Si considerano funzioni bipolari (-1,1) invece che booleane (0,1). Le reti neurali si basano principalmente sulla simulazione di neuroni artificiali opportunamente collegati. Il modello rappresentato in figura è quello proposto da McCulloch e Pitts. I suddetti neuroni ricevono in ingresso degli stimoli e li elaborano. L'elaborazione può essere anche molto sofisticata ma in un caso semplice si può pensare che i singoli ingressi vengano moltiplicati per un opportuno valore detto peso, il risultato delle moltiplicazioni viene sommato e se la somma supera una certa soglia il neurone si attiva attivando la sua uscita. Il peso indica l'efficacia sinaptica della linea di ingresso e serve a quantificarne l'importanza, un ingresso molto importante avrà un peso elevato, mentre un ingresso poco utile all'elaborazione avrà un peso inferiore. Si può pensare che se due neuroni comunicano fra loro utilizzando maggiormente alcune connessioni allora tali connessioni avranno un peso maggiore, fino a che non si creeranno delle connessioni tra l'ingresso e l'uscita della rete che sfruttano "percorsi preferenziali". Tuttavia è sbagliato pensare che la rete finisca col produrre un unico percorso di connessione: tutte le combinazioni infatti avranno un certo peso, e quindi contribuiscono al collegamento ingresso/uscita. Il modello in figura rappresenta una classica rete neurale pienamente connessa. I singoli neuroni vengono collegati alla schiera di neuroni successivi, in modo da formare una rete di neuroni. Normalmente una rete è formata da tre strati. Nel primo abbiamo gli ingressi (I), questo strato si preoccupa di trattare gli ingressi in modo da adeguarli alle richieste dei neuroni. Se i segnali in ingresso sono già trattati può anche non esserci. Il secondo strato è quello nascosto (H, "hidden"), si preoccupa dell'elaborazione vera e propria e può essere composto anche da più colonne di neuroni. Il terzo strato è quello di uscita (O) e si preoccupa di raccogliere i risultati ed adattarli alle richieste del blocco successivo della rete neurale. Queste reti possono essere anche molto complesse e coinvolgere migliaia di neuroni e decine di migliaia di connessioni. Per costruire la struttura di una rete neurale multistrato si possono inserire formula_38 strati "hidden." L'efficacia di generalizzare di una rete neurale multistrato dipende ovviamente dall'addestramento che ha ricevuto e dal fatto di essere riuscita o meno ad entrare in un minimo locale buono. L'algoritmo di retropropagazione dell'errore ("backpropagation") è utilizzato nell'apprendimento con supervisione. Esso permette di modificare i pesi delle connessioni in modo tale che si minimizzi una certa funzione errore E. Tale funzione dipende dal vettore h-esimo di output formula_39 restituito dalla rete, dato il vettore h-esimo di ingresso formula_40 e dal vettore h-esimo di output formula_41che noi desideriamo (che fa parte del training set). Il training set è dunque un insieme di N coppie di vettori formula_42, con formula_43. La funzione errore che si deve minimizzare si può scrivere come: formula_44 dove l'indice k rappresenta il valore corrispondente al k-esimo neurone di output. E(w) è una funzione dipendente dai pesi (che in generale variano nel tempo), per minimizzarla si può usare l'algoritmo della discesa del gradiente ("gradient descent"). L'algoritmo parte da un punto generico formula_45 e calcola il gradiente formula_46. Il gradiente dà la direzione verso cui muoversi lungo la quale si ha il massimo incremento (o decremento se considero formula_47). Definita la direzione ci si muove di una distanza formula_32 predefinita a priori e si trova un nuovo punto formula_49 sul quale è calcolato nuovamente il gradiente. Si continua iterativamente finché il gradiente non è nullo. L'algoritmo di backpropagation può essere diviso in due passi: I passi logici per addestrare una rete neurale con apprendimento supervisionato sono i seguenti: Per l'addestramento di reti neurali profonde, impiegando dataset molto vasti, la discesa del gradiente classica risulta computazionalmente proibitiva, per cui nell'ottimizzare i parametri del modello si fa tipicamente uso dell'algoritmo di discesa stocastica del gradiente. Nel 1982, il fisico John J. Hopfield pubblica un articolo fondamentale in cui presenta un modello matematico comunemente noto appunto come rete di Hopfield: tale rete si distingue per "l'emergere spontaneo di nuove capacità computazionali dal comportamento collettivo di un gran numero di semplici elementi d'elaborazione". Le proprietà collettive del modello producono una memoria associativa per il riconoscimento di configurazioni corrotte e il recupero di informazioni mancanti. Inoltre, Hopfield ritiene che ogni sistema fisico possa essere considerato come un potenziale dispositivo di memoria, qualora esso disponga di un certo numero di stati stabili, i quali fungano da attrattore per il sistema stesso. Sulla base di tale considerazione, egli si spinge a formulare la tesi secondo cui la stabilità e la collocazione di tali attrattori sono proprietà spontanee di sistemi costituiti, come accennato, da considerevoli quantità di neuroni reciprocamente interagenti. Le applicazioni delle reti di Hopfield riguardano principalmente la realizzazione di memorie associative, resistenti all'alterazione delle condizioni operative, e la soluzione di problemi d'ottimizzazione combinatoriale. Da un punto di vista strutturale, la rete di Hopfield costituisce una rete neurale ricorrente simmetrica, di cui è garantita la convergenza. Una rete ricorrente è un modello neurale in cui è presente un flusso bidirezionale d'informazioni; in altri termini, mentre nelle reti di tipo feedforward la propagazione dei segnali avviene unicamente, in maniera continua, nella direzione che conduce dagli ingressi alle uscite, nelle reti ricorrenti tale propagazione può anche manifestarsi da uno strato neurale successivo ad uno precedente, oppure tra neuroni appartenenti ad uno stesso strato, e persino tra un neurone e sé stesso. Un significativo e noto esempio di semplice rete ricorrente è dovuto a Jeffrey L. Elman (1990). Essa costituisce una variazione sul tema del percettrone multistrato, con esattamente tre strati e l'aggiunta di un insieme di neuroni "contestuali" nello strato d'ingresso. Le connessioni retroattive si propagano dallo strato intermedio (e nascosto) a tali unità contestuali, alle quali si assegna peso costante e pari all'unità. In ciascun istante, gli ingressi si propagano nel modo tradizionale e tipico delle reti feedforward, compresa l'applicazione dell'algoritmo d'apprendimento (solitamente la "backpropagation"). Le connessioni retroattive fisse hanno come effetto quello di mantenere una copia dei precedenti valori dei neuroni intermedi, dal momento che tale flusso avviene sempre prima della fase d'apprendimento. In questo modo la rete di Elman tiene conto del suo stato precedente, cosa che le consente di svolgere compiti di previsione di sequenze temporali che sono difficilmente alla portata dei percettroni multistrato convenzionali. Infine, un ultimo interessante tipo di rete è costituita dalla cosiddetta mappa auto-organizzante o rete SOM ("Self-Organizing Map"). Tale innovativo tipo di rete neurale è stata elaborata da Teuvo Kohonen dell'Università Tecnologica di Helsinki; il suo algoritmo d'apprendimento è senza dubbio una brillante formulazione di apprendimento non supervisionato, e ha dato luogo a un gran numero di applicazioni nell'ambito dei problemi di classificazione. Una mappa o rete SOM è basata essenzialmente su un reticolo o griglia di neuroni artificiali i cui pesi sono continuamente adattati ai vettori presentati in ingresso nel relativo insieme di addestramento. Tali vettori possono essere di dimensione generica, anche se nella maggior parte delle applicazioni essa è piuttosto alta. Per ciò che riguarda le uscite della rete, al contrario, ci si limita di solito ad una dimensione massima pari a tre, il che consente di dare luogo a mappe 2D o 3D. In termini più analitici, l'algoritmo può essere agevolmente descritto, come accennato, nei termini di un insieme di neuroni artificiali, ciascuno con una precisa collocazione sulla mappa rappresentativa degli "output", che prendono parte ad un processo noto come "winner takes all" ("Il vincitore piglia tutto"), al termine del quale il nodo avente un vettore di pesi più vicino ad un certo "input" è dichiarato vincitore, mentre i pesi stessi sono aggiornati in modo da avvicinarli al vettore in ingresso. Ciascun nodo ha un certo numero di nodi adiacenti. Quando un nodo vince una competizione, anche i pesi dei nodi adiacenti sono modificati, secondo la regola generale che più un nodo è lontano dal nodo vincitore, meno marcata deve essere la variazione dei suoi pesi. Il processo è quindi ripetuto per ogni vettore dell'insieme di "training", per un certo numero, solitamente grande, di cicli. Va da sé che ingressi diversi producono vincitori diversi. Operando in tal modo, la mappa riesce alfine ad associare i nodi d'uscita con i gruppi o schemi ricorrenti nell'insieme dei dati in ingresso. Se questi schemi sono riconoscibili, essi possono essere associati ai corrispondenti nodi della rete addestrata. In maniera analoga a quella della maggioranza delle reti neurali artificiali, anche la mappa o rete SOM può operare in due distinte modalità: In generale una ANN ("Attractor Neural Network") è una rete di nodi (es: biologicamente ispirati), spesso interconnessi in modo ricorsivo, la cui dinamica nel tempo stabilisce un assestamento in un particolare modo di oscillazione. Questo modo di oscillazione può essere stazionario, variante nel tempo o di tipo stocastico ed è chiamato il suo 'attrattore'. In neuroscienza teorica diversi tipi di reti ad attrattori sono state associate a differenti funzioni, come: memoria, attenzione, condotta del moto e classificazione. Più precisamente, una rete ad attrattori è una rete di N nodi connessi in modo che la loro intera dinamica diventi stabile in uno spazio D dimensionale, dove solitamente N»D. Ciò assume che non vi sia più input dall'esterno del sistema. La stabilità nello stato ad attrattore indica l'esistenza di uno stato stabile in una qualche varietà algebrica (es: linea, cerchio, piano, toroide). L'utilità dei modelli di rete neurale sta nel fatto che queste possono essere usate per comprendere una funzione utilizzando solo le osservazioni sui dati. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni in cui la complessità dei dati o la difficoltà di elaborazione rende la progettazione di una tale funzione impraticabile con i normali procedimenti di analisi manuale. I compiti a cui le reti neurali sono applicate possono essere classificate nelle seguenti grandi categorie di applicazioni: Le aree di applicazione includono i sistemi di controllo (controllo di veicoli, controllo di processi), simulatori di giochi e processi decisionali (backgammon, scacchi), riconoscimento di pattern (sistemi radar, identificazione di volti, riconoscimento di oggetti, ecc), riconoscimenti di sequenze (riconoscimento di gesti, riconoscimento vocale, OCR), diagnosi medica, applicazioni finanziarie, data mining, filtri spam per e-mail. Le reti neurali per come sono costruite lavorano in parallelo e sono quindi in grado di trattare molti dati. Si tratta in sostanza di un sofisticato sistema di tipo statistico dotato di una buona immunità al rumore; se alcune unità del sistema dovessero funzionare male, la rete nel suo complesso avrebbe delle riduzioni di prestazioni ma difficilmente andrebbe incontro ad un blocco del sistema. I software di ultima generazione dedicati alle reti neurali richiedono comunque buone conoscenze statistiche; il grado di apparente utilizzabilità immediata non deve trarre in inganno, pur permettendo all'utente di effettuare subito previsioni o classificazioni, seppure con i limiti del caso. Da un punto di vista industriale, risultano efficaci quando si dispone di dati storici che possono essere trattati con gli algoritmi neurali. Ciò è di interesse per la produzione perché permette di estrarre dati e modelli senza effettuare ulteriori prove e sperimentazioni. I modelli prodotti dalle reti neurali, anche se molto efficienti, non sono spiegabili in linguaggio simbolico umano: i risultati vanno accettati "così come sono", da cui anche la definizione inglese delle reti neurali come "black box": in altre parole, a differenza di un sistema algoritmico, dove si può esaminare passo-passo il percorso che dall'input genera l'output, una rete neurale è in grado di generare un risultato valido, o comunque con una alta probabilità di essere accettabile, ma non è possibile spiegare come e perché tale risultato sia stato generato. Come per qualsiasi algoritmo di modellazione, anche le reti neurali sono efficienti solo se le variabili predittive sono scelte con cura. Non sono in grado di trattare in modo efficiente variabili di tipo categorico (per esempio, il nome della città) con molti valori diversi. Necessitano di una fase di addestramento del sistema che fissi i pesi dei singoli neuroni e questa fase può richiedere molto tempo, se il numero dei record e delle variabili analizzate è molto grande. Non esistono teoremi o modelli che permettano di definire la rete ottima, quindi la riuscita di una rete dipende molto dall'esperienza del creatore. Le reti neurali vengono solitamente usate in contesti dove i dati possono essere parzialmente errati oppure dove non esistano modelli analitici in grado di affrontare il problema. Un loro tipico utilizzo è nei software di OCR, nei sistemi di riconoscimento facciale e più in generale nei sistemi che si occupano di trattare dati soggetti a errori o rumore. Esse sono anche uno degli strumenti maggiormente utilizzati nelle analisi di Data mining. Le reti neurali vengono anche utilizzate come mezzo per previsioni nell'analisi finanziaria o meteorologica. Negli ultimi anni è aumentata notevolmente la loro importanza anche nel campo della bioinformatica nel quale vengono utilizzate per la ricerca di pattern funzionali e/o strutturali in proteine e acidi nucleici. Mostrando opportunamente una lunga serie di input (fase di training o apprendimento), la rete è in grado di fornire l'output più probabile. Negli ultimi anni inoltre sono in corso studi per il loro utilizzo nella previsione degli attacchi Epilettici (Analisi dei Dati provenienti dall' EEG). Recenti studi hanno dimostrato buone potenzialità delle reti neurali in sismologia per la localizzazione di epicentri di terremoti e predizione della loro intensità.

Rete neurale artificiale

L’apprendimento automatico (noto anche come machine learning) è una branca dell'intelligenza artificiale che raccoglie un insieme di metodi, sviluppati a partire dagli ultimi decenni del XX secolo in varie comunità scientifiche, sotto diversi nomi quali: statistica computazionale, riconoscimento di pattern, reti neurali artificiali, filtraggio adattivo, teoria dei sistemi dinamici, elaborazione delle immagini, data mining, algoritmi adattivi, ecc; che utilizza metodi statistici per migliorare progressivamente la performance di un algoritmo nell'identificare pattern nei dati. Nell'ambito dell'informatica, l'apprendimento automatico è una variante alla programmazione tradizionale nella quale si predispone in una macchina l'abilità di apprendere qualcosa dai dati in maniera autonoma, senza ricevere istruzioni esplicite a riguardo. Lo stesso Arthur Samuel che coniò il termine nel 1959 in linea di principio identifica due approcci distinti. Il primo metodo, indicato come rete neurale, porta allo sviluppo di macchine ad apprendimento automatico per impiego generale in cui il comportamento è appreso da una rete di commutazione connessa casualmente, a seguito di una routine di apprendimento basata su ricompensa e punizione (apprendimento per rinforzo). Il secondo metodo, più specifico, consiste nel riprodurre l'equivalente di una rete altamente organizzata progettata per imparare solo alcune attività specifiche. La seconda procedura, che necessita di supervisione, richiede la riprogrammazione per ogni nuova applicazione, ma risulta essere molto più efficiente dal punto di vista computazionale. L'apprendimento automatico è strettamente legato al riconoscimento di pattern e alla teoria computazionale dell'apprendimento ed esplora lo studio e la costruzione di algoritmi che possano apprendere da un insieme di dati e fare delle predizioni su questi, costruendo in modo induttivo un modello basato su dei campioni. L'apprendimento automatico viene impiegato in quei campi dell'informatica nei quali progettare e programmare algoritmi espliciti è impraticabile; tra le possibili applicazioni citiamo il filtraggio delle email per evitare spam, l'individuazione di intrusioni in una rete o di intrusi che cercano di violare dati, il riconoscimento ottico dei caratteri, i motori di ricerca e la visione artificiale. L'apprendimento automatico è strettamente collegato, e spesso si sovrappone con la statistica computazionale, che si occupa dell'elaborazione di predizioni tramite l'uso di computer. L'apprendimento automatico è anche fortemente legato all'ottimizzazione matematica, che fornisce metodi, teorie e domini di applicazione a questo campo. Per usi commerciali, l'apprendimento automatico è conosciuto come analisi predittiva. L'apprendimento automatico si sviluppa con lo studio dell'intelligenza artificiale, e vi è strettamente collegato: infatti già dai primi tentativi di definire l'intelligenza artificiale come disciplina accademica, alcuni ricercatori si erano mostrati interessati alla possibilità che le macchine imparassero dai dati. Questi ricercatori, in particolare Marvin Minsky, Arthur Samuel e Frank Rosenblatt, provarono ad avvicinarsi al problema sia attraverso vari metodi formali, sia con quelle che vengono definite reti neurali nei tardi anni '50. Le reti neurali erano allora costituite da singoli percettroni e da modelli matematici derivati dal modello lineare generalizzato della statistica, come l'ADALINE di Widrow. Si provò a sfruttare anche ragionamenti probabilistici, in particolare nelle diagnosi mediche automatiche. Sempre negli anni '50, Alan Turing propose l'idea di una "macchina che apprende", ovvero in grado di imparare e dunque diventare intelligente. La proposta specifica di Turing anticipa gli algoritmi genetici. Tuttavia già dalla metà degli anni '50 lo studio dell'intelligenza artificiale si stava concentrando su approcci logici di tipo "knowledge-based", nota oggi sotto il nome di GOFAI, causando un distacco tra lo studio dell'IA e quello dell'apprendimento automatico. Sistemi di tipo probabilistico erano invasi di problemi sia teoretici sia pratici in termini di acquisizione e rappresentazione dei dati. Negli anni Ottanta, i sistemi esperti dominavano il campo dell'IA, e i sistemi basati sulla statistica non venivano più studiati. Lo studio dell'apprendimento simbolico e "knowledge-based" continuò nell'ambito dell'IA, portando a sviluppare la programmazione logica induttiva, ma ora la ricerca più prettamente statistica si svolgeva al di fuori del campo vero e proprio dell'intelligenza artificiale, nel riconoscimento di pattern e nell'information retrieval. Un altro motivo per cui lo studio dell'apprendimento automatico fu abbandonato fu la pubblicazione del libro "Perceptrons: an introduction to computational geometry" di Marvin Minsky e Seymour Papert, che vi descrivevano alcune delle limitazioni dei percettroni e delle reti neurali. La ricerca sulle reti neurali subì un significativo rallentamento a causa dell'interpretazione del libro, che le descriveva come intrinsecamente limitate. Anche la linea di ricerca sulle reti neurali continuò al di fuori del campo dell'IA, portata avanti da ricercatori provenienti da altre discipline quali Hopfield, Rumelhart, Hinton e Fukushima. Il loro successo principale fu a metà degli anni '80 con la riscoperta della "backpropagation" e della self-organization. L'apprendimento automatico, sviluppatosi come campo di studi separato dall'IA classica, cominciò a rifiorire negli anni '90. Il suo obiettivo cambiò dall'ottenere l'intelligenza artificiale ad affrontare problemi risolvibili di natura pratica. Distolse inoltre la propria attenzione dagli approcci simbolici che aveva ereditato dall'IA, e si diresse verso metodi e modelli presi in prestito dalla statistica e dalla teoria della probabilità. L'apprendimento automatico ha inoltre beneficiato dalla nascita di Internet, che ha reso l'informazione digitale più facilmente reperibile e distribuibile. Tom M. Mitchell ha fornito la definizione più citata di apprendimento automatico nel suo libro ""Machine Learning"": ""Si dice che un programma apprende dall'esperienza E con riferimento a alcune classi di compiti T e con misurazione della performance P, se le sue performance nel compito T, come misurato da P, migliorano con l'esperienza E."" In poche parole, si potrebbe semplificare dicendo che un programma apprende se c'è un miglioramento delle prestazioni dopo un compito svolto. Questa definizione di Mitchell è rilevante poiché fornisce una definizione operativa dell'apprendimento automatico, invece che in termini cognitivi. Fornendo questa definizione, Mitchell di fatto segue la proposta che Alan Turing fece nel suo articolo ""Computing Machinery and Intelligence"", sostituendo la domanda ""Le macchine possono pensare?"" con la domanda ""Le macchine possono fare quello che noi (in quanto entità pensanti) possiamo fare?"". L'obiettivo principe dell'apprendimento automatico è che una macchina sia in grado di generalizzare dalla propria esperienza, ossia che sia in grado di svolgere ragionamenti induttivi. In questo contesto, per generalizzazione si intende l'abilità di una macchina di portare a termine in maniera accurata esempi o compiti nuovi, che non ha mai affrontato, dopo aver fatto esperienza su un insieme di dati di apprendimento. Gli esempi di addestramento (in inglese chiamati "training examples") si assume provengano da una qualche distribuzione di probabilità, generalmente sconosciuta e considerata rappresentativa dello spazio delle occorrenze del fenomeno da apprendere; la macchina ha il compito di costruire un modello probabilistico generale dello spazio delle occorrenze, in maniera tale da essere in grado di produrre previsioni sufficientemente accurate quando sottoposta a nuovi casi. L'analisi computazionale degli algoritmi di apprendimento automatico e delle loro prestazioni è una branca dell'Informatica teorica chiamata teoria dell'apprendimento. Dato che gli esempi di addestramento sono insiemi finiti di dati e non c'è modo di sapere l'evoluzione futura di un modello, la teoria dell'apprendimento non offre alcuna garanzia sulle prestazioni degli algoritmi. D'altro canto, è piuttosto comune che tali prestazioni siano vincolate da limiti probabilistici. Il bias-variance tradeoff è uno dei modi di quantificare l'errore di generalizzazione. Affinché la generalizzazione offra le migliori prestazioni possibili, la complessità dell'ipotesi induttiva deve essere pari alla complessità della funzione sottostante i dati. Se l'ipotesi è meno complessa della funzione, allora il modello manifesta "underfitting". Quando la complessità del modello viene aumentata in risposta, allora l'errore di apprendimento diminuisce. Al contrario invece se l'ipotesi è troppo complessa, allora il modello manifesta overfitting e la generalizzazione sarà più scarsa. Oltre ai limiti di prestazioni, i teorici dell'apprendimento studiano la complessità temporale e la fattibilità dell'apprendimento stesso. Una computazione è considerata fattibile se può essere svolta in tempo polinomiale. I compiti dell'apprendimento automatico vengono tipicamente classificati in tre ampie categorie, a seconda della natura del "segnale" utilizzato per l'apprendimento o del "feedback" disponibile al sistema di apprendimento. Queste categorie, anche dette paradigmi, sono: A metà strada tra l'apprendimento supervisionato e quello non supervisionato c'è l'apprendimento semi-supervisionato, nel quale l'insegnante fornisce un dataset incompleto per l'allenamento, cioè un insieme di dati per l'allenamento tra i quali ci sono dati senza il rispettivo output desiderato. La trasduzione è un caso speciale di questo principio, nel quale l'intero insieme delle istanze del problema è noto durante l'apprendimento, eccetto la parte degli output desiderati che è mancante. Un'altra categorizzazione dei compiti dell'apprendimento automatico si rileva quando si considera l'output desiderato del sistema di apprendimento automatico. L'apprendimento automatico e la statistica sono discipline strettamente collegate. Secondo Michael I. Jordan, le idee dell'apprendimento automatico, dai principi metodologici agli strumenti teorici, sono stati sviluppati prima in statistica. Jordan ha anche suggerito il termine data science come nome con cui chiamare l'intero campo di studi. Leo Breiman ha distinto due paradigmi statistici di modellazione: modello basato sui dati e modello basato sugli algoritmi, dove "modello basato sugli algoritmi" indica approssimativamente algoritmi di apprendimento automatico come la foresta casuale. Alcuni statistici hanno adottato metodi provenienti dall'apprendimento automatico, il che ha portato alla creazione di una disciplina combinata chiamata "apprendimento statistico". L'apprendimento automatico viene a volte unito al data mining, che si focalizza maggiormente sull'analisi esplorativa dei dati ed utilizza principalmente il paradigma di apprendimento chiamato "apprendimento non supervisionato". Invece, l'apprendimento automatico può essere anche supervisionato. L'apprendimento automatico e il "data mining" infatti si sovrappongono in modo significativo, ma mentre l'apprendimento automatico si concentra sulla previsione basata su proprietà note apprese dai dati, il data mining si concentra sulla scoperta di proprietà prima "sconosciute" nei dati. Il data mining sfrutta i metodi dell'apprendimento automatico, ma con obiettivi differenti; d'altro canto, l'apprendimento automatico utilizza i metodi di data mining come metodi di apprendimento non supervisionato o come passi di preprocessing per aumentare l'accuratezza dell'apprendimento. Gran parte della confusione tra le due comunità di ricerca scaturisce dall'assunzione di base del loro operato: nell'apprendimento automatico, le prestazioni sono generalmente valutate in base all'abilità di riprodurre conoscenza già acquisita, mentre in data mining il compito chiave è la scoperta di conoscenza che prima non si aveva. L'apprendimento automatico ha legami molto stretti con l'ottimizzazione: molti problemi di apprendimento sono formulati come la minimizzazione di una qualche funzione di costo su un insieme di esempi di apprendimento. La funzione di costo (o funzione di perdita) rappresenta la discrepanza tra le previsioni del modello che si sta addestrando e le istanze del problema reale. Le differenze tra i due campi (l'apprendimento automatico e l'ottimizzazione) sorgono dall'obiettivo della generalizzazione: mentre gli algoritmi di ottimizzazione possono minimizzare la perdita su un insieme di apprendimento, l'apprendimento automatico si preoccupa di minimizzare la perdita su campioni mai visti dalla macchina. La risoluzione automatica di problemi avviene, nel campo dell'informatica, in due modi differenti: tramite paradigmi di "hard computing" o tramite paradigmi di "soft computing". Per "hard computing" si intende la risoluzione di un problema tramite l'esecuzione di un algoritmo ben definito e decidibile. La maggior parte dei paradigmi di "hard computing" sono metodi ormai consolidati, ma presentano alcuni lati negativi: infatti richiedono sempre un modello analitico preciso e definibile, e spesso un alto tempo di computazione. Le tecniche di "soft computing" d'altro canto antepongono il guadagno nella comprensione del comportamento di un sistema a scapito della precisione, spesso non necessaria. I paradigmi di "soft computing" si basano su due principi: L'apprendimento automatico si avvale delle tecniche di "soft computing". La programmazione logica induttiva (anche ILP, dall'inglese "inductive logic programming") è un approccio all'apprendimento di regole che usa la programmazione logica come rappresentazione uniforme per gli esempi di input, per la conoscenza di base della macchina, e per le ipotesi. Data una codifica della (nota) conoscenza di base e un insieme di esempi rappresentati come fatti in una base di dati logica, un sistema ILP deriva un programma logico ipotetico da cui conseguono tutti gli esempi positivi, e nessuno di quelli negativi. La programmazione induttiva è un campo simile che considera ogni tipo di linguaggio di programmazione per rappresentare le ipotesi invece che soltanto la programmazione logica, come ad esempio programmi funzionali. L'albero di decisione è un metodo di apprendimento per approssimazione di una funzione obiettivo discreta in cui l'elemento che apprende è rappresentato da un albero di decisione. Gli alberi di decisione possono essere rappresentati da un insieme di regole if-else per migliorare la leggibilità umana. L'apprendimento automatico basato su regole di associazione è un metodo di apprendimento che identifica, apprende ed evolve delle "regole" con l'intento di immagazzinare, manipolare e applicare conoscenza. La caratteristica principale di questo tipo di apprendimento è l'identificazione ed utilizzo di un insieme di regole relazionali che rappresenta nel suo insieme la conoscenza catturata dal sistema. Ciò si pone in controtendenza con altri tipi di apprendimento automatico che normalmente identificano un singolo modello che può essere applicato universalmente ad ogni istanza per riuscire a fare su di essa una previsione. Gli approcci dell'apprendimento basato su regole di associazione includono il sistema immunitario artificiale. Una rete neurale artificiale è un sistema adattivo che cambia la sua struttura basata su informazioni esterne o interne che scorrono attraverso la rete durante la fase di apprendimento. In termini pratici le reti neurali sono strutture non-lineari di dati statistici organizzate come strumenti di modellazione. Esse possono essere utilizzate per simulare relazioni complesse tra ingressi e uscite che altre funzioni analitiche non riescono a rappresentare. Inoltre esse sono robuste agli errori presenti nel training data. Gli algoritmi genetici forniscono un approccio all'apprendimento che è liberamente ispirato all'evoluzione simulata. La ricerca di una soluzione del problema inizia con una popolazione di soluzioni iniziale. I membri della popolazione attuale danno luogo a una popolazione di nuova generazione per mezzo di operazioni quali la mutazione casuale e crossover, che sono modellati sui processi di evoluzione biologica. Ad ogni passo, le soluzioni della popolazione attuale sono valutate rispetto a una determinata misura di fitness, con le ipotesi più adatte selezionate probabilisticamente come semi per la produzione della prossima generazione. Gli algoritmi genetici sono stati applicati con successo a una varietà di compiti di apprendimento e di altri problemi di ottimizzazione. Ad esempio, essi sono stati usati per imparare raccolte di norme per il controllo del robot e per ottimizzare la topologia dei parametri di apprendimento per reti neurali artificiali. Il ragionamento bayesiano fornisce un approccio probabilistico di inferenza. Esso si basa sul presupposto che le quantità di interesse sono disciplinate da distribuzioni di probabilità e che le decisioni ottimali possono essere prese a seguito dell'analisi di queste probabilità insieme ai dati osservati. Nell'ambito dell'apprendimento automatico, la teoria Bayesiana è importante perché fornisce un approccio quantitativo per valutare le prove a sostegno dell'ipotesi alternativa. Il Ragionamento bayesiano fornisce la base per l'apprendimento negli algoritmi che manipolano direttamente le probabilità. Macchine a vettori di supporto ("Support Vector Machine", SVM) sono un insieme di metodi di apprendimento supervisionato usati per la classificazione e la regressione di pattern. Dato un insieme di esempi di addestramento, ciascuno contrassegnato come appartenente a due possibili categorie, un algoritmo di addestramento SVM costruisce un modello in grado di prevedere a quale categoria deve appartenere un nuovo esempio di input. La discesa dei prezzi per l'hardware e lo sviluppo di GPU per uso personale negli ultimi anni hanno contribuito allo sviluppo del concetto di apprendimento profondo, che consiste nello sviluppare livelli nascosti multipli nelle reti neurali artificiali. Questo approccio tenta di modellizzare il modo in cui il cervello umano processa luce e suoni e li interpreta in vista e udito. Alcune delle applicazioni più affermate dell'apprendimento profondo sono la visione artificiale e il riconoscimento vocale. La cluster analisi, o clustering, è in grado di rilevare similarità strutturali tra le osservazioni di un dataset attraverso l'assegnazione di un insieme di osservazioni in sottogruppi ("cluster") di elementi tra loro omogenei. Il clustering è un metodo di apprendimento non supervisionato, e una tecnica comune per l'analisi statistica dei dati. Tutti i sistemi di riconoscimento vocale di maggior successo utilizzano metodi di apprendimento automatico. Ad esempio, il SPHINXsystem impara le strategie di altoparlanti specifici per riconoscere i suoni primitivi (fonemi) e le parole del segnale vocale osservato. Metodi di apprendimento basati su reti neurali e su modelli di Markov nascosti sono efficaci per la personalizzazione automatica di vocabolari, caratteristiche del microfono, rumore di fondo, ecc. Metodi di apprendimento automatico sono stati usati per addestrare i veicoli controllati da computer. Ad esempio, il sistema ALVINN ha usato le sue strategie per imparare a guidare senza assistenza a 70 miglia all'ora per 90 miglia su strade pubbliche, tra le altre auto. Con tecniche simili sono possibili applicazioni in molti problemi di controllo basato su sensori. Metodi di apprendimento automatico sono stati applicati ad una varietà di database di grandi dimensioni per imparare regolarità generali implicito nei dati. Ad esempio, algoritmi di apprendimento basati su alberi di decisione sono stati usati dalla NASA per classificare oggetti celesti a partire dal secondo Palomar Observatory Sky Survey. Questo sistema è oggi utilizzato per classificare automaticamente tutti gli oggetti nel Sky Survey, che si compone di tre terabyte di dati immagine. I programmi per computer di maggior successo per il gioco del backgammon sono basati su algoritmi di apprendimento. Ad esempio, il miglior programma di computer al mondo per backgammon, TD-Gammon, ha sviluppato la sua strategia giocando oltre un milione di partite di prova contro se stesso. Tecniche simili hanno applicazioni in molti problemi pratici in cui gli spazi di ricerca molto rilevanti devono essere esaminati in modo efficiente. L'apprendimento automatico solleva un numero di problematiche etiche. I sistemi addestrati con insiemi di dati faziosi o pregiudizievoli possono esibire questi pregiudizi quando vengono interpellati: in questo modo possono essere digitalizzati pregiudizi culturali quali il razzismo istituzionale e il classismo. Di conseguenza la raccolta responsabile dei dati può diventare un aspetto critico dell'apprendimento automatico. In ragione dell'innata ambiguità dei linguaggi naturali, le macchine addestrate su corpi linguistici necessariamente apprenderanno questa ambiguità.

Apprendimento automatico

L'analisi della regressione è una tecnica usata per analizzare una serie di dati che consistono in una variabile dipendente e una o più variabili indipendenti. Lo scopo è stimare un'eventuale relazione funzionale esistente tra la variabile dipendente e le variabili indipendenti. La variabile dipendente nell'"equazione di regressione" è una funzione delle variabili indipendenti più un "termine d'errore". Quest'ultimo è una variabile casuale e rappresenta una variazione non controllabile e imprevedibile nella variabile dipendente. I parametri sono stimati in modo da descrivere al meglio i dati. Il metodo più comunemente utilizzato per ottenere le migliori stime è il metodo dei "minimi quadrati" (OLS), ma sono utilizzati anche altri metodi. Il "data modeling" può essere usato senza alcuna conoscenza dei processi sottostanti che hanno generato i dati; in questo caso il modello è un modello empirico. Inoltre, nella modellizzazione, non è richiesta la conoscenza della distribuzione di probabilità degli errori. L'analisi della regressione richiede ipotesi riguardanti la distribuzione di probabilità degli errori. Test statistici vengono effettuati sulla base di tali ipotesi. Nell'analisi della regressione il termine "modello" comprende sia la funzione usata per modellare i dati che le assunzioni concernenti la distribuzione di probabilità. L'analisi della regressione può essere usata per effettuare previsioni (ad esempio per prevedere dati futuri di una serie temporale), inferenza statistica, per testare ipotesi o per modellare delle relazioni di dipendenza. Questi usi della regressione dipendono fortemente dal fatto che le assunzioni di partenza siano verificate. L'uso dell'analisi della regressione è stato criticato in diversi casi in cui le ipotesi di partenza non possono essere verificate. Un fattore che contribuisce all'uso improprio della regressione è che richiede più competenze per criticare un modello che per adattarlo. La prima forma di regressione fu il metodo dei minimi quadrati, pubblicato da Legendre nel 1805, e da Gauss nel 1809. Il termine “minimi quadrati” deriva da quello usato da Legendre: "moindres carrés". Tuttavia, Gauss affermò di essere a conoscenza di questo metodo fin dal 1795. Legendre e Gauss applicarono entrambi il metodo al problema di determinare, a partire da osservazioni astronomiche, l'orbita dei pianeti attorno al Sole. Eulero aveva lavorato sullo stesso problema intorno al 1748, ma senza successo. Gauss pubblicò un ulteriore sviluppo della teoria dei minimi quadrati nel 1821, includendo una versione del teorema di Gauss-Markov. Il termine "regressione" venne coniato nel diciannovesimo secolo per descrivere un fenomeno biologico, ovvero che la progenie di individui eccezionali tende in genere ad essere meno eccezionale dei propri genitori e più simile ai loro avi più distanti. Francis Galton, un cugino di Charles Darwin, studiò questo fenomeno e applicò il termine vagamente fuorviante di "regressione verso il centro/regressione verso la media". Per Galton, la regressione aveva solo questo significato biologico, ma il suo lavoro venne in seguito esteso da Udny Yule e Karl Pearson in un contesto statistico più generale. Oggi il termine "regressione" è spesso sinonimo di "curva intercetta dei minimi quadrati". Queste condizioni sono sufficienti (ma non tutte necessarie) perché lo stimatore dei minimi quadrati goda di buone proprietà. In particolare queste assunzioni implicano che lo stimatore sia non distorto, consistente ed efficiente nella classe degli stimatori lineari non distorti. Molte di queste assunzioni possono essere rilassate in analisi più avanzate. Nella regressione lineare, il modello assume che la variabile dipendente, formula_1 sia una combinazione lineare dei "parametri" (ma non è necessario che sia lineare nella "variabile indipendente"). Ad esempio, nella regressione lineare semplice con formula_2 osservazioni ci sono una variabile indipendente: formula_3, e due parametri, formula_4 e formula_5: Nella regressione lineare multipla, ci sono più variabili indipendenti o funzioni di variabili indipendenti. Ad esempio, aggiungendo un termine in formula_7 alla regressione precedente si ottiene: Si tratta ancora di una regressione lineare: sebbene l'espressione sulla destra sia quadratica nella variabile indipendente formula_3, è comunque lineare nei parametri formula_4, formula_5 e formula_12 In entrambi i casi, formula_13 è un termine di errore e l'indice formula_14 identifica una particolare osservazione. Dato un campione casuale della popolazione, stimiamo i parametri della popolazione e otteniamo il modello di regressione lineare semplice: Il termine formula_16 è il residuo, formula_17. Un metodo di stima è quello dei minimi quadrati ordinari. Questo metodo ottiene le stime dei parametri che minimizzano la somma dei quadrati dei residui, SSE: La minimizzazione di questa funzione risulta essere un sistema di equazioni normali, un insieme di equazioni lineari simultanee nei parametri, che vengono risolte per trovare le stime dei parametri, formula_19. Vedi coefficienti di regressione per informazioni sulle proprietà statistiche di tali stimatori. Nel caso della regressione semplice, le formule per le stime dei minimi quadrati sono dove formula_22 è la media (media) dei valori formula_23 e formula_24 è la media dei valori formula_25. Sotto l'ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia una varianza costante, la stima di quella varianza è data da: formula_26 Questo è la radice dell'errore quadratico medio (RMSE) della regressione. Gli errori standard delle stime dei parametri sono dati da Sotto l'ulteriore ipotesi che il termine di errore della popolazione abbia distribuzione normale, il ricercatore può usare questi errori standard stimati per creare intervalli di confidenza e condurre test d'ipotesi sui parametri della popolazione. Nel più generale modello di regressione multipla, ci sono formula_29 variabili indipendenti: Le stime dei parametri dei minimi quadrati sono ottenute da formula_29 equazioni normali. Il residuo può essere scritto come Le equazioni normali sono In notazione matriciale, le equazioni normali sono scritte come Una volta costruito un modello di regressione, è importante confermare la bontà di adattamento del modello e la significatività statistica dei parametri stimati. I controlli della bontà di adattamento comunemente usati includono l'indice R-quadro, analisi dei residui e test di ipotesi. La significatività statistica è verificata con un test F dell'adattamento globale, seguito da t-test per ogni singolo parametro. L'interpretazione di questi test dipende fortemente dalle assunzioni sul modello. Nonostante l'analisi dei residui sia usata per determinare la bontà di un modello, i risultati dei test-T e dei test-F sono difficili da interpretare nel caso in cui le assunzioni di partenza non siano soddisfatte. Ad esempio, se la distribuzione degli errori non è normale, può accadere che in campioni di numerosità ridotta le stime dei parametri non seguano una distribuzione normale, cosa che complica l'inferenza. Per grandi campioni, il teorema del limite centrale permette di effettuare i test usando un'approssimazione asintotica delle distribuzioni. La variabile risposta può essere non continua. Per le variabili binarie (zero/uno), si può procedere con un particolare tipo di modello lineare linear probability model. Se si usa un modello non-lineare i modelli più utilizzati sono il probit e il modello logit. Il modello probit multivariato rende possibile stimare congiuntamente la relazione tra più variabili binarie dipendenti e alcune variabili indipendenti. Per variabili categoriche con più di due valori si utilizza il modello logit multinomiale. Per variabili ordinali con più di due valori, si utilizzano i modelli logit cumulativo e probit cumulativo. Un'alternativa a tali procedure è la regressione lineare basata su polychoric o polyserial correlazioni tra le variabili categoriche. Tali procedure differiscono nelle ipotesi fatte sulla distribuzione delle variabili nella popolazione. Se la variabile rappresenta una ripetizione di un evento nel tempo, è positiva e con poche realizzazioni ("eventi rari"), si possono utilizzare modelli di Poisson o binomiale negativa. I modelli di regressione predicono una variabile formula_25 partendo dai valori di altre variabili formula_23. Se i valori della previsione sono compresi nell'intervallo dei valori delle variabili formula_23 utilizzate per la costruzione del modello si parla di interpolazione. Se i valori escono dal range delle variabili esplicative si parla di estrapolazione. In questo caso la previsione diventa più rischiosa. Quando la funzione del modello non è lineare nei parametri la somma dei quadrati deve essere minimizzata da una procedura iterativa. Sebbene i parametri di un modello di regressione siano di solito stimati usando il metodo dei minimi quadrati, altri metodi includono: Tutti i principali pacchetti statistici eseguono i tipi comuni di analisi di regressione correttamente e in modo semplice. La regressione lineare semplice può essere fatta in alcuni fogli elettronici. C'è una quantità di programmi che esegue forme specializzate di regressione, e gli esperti possono scegliere di scrivere il loro proprio codice per usare o software per analisi numerica.

Analisi della regressione

Nell'ambito della scienza dei dati l'analisi dei dati è un processo di ispezione, pulizia, trasformazione e modellazione di dati con il fine di evidenziare informazioni che suggeriscano conclusioni e supportino le decisioni strategiche aziendali. L'analisi di dati ha molti approcci e sfaccettature, il che comprende tecniche diversissime tra loro che si riconoscono con una serie di definizioni varie nel commercio, le scienze naturali e sociali. Il data mining è una tecnica particolare di analisi dei dati che si focalizza nella modellazione e scoperta di conoscenza per scopi predittivi piuttosto che descrittivi. Il business intelligence identifica l'analisi di dati che si basa fondamentalmente sull'aggregazione, focalizzandosi sulle informazioni aziendali. Nell'ambito dei big data si parla di big data analytics. Nelle applicazioni statistiche, gli studiosi dividono l'analisi dei dati in statistica descrittiva, analisi dei dati esplorativa (ADE) e analisi dei dati di conferma (ADC). L'ADE si concentra sullo scoprire nuove caratteristiche presenti nei dati, mentre l'ADC nel confermare o falsificare le ipotesi esistenti. L'analisi predittiva si concentra sull'applicazione di modelli statistici o strutturali per classificazione o il forecasting predittivo, mentre l'analisi testuale applica tecniche statistiche, linguistiche e strutturali per estrarre e classificare informazioni da fonti testuali, una categoria di dati non-strutturati. L'integrazione di dati è un precursore dell'analisi dei dati, la quale è collegata alla visualizzazione di dati.

Analisi dei dati

In statistica e apprendimento automatico, il clustering gerarchico è un approccio di clustering che mira a costruire una gerarchia di cluster. Le strategie per il clustering gerarchico sono tipicamente di due tipi: Il risultato di un clustering gerarchico è rappresentato in un dendrogramma. Per decidere quali cluster devono essere combinati (approccio agglomerativo) o quale cluster deve essere suddiviso (approccio divisivo) è necessario definire una misura di dissimilarità tra cluster. Nella maggior parte dei metodi di clustering gerarchico si fa uso di metriche specifiche che quantificano la distanza tra coppie di elementi e di un criterio di collegamento che specifica la dissimilarità di due insiemi di elementi (cluster) come funzione della distanza a coppie tra elementi nei due insiemi. La scelta di una metrica appropriata influenza la forma dei cluster, poiché alcuni elementi possono essere più "vicini" utilizzando una distanza e più "lontani" utilizzandone un'altra. Per esempio, in uno spazio a 2 dimensioni, la distanza tra il punto (1, 1) e l'origine (0, 0) è 2, formula_1 or 1 se si utilizzando rispettivamente le norme 1, 2 o infinito. Metriche comuni sono le seguenti: Il criterio di collegamento ("linkage criterion") specifica la distanza tra insiemi di elementi come funzione di distanze tra gli elementi negli insiemi. Dati due insiemi di elementi "A" e "B" alcuni criteri comunemente utilizzati sono: dove "d" è la metrica prescelta per determinare la similarità tra coppie di elementi.

Clustering gerarchico