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Grado en Matemáticas

Inferencia exacta por enumeración

Una tabla puede decir cuánto se moja el suelo si llueve. Observar el suelo mojado y preguntar si llovió es otra dirección. La enumeración responde construyendo estados completos, sumando los que corresponden y normalizando. Separaremos esas tres operaciones antes de hacer el ejemplo completo.

1. La pregunta puede ir en otra dirección que una CPT

Una CPT da la distribución de un nodo conocidos sus padres. Una consulta puede observar hijos, nodos lejanos o varias variables. No invertimos la barra ni copiamos una fila para responder una pregunta distinta.

La conjunta contiene todos los casos discretos. Para evidencia con probabilidad positiva podemos sumar los casos compatibles y aplicar la definición de condicionada. La enumeración realiza esas sumas explícitamente, mostrando qué producto aporta cada configuración.

Leer la dirección de dos preguntas

Comparar P(S=Sí|A=Sí) y P(A=Sí|S=Sí).

  1. Primera

    Dentro de los casos A Sí preguntamos cuántos tienen S Sí.

  2. Segunda

    Dentro de los casos S Sí preguntamos cuántos tienen A Sí.

  3. Distinguir

    Los grupos de referencia tienen denominadores diferentes.

Resultado

Una condicional no se invierte por cambiar el orden de las letras.

Lo comprobamos

P(A=Sí, S=Sí) es el numerador común, pero no el denominador.

Usar datos asimétricos

P(A=Sí)=0,1 y P(S=Sí|A)=0,9 si Sí y 0,2 si No.

  1. Consulta conjunta

    P(A=Sí, S=Sí)=0,1·0,9=0,09.
  2. Evidencia

    P(S=Sí)=0,09+0,9·0,2=0,27.
  3. Condicionar

    P(A=Sí|S=Sí)=0,09/0,27=1/3, no 0,9.
Resultado

La frecuencia inicial de A importa.

Lo comprobamos

La otra respuesta tiene masa 0,18/0,27=2/3.

2. Clasificamos variables antes de recorrer sus estados

Q es la variable o vector consultado; q, un estado suyo. E reúne variables observadas y e sus valores. H contiene las restantes: ni observadas ni consultadas. Estas categorías dependen de la pregunta.

Normalmente Q y E son disjuntos. Si una parte de la consulta ya está observada, queda fijada. En la suma fijamos q y e y recorremos todos los h posibles; elegir solo el h más probable respondería otro problema.

Tres papeles en una cadena

En H→Q→E, preguntar P(Q=1|E=1).

  1. Consulta

    Q sigue siendo incierta.

  2. Evidencia

    E está fijada en uno.

  3. Oculta

    H no se observa ni se pregunta; habrá que sumar H=0 y H=1 si es binaria.

Resultado

Los tres grupos están determinados por la pregunta.

Lo comprobamos

El grafo no convierte siempre una raíz en consulta.

Una consulta ya observada

Se observa S=Sí y se pregunta P(S=No|S=Sí).

  1. Posibilidad

    Suponemos P(S=Sí)>0.
  2. Incompatibilidad

    No puede ser Sí y No en el mismo caso.

  3. Resultado

    La probabilidad es cero; la de S=Sí sería uno.
Resultado

No hace falta simular ni sumar nodos ocultos para esa parte fija.

Lo comprobamos

Si la evidencia fuera imposible, el cociente usual no estaría definido.

3. Dentro de una configuración multiplicamos una entrada por nodo

Un estado completo fija todas las variables. Multiplicamos un factor por nodo, usando la fila de sus padres en ese mismo estado. Las raíces aportan su marginal; las demás variables, su condicional.

Al cambiar un estado oculto pueden cambiar varias filas. Escribimos primero el producto simbólico, después los estados y por último los números. Sumar los factores de un mismo caso no produce la conjunta.

Un producto con una variable oculta

En H→Q→E, usar P(H=0)=0,5, P(Q=1|H=0)=0,25 y P(E=1|Q=1)=0,8.

  1. Estado completo

    H=0, Q=1, E=1 fija los tres nodos.
  2. Factores

    0,5 de H, 0,25 de Q y 0,8 de E.

  3. Producto

    0,5·0,25·0,8=0,10.
Resultado

La configuración aporta 0,10.

Lo comprobamos

No es todavía la marginal conjunta Q=1, E=1, porque falta H=1.

Cambiar H puede cambiar la fila

Mantener Q=1, E=1 y tomar H=1 con P(H=1)=0,5 y P(Q=1|H=1)=0,75.

  1. Raíz

    Ahora usamos P(H=1)=0,5.
  2. Hijo

    La fila de Q pasa de 0,25 a 0,75.

  3. Producto

    0,5·0,75·0,8=0,30.
Resultado

El segundo estado completo aporta otra cantidad.

Lo comprobamos

La fila de E no cambia porque su padre Q sigue en uno.

4. Marginalizar es sumar casos que no pueden ocurrir a la vez

La puntuación \tau(q)=\sum_h P(Q=q, E=e, H=h) es la conjunta P(Q=q, E=e).

Cada h describe un caso incompatible con los otros; por eso sus productos se suman.

Los dos estados ocultos aportan productos distintos al mismo numerador conjunto
Fijar consulta; sumar lo que no sabemosQ=1 y E=1H=0H=10,5×0,25×0,80,5×0,75×0,80,100,30τ(1)=0,10+0,30=0,40H no se elige: se suman sus estados.
El ejemplo auxiliar tiene H a Q y Q a E, todos binarios. H vale uno con probabilidad un medio. Q vale uno con probabilidad un cuarto si H es cero y tres cuartos si H es uno. E vale uno con probabilidad cero coma ocho si Q es uno y cero coma dos si Q es cero. Al fijar Q uno y E uno, los estados ocultos H cero y H uno aportan cero coma diez y cero coma treinta. Son casos incompatibles, así que se suman para obtener cero coma cuarenta. Esa es una probabilidad conjunta sin normalizar; aún falta calcular el caso Q cero y dividir por el total de evidencia.

Si H está vacío existe una sola configuración vacía y queda un único producto. Los estados imposibles aportan cero. No se omite una posibilidad positiva solo porque parezca poco probable.

Reunir los dos estados ocultos

Sumar los casos anteriores con Q=1, E=1.

  1. H cero

    Aporta 0,10.

  2. H uno

    Aporta 0,30.

  3. Marginalizar

    τ(1)=0,10+0,30=0,40.
Resultado

No importa cuál de esos dos H ocurrió: ya lo hemos sumado.

Lo comprobamos

Elegir solo el máximo daría 0,30 y perdería una contribución válida.

Sin ocultas también hay un término

En A→S, fijar A=Sí y S=Sí.

  1. Grupos

    La consulta es A, la evidencia S y H está vacío.

  2. Producto

    Con P(A=Sí)=0,4 y P(S=Sí|A=Sí)=0,75, sale 0,30.
  3. Suma

    La suma sobre la configuración vacía deja ese mismo 0,30.

Resultado

Una suma sobre ninguna variable no vale automáticamente cero.

Lo comprobamos

Una suma sobre un conjunto de casos realmente vacío sí valdría cero; no es la misma situación.

5. Un mismo total normaliza todos los estados de la consulta

Calculamos τ(q) para cada estado q. Su suma es P(e), porque reúne todas las formas de cumplir la evidencia. Si es positiva, P(Q=q\mid e)=\tau(q)/\sum_r\tau(r). r recorre todos los estados posibles, no solo el consultado.

Podemos llamar α al recíproco del total y escribir ατ(q). No es una constante elegida a ojo: conserva las proporciones y hace que la distribución sume uno.

Normalizar dos puntuaciones

Usar τ(1)=0,40 y τ(0)=0,10.

  1. Total

    0,40+0,10=0,50.
  2. Estado uno

    0,40/0,50=0,80.
  3. Estado cero

    0,10/0,50=0,20; suman uno.
Resultado

α=2 y se usa igual para ambos estados.

Lo comprobamos

0,40 solo era una conjunta, no la posterior.

Tres respuestas posibles

Puntuaciones 0,06,0,09 y 0,15.

  1. Total

    Suman 0,30.

  2. Dividir

    Las respuestas son 0,2; 0,3; 0,5.

  3. Comprobar

    Conservan proporción 2: 3: 5 y suman uno.

Resultado

La misma regla funciona con más de dos estados.

Lo comprobamos

No se divide cada puntuación por un total diferente.

6. El procedimiento tiene tres revisiones separadas

Fijamos la evidencia, recorremos estados de Q y, para cada uno, todos los H. Cada caso aporta su producto completo. Acumulamos τ, sumamos el total y normalizamos si permite dividir.

Revisamos: una entrada por nodo, todas las configuraciones ocultas una vez y total posterior uno. Si calculamos la conjunta completa, debe sumar uno antes de condicionar. La CPT se revisa por filas, no sumando condiciones distintas.

Contar cuántos términos esperamos

Q tiene dos estados y dos ocultas tienen dos y tres.

  1. Por consulta

    Cada q tiene 2·3=6 configuraciones ocultas.
  2. Todas

    Para los dos q esperamos doce productos.

  3. Control

    Si solo aparecen cinco en una puntuación, falta un caso o se ha justificado explícitamente un cero.

Resultado

El recuento prepara una comprobación antes de operar.

Lo comprobamos

La evidencia está fijada: no se multiplica otra vez por su número de estados.

Una revisión que localiza un error

Una posterior calculada da 0,8 y 0,4.

  1. Sumar

    Da 1,2, así no es una distribución válida.

  2. Buscar

    Puede haberse usado un denominador distinto o duplicado un caso.

  3. Volver

    Revisamos puntuaciones y total, sin redondear a mano para forzar uno.

Resultado

Los controles sirven para detectar qué operación revisar.

Lo comprobamos

Normalizar cualquier tabla errónea no demuestra que la cuenta original fuese correcta.

7. Un total cero y una respuesta cero significan cosas distintas

Si todas las puntuaciones son cero, P(e)=0 y el cociente habitual no define la posterior. No respondemos cero para todos los estados: eso tampoco sumaría uno.

Si solo una puntuación vale cero y el total es positivo, ese estado sí recibe posterior cero. En enumeración exacta un total cero expresa una imposibilidad del modelo; en un bloque finito de muestras, ningún caso aceptado puede deberse solo al azar.

La evidencia es imposible

Un nodo E siempre vale No y se observa E=Sí.

  1. Puntuaciones

    Cada configuración compatible tiene probabilidad cero.

  2. Total

    P(E=Sí)=0.
  3. Decisión

    No se puede normalizar por esa probabilidad.

Resultado

El modelo debe revisarse o la consulta declararse no definida en ese sentido.

Lo comprobamos

No se inventa un reparto 1/2,1/2 para resolver 0/0.

Solo un estado es imposible

P(Q=1, e)=0 y P(Q=0, e)=0,3.

  1. Evidencia

    El total es 0,3, positivo.

  2. Primer estado

    La posterior de Q=1 es 0/0,3=0.
  3. Otro

    La de Q=0 es uno.
Resultado

Una distribución concentrada en un estado es válida.

Lo comprobamos

Cero en el numerador no impide dividir si el denominador es positivo.

8. Exacta describe la suma; no garantiza un modelo perfecto del mundo

Enumerar es exacto porque no sustituimos la suma por muestras ni descartamos términos por aproximación. Las probabilidades calculadas son las del modelo dado. Si sus tablas se estimaron con incertidumbre, esa incertidumbre no desaparece.

Con n variables binarias hay 2 ⁿ estados completos. La eliminación de variables reutiliza factores y sumas y puede ahorrar mucho trabajo según el grafo. Además, usar decimales de máquina introduce redondeo o subdesbordamiento: exactitud matemática y precisión numérica son cuestiones distintas.

Ver el crecimiento

Comparar redes de diez y veinte bits.

  1. Diez

    2¹⁰=1024 configuraciones.
  2. Veinte

    2²⁰=1048576.
  3. Comparar

    Duplicar nodos multiplica aquí los estados por 1024, no por dos.

Resultado

La enumeración completa puede crecer deprisa.

Lo comprobamos

La estructura del grafo puede permitir ahorrar trabajo sin cambiar la respuesta.

Reutilizar una suma

En A→B→C, calcular P(A=a).

  1. Producto

    ΣᵦΣ𝒸P(a)P(b|a)P(c|b).

  2. Dentro

    Σ𝒸P(c|b)=1 para cada b.
  3. Después

    P(a)ΣᵦP(b|a)=P(a).
Resultado

No hacía falta calcular cada estado completo por separado.

Lo comprobamos

La eliminación es una reorganización exacta de sumas finitas.

9. Dejamos fijo un modelo para poder comparar algoritmos

A partir de aquí usamos L→M: L indica lluvia y M suelo mojado. Ambas son binarias. P(L=Sí)=P(L=No)=0,50; las probabilidades de M=Sí son 0,80 con lluvia y 0,20 sin ella.

Estos datos son didácticos inventados, no una estimación meteorológica. Las lecciones de rechazo y LW usarán exactamente el mismo modelo para que un cambio de resultado no se confunda con cambiar los datos.

Modelo didáctico L→M
LP(L)P(M=Sí | L)P(M=No | L)
Sí0,500,800,20
No0,500,200,80

Completar una fila

Tomar L=Sí.

  1. Dato

    P(M=Sí|L=Sí)=0,80.
  2. Complemento

    P(M=No|L=Sí)=0,20.
  3. Control

    La fila suma uno.

Resultado

La fila describe los dos estados de M bajo una sola condición.

Lo comprobamos

No contiene la probabilidad de que llueva.

Cambiar la fila, no el significado

Tomar L=No.

  1. Dato

    P(M=Sí|L=No)=0,20.
  2. Complemento

    P(M=No|L=No)=0,80.
  3. Control

    También suma uno, aunque los números se intercambien.

Resultado

La segunda condición tiene su propia distribución.

Lo comprobamos

Mojado sin lluvia es posible en este modelo.

10. Observamos mojado y preguntamos lluvia

La consulta es P(L=Sí|M=Sí).
L queda como variable consultada; M=Sí es la evidencia.

No se nos ha dicho que llueva. Aquí no hay variables ocultas adicionales.

La entrada 0,80 es P(M=Sí|L=Sí), la dirección contraria.

La respuesta de esta consulta también saldrá 0,80, pero solo después de reunir la raíz y las dos filas; no es una regla de inversión.

Preparar el numerador

Escribir qué estado pide L=Sí y M=Sí.

  1. Ambos

    La intersección fija lluvia y mojado simultáneamente.

  2. Producto

    P(L=Sí)P(M=Sí|L=Sí).
  3. Todavía

    Eso dará una conjunta, que después habrá que dividir.

Resultado

El numerador no usa la fila L=No.

Lo comprobamos

La fila L=No sí será necesaria para el denominador.

Preparar el denominador

Escribir todas las formas de tener M=Sí.

  1. Primera

    Llueve y está mojado.

  2. Segunda

    No llueve y está mojado.

  3. Reunir

    Sumamos ambas conjuntas porque L tiene exactamente esos dos estados.

Resultado

No se excluye el segundo caso por no cumplir la consulta.

Lo comprobamos

El denominador representa evidencia, no consulta y evidencia a la vez.

11. La conjunta completa tiene cuatro celdas

Dos variables binarias producen cuatro configuraciones. En cada una multiplicamos la marginal de L por la entrada de M que corresponda a ese L. Cambiar M selecciona la columna; cambiar L cambia también la fila de la CPT.

Condicionar conserva la columna observada y cambia el total de referencia
Cada celda es un estado completoM=SíM=No0,400,100,100,40L=SíL=NoM=Sí: 0,40+0,10=0,50L=Sí dentro de ese grupo:0,40 / 0,50 = 0,80
La matriz representa la conjunta del modelo L a M, con lluvia inicial de probabilidad un medio y mojado de probabilidad cero coma ocho con lluvia y cero coma dos sin lluvia. Las filas son L Sí y L No; las columnas, M Sí y M No. Las cuatro celdas valen cero coma cuarenta, cero coma diez, cero coma diez y cero coma cuarenta. Observar M Sí conserva la primera columna verde, cuyo total es cero coma cincuenta. De esa columna, la celda L Sí aporta cero coma cuarenta. El cociente es cero coma ochenta. No se invierte una CPT: se usa la conjunta y un denominador común.
En particular, no lluvia y mojado aporta 0,50·0,20=0,10.

Escribir todos los casos antes de filtrar permite revisar la normalización y las marginales.

Las cuatro configuraciones, sin omitir ninguna
LMProductoP(L, M)
SíSí0,50×0,800,40
SíNo0,50×0,200,10
NoSí0,50×0,200,10
NoNo0,50×0,800,40

La celda lluvia y no mojado

Calcular L=Sí, M=No.

  1. Raíz

    0,50.

  2. Condicional

    Con lluvia, No mojado tiene probabilidad 0,20.

  3. Producto

    0,50·0,20=0,10.
Resultado

Esa celda queda fuera de la evidencia M=Sí.

Lo comprobamos

Sigue formando parte de la conjunta completa.

La celda sin lluvia y no mojado

Calcular L=No, M=No.

  1. Raíz

    P(L=No)=0,50.
  2. Condicional

    La fila No da 0,80 para M=No.
  3. Producto

    0,50·0,80=0,40.
Resultado

La celda vale 0,40.

Lo comprobamos

Un valor repetido en dos celdas no significa que sean el mismo suceso.

12. Comprobamos la conjunta antes de usarla

Las cuatro celdas suman 0,40+0,10+0,10+0,40=1.

Si no lo hicieran revisaríamos complementos, filas y productos antes de condicionar.

Sumar una fila recupera P(L). Sumar una columna recupera P(M). Son marginales: dejamos libre la variable sumada; todavía no cambiamos el grupo de referencia dividiendo.

Recuperar la raíz

Sumar los dos estados de M con L=Sí.

  1. Celdas

    0,40 y 0,10.

  2. Suma

    0,50.

  3. Comprobar

    Coincide con la raíz declarada P(L=Sí).
Resultado

La suma no condiciona por M: lo elimina de la pregunta.

Lo comprobamos

No dividimos esas celdas entre 0,50 en este paso.

Otra marginal

Sumar la columna M=No.

  1. Casos

    L=Sí, M=No aporta 0,10.
  2. Otro

    L=No, M=No aporta 0,40.
  3. Total

    P(M=No)=0,50.
Resultado

Ambas marginales de M suman uno.

Lo comprobamos

Una columna de la conjunta sí se puede sumar: sus estados de L son incompatibles.

13. Conservamos toda la evidencia, también cuando la consulta falla

M=Sí conserva dos celdas: L=Sí aporta 0,40 y L=No aporta 0,10.

Su suma 0,50 es la probabilidad de la evidencia.

El numerador de lluvia toma solo 0,40. El denominador incluye ambas formas de mojado. Esta diferencia se mantendrá en muestreo: cambiará cómo obtenemos las aportaciones, no qué grupo cuenta abajo.

La consulta no filtra el denominador

¿Debe entrar el caso L=No, M=Sí?

  1. Evidencia

    Cumple M=Sí.
  2. Consulta

    No cumple L=Sí.
  3. Aporte

    Entra en el denominador con 0,10, pero no en el numerador de lluvia.

Resultado

El denominador no se reduce a los casos favorables.

Lo comprobamos

Si conserváramos solo lluvia, el cociente quedaría artificialmente en uno.

Preguntar no lluvia

Mantener la misma evidencia M=Sí.

  1. Total

    El denominador sigue siendo 0,50.

  2. Numerador

    Ahora la celda consultada es 0,10.

  3. Preparar

    El cociente será 0,10/0,50.

Resultado

Cambiar la respuesta consultada no cambia el grupo observado.

Lo comprobamos

Las dos consultas particionan la misma columna.

14. Dividimos una vez y comprobamos las dos respuestas

La posterior de lluvia es 0,40/0,50=0,80 y la de no lluvia es 0,10/0,50=0,20.

Ambas suman uno. El 0,40 inicial era una conjunta y solo después del cociente se interpreta «dentro del grupo mojado».

La coincidencia con la entrada 0,80 de la CPT depende de la raíz 0,50. Si cambia esa frecuencia inicial hay que rehacer los dos productos. El segundo ejercicio lo comprobará.

Cambiar la raíz

Usar P(L=Sí)=0,25 y las mismas CPT.

  1. Lluvia mojada

    0,25·0,80=0,20.
  2. Sin lluvia mojado

    0,75·0,20=0,15.
  3. Normalizar

    0,20/(0,20+0,15)=4/7.
Resultado

La posterior ya no es 0,80.

Lo comprobamos

Los dos numeradores deben recalcularse; no solo el favorable.

Mantener la consulta complementaria

En ese nuevo modelo calcular no lluvia dado mojado.

  1. Numerador

    0,15.

  2. Total

    0,35, el mismo que antes.

  3. Dividir

    0,15/0,35=3/7; junto con 4/7 suma uno.
Resultado

La normalización común conserva la comparación.

Lo comprobamos

0,15 es conjunta; 3/7 es condicionada.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una posterior obtenida de cuatro filas

En L → M, P(L=Sí)=0,50, P(M=Sí | L=Sí)=0,80 y P(M=Sí | L=No)=0,20. Calcula P(L=Sí | M=Sí).

  1. Traducir

    Consulta L=Sí; evidencia M=Sí.
  2. Primer producto

    P(L=Sí, M=Sí)=0,50·0,80=0,40.
  3. Alternativa

    P(L=No, M=Sí)=0,50·0,20=0,10.
  4. Denominador

    P(M=Sí)=0,40+0,10=0,50.
  5. Dividir

    0,40/0,50=0,80.
  6. Comprobar

    No lluvia da 0,10/0,50=0,20 y las respuestas suman uno.
Resultado

P(L=Sí | M=Sí) = 0,80.

Lo comprobamos

P(M=Sí | L=Sí) también era 0,80, pero la cuenta usó además el 0,50 inicial y la fila de L=No. No fue una inversión automática.

EJEMPLO RESUELTO 2

Cambiar la frecuencia inicial cambia la posterior

Ahora P(L=Sí)=0,20. Se mantienen P(M=Sí | L=Sí)=0,80 y P(M=Sí | L=No)=0,20. Calcula de nuevo P(L=Sí | M=Sí).

  1. Nueva raíz

    P(L=Sí)=0,20 y su complemento es 0,80.
  2. Lluvia mojada

    0,20·0,80=0,16.
  3. Sin lluvia mojado

    0,80·0,20=0,16.
  4. Evidencia

    P(M=Sí)=0,16+0,16=0,32.
  5. Normalizar

    La posterior de lluvia es 0,16/0,32=0,50.
  6. Control

    La de no lluvia también es 0,50: mismas CPT, distinta frecuencia inicial y distinta posterior.

Resultado

Con la nueva raíz, la posterior es 0,50.

Lo comprobamos

La otra respuesta también tiene probabilidad 0,16/0,32 = 0,50. Ambas suman uno.

Los símbolos que hemos usado

Q / q
Variable o vector consultado / un estado concreto de esa consulta.
E / e
Variables observadas / sus estados conocidos.
H / h
Variables que no observamos ni preguntamos / una de sus configuraciones.
P(Q=q,E=e)
Probabilidad conjunta de consulta y evidencia, todavía sin normalizar.
Σₕ
Sumar sobre todas las configuraciones posibles de las variables ocultas H.
τ(q)
Puntuación no normalizada de un estado q, obtenida reuniendo las configuraciones compatibles.
α
Constante de normalización; es el recíproco del total de puntuaciones cuando ese total es positivo.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

Practicar este tema →

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