Sistemas de Recuperação da Informação Parte III Consultas Consultas Principais modelos de recuperação da informação: • Pesquisa em textos • Modelos clássicos •Consultas Booleanas • Modelo vetorial • Modelo probabilístico • Modelos avançados • Booleano estendido e modelo fuzzy • Vetorial estendido e análise semântica latente • Outros modelos probabilísticos – redes Bayesianas Consultas Pesquisa em textos : Problema: encontre as ocorrências de um termo em uma fonte Termo e Fonte são cadeias de caracteres Aplicações: • Pesquisa por stop-words • Detecção de radicais, afixos, sufixos • Pesquisa por frases • Pesquisa por termos compostos Principais algoritmos: • Ingênuo • Knuth-Morris-Pratt • Boyer-Moore • Shift-or • Karp-Rabin • frases Consultas Algoritmo ingênuo: Dado um termo t de comprimento m e uma fonte d de comprimento n Algoritmo: Dado t com tam(t)=m e d com com tam(d) = n para i=1 até n-m { k=i; para (j=1; j<=m & t[j] ==d[k]; j++) k++; se (j>m) então imprima(“t ocorre na posição i de d”); } Complexidade: O(n.m) EXEMPLO: d = “a aba do abajour abriu abaixo” t = “abaixo” Consultas Algoritmo de Knuth-Morris-Pratt: Dependendo da estrutura do termo t a cada diferença entre t e o substring da fonte d pode-se dar um passo maior para a próxima comparação Definição do passo: passo(j)=max{ i / t[k] = t[j-i+k], k=1,..,i-1 e t[i] t[j]} a b a i x o 1 2 1 2 3 4 EXEMPLO: d Complexidade: 2n = “a aba do abajour abriu abaixo” t = “abaixo abaixo abaixo abaixo abaixo Consultas Algoritmos de Boyer-Moore: Compara da direita para a esquerda Pesquisa um termo ou vários termos Alg1: Compare da direita para a esquerda Em um descasamento em d(i) procure d(i) em t e fixe o deslocamento, k EXEMPLO: d k=6 k=1 k=6 Complexidade: n + r m = “a la embaixo abajour” t = “abaixo abaixo abaixo abaixo Consultas Algoritmos Shift-Or: Se baseia em automatas e usa operações entre bitstrings VANTAGENS: • simplicidade: operações binárias • tempo real: tempo fixo para processar cada letra • sem buffering: não precisa armazenar o texto integral Alg: - crie uma assinatura para cada caractere do alfabeto - crie um estado inicial D0 = 11111 - para cada caractere lido, aplique a fórmula Di = shift-left(Di-1) | T[corrente] - pare quando o primeiro bit do estado for ‘0’ Complexidade: O(nm/w) w=tamanho do byte Consultas Algoritmos Shift-Or: t = “a b a b c” T(a) 1 0 1 0 0 T(b) 0 1 0 1 0 T(c) 0 0 0 0 1 T(d) 0 0 0 0 0 EXEMPLO: d = “abdabababc” t = “ababc” = = = = 11010 10101 01111 11111 Operação sobre os estados: D0 = 11111 Di = shift-left(Di-1) | T[corrente] texto = “a b d (‘|’ é o ou lógico) a b a b a b c” D0 = 11111 T(x) Di = = Variante Di = 11010 10101 11111 11010 10101 11010 10101 11010 10101 01111 11110 11101 11111 11110 11101 11010 10101 11010 10101 01111 c 11110 11101 11111 11110 11101 11010 10101 01010 Consultas Frases: • Procure o símbolo menos frequente na consulta • localize-o no texto • analise a vizinhança (exata ou aproximada) EXEMPLO: d = “ser ou não ser, eis a questão” frequência das letras: freq(‘s’) = 4 -> “er ou não er, ei a quetão” freq(‘e’) = 4 -> “r ou não r, i a qutão” freq(‘r’) = 2 -> “ ou não i a qutão” freq(‘o’) = 3 -> “u nã i a qutã” Freq(‘u’) = 2 -> “nã i a qtã” freq(‘n’) = 1 -> “ã i a qtã” Freq(‘a) = 3 -> “iqt” OBS.: pode-se freq(‘i’) = freq(q) = freq(t) = 1 -> “” trocar a letra por um n-grama Consultas Consultas Booleanas •Em bancos de dados podemos fazer uma consulta: SELECT nome, idade FROM pessoa WHERE idade > 18 Em RI os dados não têm semântica. Para um 18 não sabemos que representa uma idade e nem de quem Em Recuperação da Informação só podemos procurar pela existência ou não de um termo em um documento. Esta existência pode ser precisa, aproximada, importante Consultas Booleanas •Uma consulta booleana é uma combinação lógica de palavras-chave. Pode ser oriunda de • Uma expressão em linguagem natural interpretada • Uma interface que permite a declaração de expressões Booleanas EXEMPLO: Quais documentos falam de 'recuperação' e de 'informação' mas não de 'teoria'? 'recuperação' AND 'informação' AND NOT('teoria')? Consultas Consultas Booleanas EXPRESSÕES BOOLEANAS (EB): Dado um conjunto de termos t = {t1, ..., tn} e duas EBs e1 e e2: • Um termo é uma expressão booleana (EB) • (e1 AND e2) é uma EB • NOT(e1) é uma EB. Definimos • (e1 OR e2) NOT(NOT(e1) AND NOT(e2)) • (e1 XOR e2) (e1 OR e2) AND NOT(e1 AND e2) Consultas Booleanas EXECUÇÃO DE EXPRESSÕES BOOLEANAS: 1ª solução: GREPPING • Seja U = {D1, .., Dn} um conjunto de documentos • Dada a consulta “'recuperação' AND 'informação' AND NOT('teoria')” • realizar uma pesquisa em texto em cada documento e responder a consulta Consultas Booleanas EXECUÇÃO DE EXPRESSÕES BOOLEANAS: • Dado um conjunto de termos t = {t1, ..., tn} • Dado um conjunto de documentos U, seja Di U o subconjunto de U que contém ti, para i=1,..n Dado uma expressão Booleana e, denotamos U(e) ou simplesmente (e) o resultado da aplicação de e a U. Temos: • (ti) = Di – (p.ex. da lista invertida) • • (ei AND ej) = Di Dj (NOT(ei)) = U - Di. PROPOSIÇÃO: •(ei OR ej) = Di Dj Consultas Booleanas EXECUTAR EXPRESSÕES BOOLEANAS significa: • Encontrar listas (de documentos) • Operar listas OPERAÇÕES PRIMITIVAS SOBRE LISTAS • intercala(l1,l2): forma lista com todos elementos de ambas as listas • todos(l): elimina duplicatas • comuns(l): mantém uma entrada de cada elemento duplicado • uns(l): só mantém os elementos que ocorrem uma vez na lista Consultas Booleanas OPERAÇÕES BOOLEANAS EM FUNÇÃO DAS PRIMITVAS • a OR b = todas(intercala(a,b)) • a AND b = comuns(intercala(a,b)) • a XOR b = uns(intercala(a,b)) • NOT(a) = ? • a AND NOT(b) = a – b = uns(intercala(a, a AND b) Consultas Booleanas EXEMPLO: Seja (T1) = {D1, D3) (T2) = {D1, D2} (T3) = (D2, D3,D4} Calculemos ( (T1 OR T2) AND NOT(T3) ) Intercala(T1,T2) = {D1,D1,D2,D3} T1 OR T2 = {D1,D2,D3} Intercala( (T1 OR T2), T3) = {D1,D2,D2,D3,D3,D4} ( (T1 OR T2) AND T3 ) = {D2,D3} Intercala ( (T1 OR T2),( (T1 OR T2) AND T3) ) = {D1,D2,D2,D3,D3} (T1 OR T2) AND NOT(T3) = {D1} Consultas Booleanas OTIMIZAÇÃO: DADO: a AND b AND c Ordenar a, b, c e processar primeiro os pares com menor frequência. Consultas Booleanas Além de consultas por palavras-chave: • casamento parcial (consultas-AND longas e consultas-OR longas) • ranking dos resultados • frases • proximidade entre termos (‘informação’ ANTES ou PERTO_DE ‘recuperação’) • importância dos termos (frequência, idf) • termos compostos, conceitos (sinonímia, mero-,hiper- e hyponímia) • documentos semi-estruturados (dividido em ‘TÍTULO’, ‘AUTOR’, ‘RESUMO’, ‘PALAVRAS CHAVE’, RESTO composto por CAPÍTULOS, ... Ex. encontre livros com AUTOR contendo ‘Baeza-Yates’ e um capítulo sobre ‘signature files’) • agrupamento de documentos Consultas Booleanas Estendidas Modelos: Mixed Min-Max (MMM), Paice e P-norma Modelo MMM é baseado na teoria de conjuntos fuzzy: Sejam termos ‘a’ e ‘b’ • dega é o grau de pertinência de ‘a’ a um certo conjunto (documento) • degab = min(dega, degb) • degab = max(dega, degb) Dado consultas COR = (a1 OR a2 OR ... OR an) e CAND = (a1 AND a2 AND ... AND an), e um documento D, define-se: • sim(COR,D) = kor1*max(dega1,...degan) + kor2*min(dega1,..,degan) • sim(CAND,D) = kand1*min(dega1,...degan) + kand2*max(dega1,..,degan) • os ‘k’s são coeficientes reguladores, sendo kor1 = 1 – kor2 e kand1 = 1-kand2. Bons resultados ocorrem com kor1 > 0.2 e kand1 [0.5,0.8] Consultas Booleanas Estendidas Modelos: Mixed Min-Max (MMM), Paice e P-norma Modelo de Paice: Similar ao MMM mas, ao invés de considerar os max e min de todos termos da consulta, leva todos pesos em consideração. Modelo de P-norma: Neste modelo tanto os termos da consulta como os termos nos documentos são ponderados. Detalhes sobre estes dois modelos em: • Frakes&Baeza-Yates, “Information Retrieval – Data Structures & Algorithms” Prentice-Hall (1992) • Kowalski “Informationh Retrieval – Theory and Implementation” Kluwer (1997) Consultas Booleanas • a OR b = todas(intercala(a,b)) • a AND b = comuns(intercala(a,b)) • a XOR b = uns(intercala(a,b)) • a AND NOT(b) = a – b = uns(intercala(a, a AND b) EXERCÍCIO • a OR NOT(b) = ?? Seja (T1) = {D1, D3) (T2) = {D1, D2} (T3) = (D2, D3,D4} Calcular (NOT(T3) OR (T1 AND T2 AND T3)) Modelo Vetorial Considera um dicionário com n termos como um espaço com n dimensões. • assim, os k termos que indexam um documento D formam um vetor com k dimensões no espaço n-dimensional; • o valor de do vetor de D na dimensão k é o peso de k em D, p(k,D) • todos m documentos de uma base de documentos formam m vetores; • os termos de uma consulta C também formam um vetor com pesos p(k,C) • procura-se os vetores de documentos mais próximos do vetor da consulta Modelo Vetorial Vantagens sobre o modelo Booleano: • considera termos ponderados • recupera documentos que não casam com todos termos da consulta • permite rankeamento do resultado; Modelo Vetorial Temos então dois vetores: n = número de termos dk = k-ésimo documento pci = peso do i-ésimo termo na consulta pki = peso do i-ésimo termo no documento dk • c = <pc1,pc2,...,pcn> • dk = <pk1,pk2,...,pkn> • A proximidade é dada pelo coseno do ângulo entre os vetores c e d • sim(c,dk) = (c d) / (|c| X |dk|) = i=1..n pki X pci = ______________________________________ i=1..n pki2 x i=1..n pci2 sim(c,dk) Modelo Vetorial Obtenção dos pesos: tf = freq (k,D) (freqüência do termo k no documento D) idf = log (N / nk) (inverse document frequency), onde N é o número de documentos na coleção e nk número de documentos em que o termo ocorre. tfidf = freq (k,S) log (N / nk) (inverse document frequency), é o peso do termo k no documento D Modelo Vetorial EXEMPLO: um novo documento d2 contém as palavras na base de 2048 documentos ocorrem: – ‘petróleo’ em 128 deles – ‘petróleo’ 18 vezes – ‘Brasil’ em 16 deles – ‘refinaria’ 8 vezes – ‘ refinaria’ em 1024 deles teríamos os cálculos: Vetor com tf : <‘petróleo’: 18, ‘ refinaria’: 8> cálculo com tfitf (‘petróleo’)= 18*log(2048/128) = 18*1,2 = 21,6 tfitf (‘Brasil’)= 0 tfitf (‘refinaria’)= 8*log(2048/1024) = 8*0,3 = 2,4 Logo temos o vetor d2 = <21.6, 0, 2.4> Modelo Vetorial EXEMPLO: um novo documento d3 contém as palavras – ‘petróleo’ 10 vezes – ‘Brasil’ 10 vezes na base de 2048 documentos ocorrem: • ‘petróleo’ em 128 deles • ‘Brasil’ em 16 deles • ‘ refinaria’ em 1024 deles teríamos os cálculos: Vetor com tf : <‘petróleo’: 10, ‘Brasil’: 10> cálculo com tfitf (‘petróleo’)= 10*log(2048/128) = 10*1,2 = 12 tfitf (‘Brasil’)= 10*log(2048/16) = 10*2,1 = 21 Logo temos o vetor d3 = <12, 21, 0> Modelo Vetorial temos os vetores EXEMPLO: d1 = <4.8, 16.87, 3> Seja a consulta com d2 = <21.6, 0, 2.4> tf : <‘petróleo’: 1, ‘Brasil’: 1, ‘ refinaria’: 1> d3 = <12, 21, 0> c = <1.2, 2.1, 0.3> i=1..n pki X pci • = ______________________________________= (1.2x4.8 + 2.1x16.87+0.3x3) i=1..n pki2 x i=1..n pci2 (23.04+284.6+9) x (1.44+4.41+0.09) sim(c,d1) sim(c,d1) = (5.76+ 35.43+0.9) / 316.64 x 5.94) = 42.09 / (17.794x2.44) = 42.1/43.4=0.97 Modelo Vetorial temos os vetores EXEMPLO: d1 = <4.8, 16.87, 3> Seja a consulta com d2 = <21.6, 0, 2.4> tf : <‘petróleo’: 1, ‘Brasil’: 1, ‘ refinaria’: 1> d3 = <12, 21, 0> c = <1.2, 2.1, 0.3> i=1..n pki X pci • = ______________________________________= (1.2x21.6 + 2.1x0+0.3x2.4) i=1..n pki2 x i=1..n pci2 (466.56+5.76) x (1.44+4.41+0.09) sim(c,d2) sim(c,d2) = (25.95+0.72) / 472.32 x 5.94) = 26.67 / (21.73x2.437) = 26.67/52.956=0.50 Modelo Vetorial temos os vetores EXEMPLO: d1 = <4.8, 16.87, 3> Seja a consulta com d2 = <21.6, 0, 2.4> tf : <‘petróleo’: 1, ‘Brasil’: 1, ‘ refinaria’: 1> d3 = <12, 21, 0> c = <1.2, 2.1, 0.3> i=1..n pki X pci • = ______________________________________= (1.2x12 + 2.1x21) i=1..n pki2 x i=1..n pci2 (144+441) x (1.44+4.41+0.09) sim(c,d3) sim(c,d3) = (14.4+44.1) / 585 x 5.94) = 58.5/ (24.187x2.437) = 58.5/58.94 = 0.992 sim(c,d1) = (5.76+ 35.43+0.9) / 316.64 x 5.94) = 42.09 / (17.794x2.44) = 42.1/43.4= 0.97 sim(c,d2) = (25.95+0.72) / 472.32 x 5.94) = 26.67 / (21.73x2.437) = 26.67/52.956= 0.50 Modelo Vetorial Problemas com o modelo vetorial: • mudanças na base • os termos são independentes entre si • Se um documento discute petróleo no Brasil e futebol na Argentina irá atender a uma consulta sobre petróleo no futebol. Modelo Vetorial Generalizado Permite relacionar termos entre si por vetores chamados minterms: • dado um vetor de palavras chave: •c = <p1,p2,...,pn>, para associar pc1 com pc3 ele é combinado com o minterm •m5 = <1,0,1,0...,0> e é considerado um fator de correlação c13 este modelo é controverso suas vantagens não são consolidadas Feedback de relevância Como reduzir problemas de terminologia e relevância? • Um thesaurus (mais genérico, estático) • Um ambiente interativo (personalizado, dinâmico) Feedback de relevância: itens relevantes são usados para refazer os pesos nos termos da consulta e expandí-la Feedback de relevância A partir da consulta original C0 é calculada uma nova consulta C’. Dados • C0 o vetor da consulta original • r o número de itens relevantes • DRi os vetores dos itens relevantes • nr o número de itens irrelevantes • DNRj os vetores dos itens irrelevantes Temos C` = C0 + (1/r) i=1..r DRi – (1/nr) i=1..nr DNRi Feedback de relevância Original C` = C0 + (1/r) i=1..r DRi – (1/nr) i=1..nr DNRi Variante C` = C0 + i=1..r DRi – i=1..nr DNRi Feedback positvo = i=1..r DRi Feedback negativo = i=1..nr DNRi Feedback de relevância Feedback positivo relevante irrelevante Feedback negativo Feedback de relevância temos os vetores d1 = <5, 15, 3> a consulta c = <1.2, 2.1, 0.3> d2 = <20, 0, 2> d3 = <12, 20, 0> • Suponhamos que d3 e d2 são relevantes e d1 não •Temos r = 2, nr = 1 e sejam = 1, = (1/r * 1/2) = ¼ e = (1/nr * ¼) = ¼ Então c’ = C0 + (<20,0,2>+<12, 20,0) – (5,15,3>) = = 1<1.2, 2.1, 0.3> + ¼ (<20+12, 0+20, 2+0> - ¼ (5, 15, 3> = <1.2, 2.1, 0.3> + ¼ <27, 5, -1> = <7.95, 3.35, 0.05> Feedback de relevância a consulta c = <1.2, 2.1, 0.3> temos os vetores d1 = <5, 15, 3> d2 = <20, 0, 2> Obtivemos C’ = <7.95, 3.35, 0.05> <8, 3.4, 0.1> d3 = <12, 20, 0> Reaplicando: i=1..n pki X pci • = ______________________________________= (1.2x12 + 2.1x21) i=1..n pki2 x i=1..n pci2 (144+441) x (1.44+4.41+0.09) sim(c,d3) Modelo Probabilístico Sabendo-se que, dado uma consulta c e uma coleção de N documentos Existe um conjunto de Rc ou R documentos relevantes para c. Dado um documento d considera-se P(R|d) a probabilidade de d ser relevante (estar em R), e P(R-1|d) a probabilidade de d não estar em R Define-se sim(d,c) = P(R|d) / P(R-1|d) = (P(d|R) x P(R)) / (P(d|R-1)xP(R-1)) Sendo P(d|R) a probabilidade de um d qualquer ser de R Temos, então: sim(d,c) P(d|R)/ P(d|R-1) Modelo Probabilístico Dado uma consulta c um documento d e um termo t Podemos dividir a coleção em R o número de documentos relevantes para c. N o número total de documentos nt ou n número de documentos contendo t, e rt ou r o número de documentos não contendo t + - + r n-r n - R-r N-n-R+r N-n R N-R N Modelo Probabilístico + - + r R-r R n-r N-n-R+r N-R n N-n N Fórmulas alternativas para a distribuição dos termos entre documentos relevantes e não-relevantes, determinando o peso wt ou w de t na consulta c: F1: w1 = log( (r/R) / (n/N)) F2: w2 = log( (r/R) / ((n-r)/N-R)) ) F3: w3 = log ( (r/((R-r)) / (N/(N-n)) ) F4: w4 = (r/(R-r)) / ((n-r)/((N-n-R+r)) ) Experimentalmente a fórmula F4 se mostrou a mais adequada Modelo Probabilístico SIMILARIDADE sem necessidade de uma análise preliminar de relevância (revisão probabilística de F4) sim1(c, dj) = i=1..Q(C + log((N-ni) / ni ) sim2(c, dj) = i=1..Q(C + idfi) * fij ) Sendo Sendo Q = o número de termos comuns entre dj e c fij = K + (1-K) (freqij / maxfreqj) C = uma constante de regulagem (p.ex. = 1) maxfreqj = a frequência de algum termo em dj ni = o número de documentos contendo ti idfi = log (N / ni) (idf de ti em D) N = o número total de documentos K = uma constante de ajuste (para documentos pequenos 0.5, senão, 0.3) freqij = a frequência de ti em dj Modelo Probabilístico - Exemplo Suponhamos a base de documentos petróleo refinaria Brasil Argentina jogo nacional d1 4 10 8 0 0 3 0 0 d2 0 0 5 3 0 3 0 0 d3 1 0 3 3 2 0 0 1 d4 0 0 0 8 7 0 2 4 d5 5 8 2 2 0 5 0 2 d6 0 0 4 0 6 1 5 2 c 1 1 2 1 1 0 1 0 Tot al 10 18 22 16 15 12 7 9 A base tem 109 palavras futebol transporte Modelo Probabilístico - Exemplo Calcular Petróleo sim1(c, dj) = i=1..Q(C + log((N-ni) / ni ) Refinaria Brasil Argentina Futebol Transporte Total ni Q= C=1 ni = N= (o número de termos comuns entre dj e c) (uma constante de regulagem (p.ex. = 1) (o número de documentos contendo ti (o número total de documentos) Jogo Nacional freq / f d1 Petróleo refinaria Brasil Argentina futebol transporte jogo nacio- Q nal 4/ 10/ 8/ 0/ 0/ 3/ 0/ 0/ d2 0/ 0/ 5/ 3/ 0/ 3/ 0/ 0/ d3 1/ 0/ 3/ 3/ 2/ 0/ 0/ 1/ d4 0/ 0/ 0/ 8/ 7/ 0/ 2/ 4/ d5 5/ 8/ 2/ 2/ 0/ 5/ 0/ 2/ d6 0/ 0/ 4/ 0/ 6/ 1/ 5/ 2/ c 1/ 1/ 2/ 1/ 1/ 0/ 1/ 0/ Modelo Probabilístico - Exemplo max -freq ni idfi Q= (o número de termos comuns entre dj e c) N= (o número total de documentos) maxfreqj = (freq do termo max. no documento) K = 0,5 (constante de ajuste) idfi = log (N / ni) (idf de ti em D) ni = (número de documentos contendo ni) fij = K + (1-K) (freqij / maxfreqj) sim2(c, dj) = i=1..Q(C + idfi) * fij ) freq / f d1 Petróleo refinaria Brasil Argentina futebol transporte jogo nacional 4/ 10/ 8/ 0/ 0/ 3/ 0/ 0/ d2 0/ 0/ 5/ 3/ 0/ 3/ 0/ 0/ d3 1/ 0/ 3/ 3/ 2/ 0/ 0/ 1/ d4 0/ 0/ 0/ 8/ 7/ 0/ 2/ 4/ d5 5/ 8/ 2/ 2/ 0/ 5/ 0/ 2/ d6 0/ 0/ 4/ 0/ 6/ 1/ 5/ 2/ c 1/ 1/ 2/ 1/ 1/ 0/ 1/ 0/ Tota l 10 18 22 16 15 12 7 9 Modelo Probabilístico - Exemplo A base tem 109 palavras cálculo com tfitf (‘petróleo’)= 4*log(109/10) = 4*1,2 = 4,15 tfitf (‘refinaria’)= 10*log(109/18) = 7,82 tfitf (‘Brasil’)= 8*log(109/22) = 5,56, tfitf (‘transporte’)= 3*log(109/12) = 2,87 Logo temos o vetor d1 = <4.15, 7.82, 5.56, 0, 0, 2.87, 0, 0>