Information Retrieval Metodi e modelli per i motori di ricerca. Massimo Melucci

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1 Information Retrieval Metodi e modelli per i motori di ricerca Massimo Melucci

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3 Collana di informatica Nuova serie diretta da Arrigo L. Frisiani Comitato scientifico: Giovanni Adorni (Università di Genova), Luigi Benedicenti (University of Regina), Maurelio Boari (Università di Bologna), Giacomo Bucci (Università di Firenze), Virginio Cantoni (Università di Pisa), Paolo Ciancarini (Università di Bologna), Gianni Conte (Università di Parma), Paolo Corsini (Università di Pisa), Fabio Crestani (Università della Svizzera Italiana), Rita Cucchiara (Università di Modena e Reggio Emilia), Valeria De Antonellis (Università di Brescia), Gianluca Foresti (Università di Udine), Alfonso Fuggetta (Politecnico di Milano), Andrea Fusiello (Università di Verona), Salvatore Gaglio (Università di Palermo), Marco Gori (Università di Siena), Enrico Grosso (Università di Sassari), Giovanni Guida (Università di Brescia), Giuseppe Iazeolla (Università di Roma Tor Vergata ), Sebastiano Impedovo (Università di Bari), Pieter Kritzinger (University of Cape Town), Massimo Maresca (Università di Padova), Paolo Maresca (Università di Napoli Federico II), Giuseppe Mastronardi (Politecnico di Bari), Antonino Mazzeo (Università di Napoli Federico II), Massimo Melucci (Università di Padova), Marco Mezzalama (Politecnico di Torino), Stefano Mizzaro (Università di Udine), Alfredo Petrosino (Università di Napoli Parthenope ), Antonio Puliafito (Università di Messina), Gabriella Sanniti di Baja (CNR - Istituto di Cibernetica), Nello Scarabottolo (Università di Milano), Fabrizio Sebastiani (CNR - Istituto di Scienza e Tecnologie dell Informazione), Giovanni Semeraro (Università di Bari), Alberto Sillitti (Libera Università di Bolzano), Giancarlo Succi (Libera Università di Bolzano), Carlo Tasso (Università di Udine), Genoveffa Tortora (Università di Salerno), Marco Vanneschi (Università di Pisa), Mario Vento (Università di Salerno), Alessandro Verri (Università di Genova), Lorenzo Vita (Università di Catania), Renato Zaccaria (Università di Genova).

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5 Information Retrieval Metodi e modelli per i motori di ricerca Massimo Melucci

6 Grafica della copertina: Alessandro Petrini Copyright 2013 by FrancoAngeli s.r.l., Milano, Italy. L opera, comprese tutte le sue parti, è tutelata dalla legge sul diritto d autore. L Utente nel momento in cui effettua il download dell opera accetta tutte le condizioni della licenza d uso dell opera previste e comunicate sul sito

7 Indice Indice 5 Elenco delle figure 9 Elenco degli acronimi 15 Presentazione 21 1 Introduzione Dal memex ai motori di ricerca Information Retrieval Motori di ricerca Suggerimenti bibliografici Quesiti 43 2 Metodi di indicizzazione Introduzione Indicizzazione ed efficacia Analisi lessicale Stemming Costruzione dei termini Controllo statistico dell indice Agente di ricerca Suggerimenti bibliografici Quesiti 92 3 Metodi di reperimento e ordinamento Introduzione Operatori logici Livello di coordinamento 99 5

8 3.4 Implementazione del reperimento Suggerimenti bibliografici Quesiti Metodi di valutazione Introduzione Base di partenza e gruppo di controllo Misure di valutazione Collezione sperimentale Iniziative di valutazione Suggerimenti bibliografici Quesiti Modelli di indicizzazione e reperimento Introduzione Modello logico Modello vettoriale Modello probabilistico Modello linguistico Suggerimenti bibliografici Quesiti Metodi avanzati di indicizzazione Introduzione Valutazione e indicizzazione Àncore dei link Autorevolezza delle pagine Pagine duplicate Compressione dei dati Collocazioni e termini Analisi della semantica latente Indicizzazione collaborativa Suggerimenti bibliografici Quesiti 227 6

9 7 Metodi avanzati di reperimento e ordinamento Introduzione Sistemi paralleli e distribuiti Ordinamento per autorevolezza Reperimento per semantica latente Espansione delle interrogazioni Retroazione di rilevanza Suggerimenti bibliografici Quesiti Metodi di Machine Learning Introduzione Separabilità dei punti Classificazione Ordinamento dei documenti Raggruppamento Suggerimenti bibliografici Quesiti Contesti applicativi Introduzione Immagini, suoni e musica Reti sociali e blog Personalizzazione Pubblicità digitale Analisi dei dati Suggerimenti bibliografici Quesiti 337 Suggerimenti bibliografici 341 Indice analitico 359 7

10

11 Elenco delle figure 1.1 Il memex immaginato da Bush (1945) Distribuzione delle lingue Architettura funzionale di un Information Retrieval System Information Retrieval System Collezione di documenti e relativo indice Data center World Wide Web (web) visto, visibile e invisibile Profondo web Sorgente della home-page di un quotidiano Indicizzazione esaustiva e indicizzazione specifica Analisi lessicale di alcune parole Stop-list per l inglese Stop-list per l italiano Frammento iniziale dell algoritmo di Porter per lo stemming Riduzione di parole italiane a radici comuni Lista di affissi Perdita d informazione dopo rimozione delle stop word e stemming Calcolo dei lemmi Etichettatura delle parti del discorso (Part-of-Speech (POS) tagging) Distribuzione di frequenza di in-link della collezione sperimentale WT10G Le cinquanta parole delle query più frequentemente inviate a un motore di ricerca nel 2002 (riportate da Jansen e Spink (2006)) Distribuzione di frequenza delle parole della collezione sperimentale CACM 64 9

12 2.15 Legge di Heap Indice di una collezione Architettura di un indice Semplice algoritmo d indicizzazione Distribuzione delle trenta parole più frequenti del manuale di MySQL Struttura di un URL e dialogo in HTTP Funzionamento di un agente di ricerca Agente di ricerca e DNS server Dialogo con un server web Illustrazione di un metodo per determinare punti di partenza Esplorazione in ampiezza Algoritmo d esplorazione in ampiezza Esplorazione in profondità Algoritmo d esplorazione in profondità Evoluzione di una coda ed evoluzione di una pila Architettura di un sistema di Information Retrieval (IR) con un agente di ricerca Canonizzazione degli Uniform Resource Locator (URL) Sitemap Robots.txt Really Simple Syndication (RSS) Rapporti di grandezza tra documenti reperiti, rilevanti e non reperiti Operatori logici Descrittori e insiemi di documenti Operazioni con FONDI e POTA Indice risultante dalla fig Elaborazione di un interrogazione booleana Schema di un algoritmo di reperimento Term-At-A-Time (TAAT) e Document-At-A-Time (DAAT) Algoritmo di reperimento TAAT con operatori logici

13 3.10 Reperimento DAAT Algoritmo di reperimento TAAT con terminazione anticipata Quadrato latino Quadrato greco-latino Tabella di contingenza per il calcolo di richiamo e precisione Run di venti documenti Due configurazioni a confronto Misura E Calcolo di richiamo e precisione per due ranking Interpolazione di richiamo e precisione Caso peggiore, normale e ideale di Cumulative Gain Numero di scambi e τ di Kendall Metodi di costruzione di una collezione sperimentale Pooling method Fase di addestramento Misurazione e test statistico delle ipotesi Fase di test sperimentale di una configurazione Prime collezioni sperimentali Composizione della collezione TIPSTER Topic TREC n Documento TREC rilevante al topic n Teoria, modelli, esperimenti e realtà fisica Vettori di documenti e interrogazioni nello spazio vettoriale a due dimensioni Vettori di documenti e interrogazioni nello spazio vettoriale a tre dimensioni Modello vettoriale e multimedia Cluster Hypothesis Coseno tra vettori nello spazio vettoriale a due dimensioni Coseno tra vettori nello spazio vettoriale a tre dimensioni Nozione di normalizzazione a perno

14 5.9 Coseno tra vettori e ruolo delle relazioni tra descrittori Funzione di IR con il modello vettoriale Decisione secondo il modello probabilistico Stima del modello probabilistico Spazio probabilistico Tabella dei costi di decisione nel modello probabilistico Costi di imprecisione e perdita Curse of dimensionality Indipendenza stocastica e indipendenza stocastica condizionata Tabella di contingenza per il modello probabilistico Language Model Bigrammi e probabilità Metafora di un LM Mistura di LM Lisciamento di LM Àncore Pagine e link web che non formano una catena di Markov ergodica Pagine e link web che formano una catena di Markov persistente, ma periodica Algoritmo PageRank Rilevamento di pagine duplicate mediante hashing e fingerprinting Compressione e codifica dei caratteri Albero binario di compressione Metodo di compressione γ Metodo di compressione δ Metodo di compressione basato sulle differenze Due basi per lo stesso documento Quattro vettori nello spazio a due dimensioni Relevance Feedback

15 7.2 IRS parallelo Ripartizione di una matrice di occorrenza di un Information Retrieval System (IRS) parallelo IRS distribuito Mutuo rinforzo Algoritmo Hyperlinked Induced Topic Search (HITS) Grafo di sette nodi per calcolare autorevolezza e centralità Popolarità, conformismo, centralità e autorevolezza Un grafo per HITS Insieme radice Insieme radice, insieme base e HITS Confronto tra HITS e PageRank Piccola collezione usata per illustrare il modello di analisi latente (tratta dall articolo di Deerwester e altri (1990)) Disposizione di documenti e interrogazione dopo LSA Decomposizione a Valori Singolari Tipi di Relevance Feedback Stato iniziale della retroazione Reperimento prima della retroazione Addestramento durante la retroazione Assegnazione del giudizio di rilevanza durante la retroazione Reperimento dopo la retroazione Cluster Hypothesis verificata e non verificata Relevance Feedback (RF) vettoriale positivo e negativo Algoritmi di RF Machine Learning e spazi Separabilità di un insieme di punti Trasformazione dei dati di un training set Separabilità perfetta di un insieme di punti Iperpiano di una Support Vector Machine (SVM) Calcolo dell iperpiano ottimo Kernel trick

16 8.8 Non separabilità dei punti Raggruppamento di otto punti in tre gruppi in R Algoritmo k-means Rappresentazione del metodo Scatter and Gather Punti distribuiti in tre gruppi e tre classi Misura F Frammento di testo apparso sullo schermo e poi riconosciuto mediante Optical Character Recognition (OCR) Struttura di un immagine Notazione della melodia di un brano musicale segmentata in profili melodici Profili melodici di un brano ottenuti con uno stemming per la melodia Struttura di un blog

17 Elenco degli acronimi ASCII ASK CGI CG CG CLEF CLIR CMS CPA CPC CPM CTD DAAT DARPA DNS DVS DV EM FIFO FND GPS HITS HTML HTTP IDF IE IP IRF IRS American Standard Code for Information Interchange Anomalous State of Knowledge Common Gateway Interface Cumulative Gain Discounted Cumulative Gain Cross-Language Evaluation Forum Cross-Language IR Content Management System Cost Per Action Cost Per Click Cost Per Mille Click-Through Data Document-At-A-Time Defense Advanced Research Program Agency Domain Name System Decomposizione a Valori Singolari Term Discrimination Value Expectation Maximization First-In First-Out Forma Normale Congiuntiva Global Positioning System Hyperlinked Induced Topic Search HyperText Markup Language HyperText Transfer Protocol Inverse Term Frequency Information Extraction Internet Protocol Implicit RF Information Retrieval System 15

18 IR LIFO LM LR LSA MAP ML MMIR MRR NDCG NIST NLS NTCIR OLTP OCR OPAC POS PRP QA QE QLM RF RGB RSS SGBD SML SMS SQL SVM TAAT TFIDF TF TREC Information Retrieval Last-In First-Out Language Model Learning to Rank Latent Semantic Analysis Mean Average Precision Machine Learning IR multimediale Mean Reciprocal Rank Normalized Discounted Cumulative Gain National Institute of Standard and Technology on Line System NII-NACSIS Test Collection for IR Systems Online Transaction Processing Optical Character Recognition Online Public Access Catalogue Part-of-Speech Probability Ranking Principle Question Answering Query Expansion Query-Likelihood Model Relevance Feedback Red Green Blue Really Simple Syndication Sistema di Gestione di Basi di Dati Statistical Machine Learning Short Message System Structured Query Language Support Vector Machine Term-At-A-Time Term Frequency Inverse Document Frequency Term Frequency Text REtrieval Conference 16

19 TRW URL VSM WWW XML Term Relevance Weight Uniform Resource Locator Vector Space Model World Wide Web (web) extensible Markup Language 17

20

21 per mia moglie, Alessandra e per mio figlio, Oleg

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