02-27 朴素贝叶斯

目录

• 朴素贝叶斯
• 一、朴素贝叶斯学习目标
• 二、朴素贝叶斯引入
• 三、朴素贝叶斯详解
  • 3.1 朴素贝叶斯构造
  • 3.2 朴素贝叶斯基本公式
  • 3.3 朴素贝叶斯参数估计
    • 3.3.1 特征值为离散值
    • 3.3.2 特征值为稀疏的离散值
    • 3.3.3 特征值为连续值
  • 3.4 三种不同的朴素贝叶斯
    • 3.4.1 多项式朴素贝叶斯
    • 3.4.2 伯努利朴素贝叶斯
    • 3.4.3 高斯朴素贝叶斯
• 四、朴素贝叶斯流程
  • 4.1 输入
  • 4.2 输出
  • 4.3 流程
• 五、朴素贝叶斯优缺点
  • 5.1 优点
  • 5.2 缺点
• 六、小结

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朴素贝叶斯

朴素贝叶斯是基于贝叶斯公式与特征条件独立假设的分类方法(注：贝叶斯公式是数学定义，朴素贝叶斯是机器学习算法)。朴素贝叶斯基于输入和输入的联合概率分布，对于给定的输入，利用贝叶斯公式求出后验概率最大的输出(y)。即可以总结为以下三点

1. 已知类条件概率密度函数表达式和先验概率
2. 利用贝叶斯公式转换成后验概率
3. 根据后验概率大小进行决策分类

一、朴素贝叶斯学习目标

1. 朴素贝叶斯构造
2. 朴素贝叶斯基本公式
3. 朴素贝叶斯参数估计
4. 多项式朴素贝叶斯、伯努利朴素贝叶斯、高斯朴素贝叶斯
5. 朴素贝叶斯流程
6. 朴素贝叶斯优缺点

二、朴素贝叶斯引入

假设现在有一个有两个类别的鸢尾花数据集，并且已经知晓每个数据的分类情况，并且假设数据的分布如下图所示。

# 朴素贝叶斯引入图例
from matplotlib.font_manager import FontProperties
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import datasets
%matplotlib inline

font = FontProperties(fname='/Library/Fonts/Heiti.ttc')

iris_data = datasets.load_iris()
X = iris_data.data[0:100, [0, 1]]
y = iris_data.target[0:100]

plt.scatter(X[0:50, [0]], X[0:50, [1]], color='r',
            s=50, marker='o', label='山鸢尾')
plt.scatter(X[50:100, [0]], X[50:100, [1]],
            color='b', s=50, marker='x', label='杂色鸢尾')
plt.xlabel('花瓣长度(cm)', fontproperties=font)
plt.ylabel('花瓣宽度(cm)', fontproperties=font)
plt.legend(prop=font)
plt.show()

现在假设有一个未知分类的鸢尾花数据((x_1(花瓣长度),x_2(花瓣宽度)))，用(p_1(x_1,x_2))表示样本属于山鸢尾(red)的概率，用(p_2(x_1,x_2))表示属于杂色鸢尾(blue)的概率，(p_1(x_1,x_2) + p_2(x_1,x_2) = 1)。

假设如果(p_1(x_1,x_2) > p_2(x_1,x_2))则((x_1,x_2))为山鸢尾，否则为杂色鸢尾，即选择概率高的类别作为新样本的分类结果。这就是贝叶斯决策理论的核心思想，选择具有最高概率的决策。

如果使用条件概率来表示这个上述所说的分类，则可以表示为

[egin{align} & p(red|x_1,x_2) > p(blue|x_1,x_2) quad ext{样本属于山鸢尾} \ & p(red|x_1,x_2) < p(blue|x_1,x_2) quad ext{样本属于杂色鸢尾} end{align} ]

即如果出现一个新样本，假设数据集有(n)个特征、(m)个分类，只需要计算这个样本的

[arg\,max\,(p(red|x_1,x_2),p(blue|x_1,x_2)) ]

如果只有两个特征(x_1)和(x_2)，那么计算并不会很难，按照条件公式计算即可，但是你有没有想过如果有(n)特征，(K)个分类呢？即计算

[underbrace{arg\,max}_{c_k}\,p(c_j|x_1,x_2,ldots,x_n) quad(k=1,2,cdots,K) ]

上述的计算量是非常大的，那么我们有没有一种简单的方法能够改善该公式呢？有是有一定有的，即朴素贝叶斯法。

三、朴素贝叶斯详解

3.1 朴素贝叶斯构造

假设现有一个训练集有(K)个类别(c_1,c_2,ldots,c_k)，(m)个样例，每个样例有(n)个特征，训练集可以表示为

[((x_1^{(1)},x_2^{(1)},cdots,x_n^{(1)},y_1)(x_1^{(2)},x_2^{(2)},cdots,x_n^{(2)},y_2),cdots,(x_1^{(m)},x_2^{(m)},cdots,x_n^{(m)},y_m)) ]

从样本中可以得到

朴素贝叶斯的先验分布为(p(c_k) quad (k=1,2,ldots,K)),

朴素贝叶斯的条件概率分布为(p(x_1,x_2,ldots,x_n|c_k)),

利用条件概率公式得到(X)和(Y)的联合分布(p(X,Y))

[egin{align} p(X,Y) & = p((x_1,x_2,ldots,x_n),c_k) \ & = p(c_k)p(x_1,x_2,ldots,x_n|c_k) \ end{align} ]

由于(p(x_1,x_2,ldots,x_n|c_k))是一个(n)个维度的条件分布，计算难度超级复杂，因此假设(X)的(n)个维度之间相互独立(注：如果特征之间有大部分不是独立存在的，则应该尽量不要使用朴素贝叶斯模型，而应该考虑使用其他的分类方法)，则可以把这个(n)维的条件分布改写成

[p(x_1,x_2,ldots,x_n|c_k) = p(x_1|c_k)p(x_2|c_k)cdots{p(x_n|c_k)} ]

虽然改写后的联合分布计算更加简单，但是由于假设所有的特征都是独立的，因此会相应的降低预测的不准确性。

3.2 朴素贝叶斯基本公式

假设已经得到了训练集的(p(c_k))和(p(x_j|c_k))值，假设现有一个测试样本((x_{1},x_{2},ldots,x_{n}))，则可以根据贝叶斯公式求得(K)个分类(c_1,c_2,ldots,c_k)各自的概率。

[egin{align} p(c_k|x_{1},x_{2},ldots,x_{n}) & = {frac{p(x_{1},x_{2},ldots,x_{n}|c_k)p(c_k)}{p(x_{1},x_{2},ldots,x_{n})}} \ & = {frac{p(x_{1}|c_k)p(x_{2}|c_k)cdots{p(x_{n}|c_k)p(c_k)}} {p(x_{1},x_{2},ldots,x_{n})}} \ end{align} ]

求得所有分类各自的概率之后，哪一个分类的概率最大，则样本属于哪一个分类。

[egin{align} 样本类别 & = max\,(p(c_1|x_{1},x_{2},ldots,x_{n}),p(c_2|x_{1},x_{2},ldots,x_{n}),cdots,p(c_k|x_{1},x_{2},ldots,x_{n})) \ & = underbrace{arg\,max}_{c_k}\,{frac{p(x_{1}|c_k)p(x_{2}|c_k)cdots{p(x_{n}|c_k)}} {p(x_{1},x_{2},ldots,x_{n})}} \ end{align} ]

其中(y = max\,f(x))表示(y)是(f(x))中所有的值中最大的输出；(y = arg\,max f(x))表示(y)是(f(x))中，输出的那个参数(t)。

由于每一个类别的概率公式的分子都是相同的，把分子去掉后则可以把上述公式转化为朴素贝叶斯模型的基本公式

[egin{align} 样本类别 & = underbrace{arg\,max}_{c_k} {p(x_{1}|c_k)p(x_{2}|c_k)cdots{p(x_{n}|c_k)p(c_k)}} \ & = underbrace{arg\,max}_{c_k}\,p(c_k) prod_{j=1}^{n} p(x_{j}|c_k) end{align} ]

3.3 朴素贝叶斯参数估计

朴素贝叶斯模型的基本公式为

[样本类别 = underbrace{arg\,max}_{c_k}\,p(c_k) prod_{j=1}^{n} p(x_{j}|c_k) ]

其中(p(c_k))通过极大似然估计很容易算出样本类别(c_k)的出现频率，假设(c_k)出现(m_k)次，则

[p(c_k) = {frac{m_k}{m}} ]

而对于(p(x_j|c_k))，则需要考虑特征值的取值与分布情况。

3.3.1 特征值为离散值

假设(x_j)是离散值，则可以假设(x_j)符合多项式分布，这种情况下的(p(x_j|c_k))是样本类别(c_k)中特征(x_j)出现的频率，假设(x_j)在(c_k)中出现的次数为(m_{k_j})，则

[p(x_j|c_k) = {frac {m_{k_j}} {m_k} } ]

由于假设所有特征相互独立，如果某个特征没有出现在某个类别中，则(p(x_j|c_k) = 0)会使分类产生偏差，一般采用贝叶斯估计解决该问题，即引入拉普拉斯平滑(Laplace smoothing)，即

[p(x_j|c_k) = {frac {m_{k_j} + lambda} {m_k + S_jlambda} } ]

其中(lambdaleq0)，当(lambda=0)时为最大似然估计；(lambda=1)时称为拉普拉斯平滑，(S_j)为第j个特征可以能取值的个数(注：由于(x_j)是离散的值，(x_j)有可能出现多次，并且每次出现的值可能不同)。

3.3.2 特征值为稀疏的离散值

假设(x_j)是非常稀疏的离散值，即各个特征出现的概率很低，这个时候可以假设(x_j)符合伯努利分布，即特征(x_j)出现为(1)，不出现为(0)。则(p(x_j|c_k))是(x_j)在样本类别(c_k)中出现的频率，则

[p(x_j|c_k) = p(x_j|c_k)x_j + (1- p(x_j|c_k))(1-x_j) ]

3.3.3 特征值为连续值

假设(x_j)是连续值，则假设(x_j)符合高斯分布(正态分布)，则可以把(x_j)直接带入正态分布公式，即可得

[p(x_j|c_k) = {frac {1} {sqrt{2pisigma_k^2}} } exp (-{frac {(x_j - mu_{k})^2} {2sigma_k^2}}) ]

其中(mu_k)是所有(x_j)的期望值，(sigma_k^2)是所有(x_j)的方差

3.4 三种不同的朴素贝叶斯

3.4.1 多项式朴素贝叶斯

多项式朴素贝叶斯(Multinomial Naive Bayes)特征值符合多项式分布，多用于高维度向量分类，即样本特征为多元离散值，因此最常用于文章分类。

from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB

3.4.2 伯努利朴素贝叶斯

伯努利朴素贝叶斯(Bernoulli Naive Bayes)特征值符合伯努利分布，针对布尔类型特征值的向量做分类，即样本特征为二元离散值，或者为稀疏的多元离散值。

from sklearn.naive_bayes import BernoulliNB

3.4.3 高斯朴素贝叶斯

高斯朴素贝叶斯(Gaussian Naive Bayes)特征符合高斯分布，多用于特征值为连续值，可以利用高斯概率密度公式进行分类拟合。

from sklearn.naive_bayes import GaussianNB

四、朴素贝叶斯流程

4.1 输入

有(m)个实例(n)维特征的数据集

[T={(x_1,y_1),(x_2,y_2),cdots,(x_m,y_m)} ]

其中(x_i)是第(i)个实例的特征向量即(({x_i}^{(1)},{x_i}^{(2)},cdots,{x_i}^{(n)}))，({x_i}^{(j)} quad(j=1,2,cdots,n))是第(i)个实例的第(j)个特征，({x_i}^{(j)}in{a_{j1},a_{j2},cdots,a_{jS_j}})，(a_{jl} quad(l=1,2,cdots,S_j))是第(j)个特征可能的第(l)个值，(y_iin{c_1,c_2,cdots,c_K})，(c_k quad (k=1,2,cdots,K))是第(k)个类；实例(x)。

4.2 输出

实例(x)的类别。

4.3 流程

1. 计算先验概率和条件概率，即

[egin{align} & p(Y=c_k) = {frac{sum_{i=1}^m I(y_i=c_k)}{m}} \ & p(X^{(j)} = a_{jl}| Y=c_k) = {frac{sum_{i=1}^m I({x_i}^{(j)}=a_{jl},y_i=c_k)}{sum_{i=1}^m I(y_i=c_k)}} end{align} ]

2. 对于给定的实例(x=(x_{(1)},x_{(2)},cdots,x_{(n)})^T)，计算

[p(Y=c_k)prod_{j=1}^n p(X^{(j)} = x^{(j)}|Y=c_k) ]

3. 确定实例(x)的类别

[y = underbrace{arg\,max}_{c_k}\,p(Y=c_k) prod_{j=1}^n p(X^{(j)}=x^{(j)}|Y=c_k) ]

五、朴素贝叶斯优缺点

5.1 优点

1. 朴素贝叶斯源自古典数学理论，其中用到了古典概率，有稳定的分类效果
2. 对小规模数据表现很好，不需要使用(OvR)即可以处理多分类问题，并且可以把数据集拆分训练达到增量的目的
3. 由于假设特征间相互独立，对缺失值不敏感，常用于文本分类

5.2 缺点

1. 由于假设特征间相互独立，也导致了分类的准确性会有误差(注：针对这一点可以调节关联不独立的特征，即半朴素贝叶斯算法)
2. 由于后验概率的计算往往都假设先验概率已知，对数据的分布也有假设，有可能会因为假设的不确定性导致分类的准确性有误差

六、小结

朴素贝叶斯法是基于贝叶斯公式的一个理论，如果能记住贝叶斯公式并对概率论能提前有一个大概的了解，会更利于理解朴素贝叶斯法。

朴素贝叶斯法在能够很好地解决多分类问题，但是由于它最大的缺点，即假设特征都是独立的，所以一般被用于文本分类，因为一般会认为单词与单词之间都是相互独立的。

下一篇将会介绍一个在深度学习流行之前在工业上最常用的分类器，即支持向量机。