机器学习模型3 朴素贝叶斯-基于Python sklearn的实现

1、模型原理

1、原理:基于概率论的方法,计算一个样本x属于某个类别c的概率最大,即计算P(c│x)的最大值,即样本x分到类别c中的概率最大
1-1.png

2、计算步骤:

第一步,通过条件概率,可以转化为
1-2.png

。但由于很多样本取值在训练集中根本没有出现,即很多P(x│c)=0,因此直接使用频率来估计P(x│c) 显然不可行,因为"未被观测到"与"出现概率为零"通常是不同的.

第二步,假设概率密度P(x│c)符合某种确定的概率分布形式,再基于训练样本对概率分布的函数进行极大似然估计,就是在所有可能的参数Θ中,寻找一个能使训练数据出现的“可能性”最大的值。

比如假定在连续属性情形下,数据的概率密度函数P(x│c)符合正态分布,那问题就转化为了,知道一系列的属性数据,估计正态分布的均值、方差两个参数(因为均值、方差两个参数确定了,该正态分布函数也就确定了),再然后就等于是参数都知道了,然后计算在x处的概率密度,即P(x│c)就知道了。

第三步,

1-3.png

中,p(ci)就是一个类别的占比,比如好瓜占西瓜总数的比例,根据第二步P(x│ci)也求出来了,再计算样本x下,哪个P(ci│x)最大即可。

3、注意点:

(1)拉普拉斯修正

用极大似然估计可能会出现所要估计的概率值为0的情况,(如纹理=“模糊”这个属性在训练样本中,从来没有“好瓜”,再进行连成计算时,不管其他属性是什么,分类结果都是好瓜=否,这显然不太合理),因此进行了“拉普拉斯修正”,加一个常数,一般为1。

具体公式为:
1-4.png

(2)连乘会造成下溢(数字越来越小),所以将其转化为对数似然,变成对数连加。

(3)半朴素贝叶斯

属性条件独立性假设,在现实任务中这个假设往往很难成立,于是,人们尝试对其进行一定程度的放松,由此产生了“半朴素贝叶斯分类器”的学习方法,其中最常用的策略是“独依赖估计”,所谓“独依赖”就是假设每个属性在类别之外最多仅依赖一个其他属性。

4、总结

(1)对于分类而言,有时候“使用概率”要比“使用硬规则”更为有效。

(2)朴素贝叶斯常用于文本分类,比如判断是不是垃圾邮件或恶意发言。每一个单词作为一个特征,出现有否,作为0-1。最后是不是垃圾邮件也是0-1.

2、Python3中sklearn.naive_bayes的代码实现

2.1 sklearn关于朴素贝叶斯的算法概述

在scikit-learn中,一共有3个朴素贝叶斯的分类算法类。分别是GaussianNB,MultinomialNB和BernoulliNB。
GaussianNB就是先验为高斯分布的朴素贝叶斯,
MultinomialNB就是先验为多项式分布的朴素贝叶斯,
BernoulliNB就是先验为伯努利分布的朴素贝叶斯。

这三个类适用的分类场景各不相同,一般来说:
如果样本特征的分布大部分是连续值,使用GaussianNB会比较好。
如果样本特征的分布大部分是多元离散值,使用MultinomialNB比较合适。
如果样本特征是二元离散值或者很稀疏(即各个特征出现概率很低)的多元离散值,应该使用BernoulliNB。

2.2 sklearn.naive_bayes.BernoulliNB(伯努利分布、二元离散)

sklearn.naive_bayes.BernoulliNB(alpha=1.0, binarize=0.0, fit_prior=True, class_prior=None)

alpha,浮点型,可选,默认值为1.0。这从参数的作用是设置拉普拉斯修正(平滑)的数值。如果发现拟合的不好,需要调优时,可以选择稍大于1或者稍小于1的数。

binarize,浮点型或者None,可选,默认值是0.0
这个参数主要是用来帮BernoulliNB处理二项分布的,可以是数值或者不输入。如果不输入,则BernoulliNB认为每个数据特征都已经是二元的。否则的话,小于binarize的会归为一类,大于binarize的会归为另外一类。
(这里是参考刘建平博客里的说法,None代表的是不输入吗?但是它的默认值是0啊)

fit_prior,布尔型,可选,默认值是True
这个参数是设置表示是否要考虑先验概率(即各个类别的分布概率)。
如果是false,则所有的样本类别输出都有相同的类别先验概率。
如果是true,则可以自己用第三个参数class_prior输入先验概率。此时,如果不输入第三个参数class_prior,则让MultinomialNB自己从训练集样本来计算先验概率,此时的先验概率为P(Y=Ck)=mk/m。其中m为训练集样本总数量,mk为输出为第k类别的训练集样本数。

class_prior,array数组型,可选,默认值是None
这个参数是在需要考虑先验概率的情况下,人为设置先验概率,默认为None时,模型自己计算,否则,就自己输入一个表示各个类别分布概率的数组。

2.3 sklearn.naive_bayes.MultinomialNB(多项式分布、多元离散)

sklearn.naive_bayes.MultinomialNB(alpha=1.0, fit_prior=True, class_prior=None)
alpha,浮点型,可选,默认值为1.0。这从参数的作用是设置拉普拉斯修正(平滑)的数值。如果发现拟合的不好,需要调优时,可以选择稍大于1或者稍小于1的数。

fit_prior,布尔型,可选,默认值是True
这个参数是设置表示是否要考虑先验概率(即各个类别的分布概率)。
如果是false,则所有的样本类别输出都有相同的类别先验概率。
如果是true,则可以自己用第三个参数class_prior输入先验概率。此时,如果不输入第三个参数class_prior,则让MultinomialNB自己从训练集样本来计算先验概率,此时的先验概率为P(Y=Ck)=mk/m。其中m为训练集样本总数量,mk为输出为第k类别的训练集样本数。

class_prior,array数组型,可选,默认值是None
这个参数是在需要考虑先验概率的情况下,人为设置先验概率,默认为None时,模型自己计算,否则,就自己输入一个表示各个类别分布概率的数组。

2.4 sklearn.naive_bayes.GaussianNB(高斯分布、连续值)

sklearn.naive_bayes.GaussianNB(priors=None)

-priors,设置先验概率, 这个值默认为None,如果不给出此时P(Y=Ck)=mk/m。其中m为训练集样本总数量,mkmk为输出为第k类别的训练集样本数。如果给出的话就以priors 为准。

2.5 预测方法

在进行fit样本数据,训练完模型后, 有三种预测方法:
-predict 方法就是我们最常用的预测方法,直接给出测试集的预测类别输出。

-predict_proba 则不同,它会给出测试集样本在各个类别上预测的概率。容易理解,predict_proba预测出的各个类别概率里的最大值对应的类别,也就是predict方法得到类别。

-predict_log_prob,会给出测试集样本在各个类别上预测的概率的一个对数转化。转化后predict_log_proba预测出的各个类别对数概率里的最大值对应的类别,也就是predict方法得到类别。

2.6 一个简单的例子
import numpy as np
X = np.array([[-1, -1], [-2, -1], [-3, -2], [1, 1], [2, 1], [3, 2]])
Y = np.array([1, 1, 1, 2, 2, 2])
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB
clf = GaussianNB()  #拟合数据
clf.fit(X,Y)
print(clf.predict([[-0.8, -1]]))
print(clf.predict_proba([[-0.8, -1]]))
print(clf.predict_log_proba([[-0.8, -1]]))

[1]
[[  9.99999949e-01   5.05653254e-08]]
[[ -5.05653266e-08  -1.67999998e+01]]

参考:sklearn.naive_bayes的官方说明

参考文献

刘建平博客中关于朴素贝叶斯的部分:
朴素贝叶斯算法原理小结
scikit-learn 朴素贝叶斯类库使用小结

以及sklearn朴素贝叶斯类库使用小结,详细介绍了三种朴素贝叶斯模型中,各个参数的含义。

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