机器学习-朴素贝叶斯

Posted 2020-11-16 starstrrys

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1. 贝叶斯公式是机器学习中常用的计算方法，例如，甲射中靶标的概率是0.4，乙射中靶标的概率是0.8，现在有个人中靶了，问问是甲射中的概率。这非常好计算，P=0.4/(0.8+0.4)=0.33，这是贝叶斯公式的基本应用，具体的贝叶斯公式如下：

2.《机器学习实战》中的贝叶斯实现：

略有修改，已经在本地电脑通过测试，可以运行

import numpy as np
#-_-_-_-_-_-
dataset=[['my', 'dog', 'has', 'flea', 'problems', 'help', 'please'],
                 ['maybe', 'not', 'take', 'him', 'to', 'dog', 'park', 'stupid'],
                 ['my', 'dalmation', 'is', 'so', 'cute', 'I', 'love', 'him'],
                 ['stop', 'posting', 'stupid', 'worthless', 'garbage'],
                 ['mr', 'licks', 'ate', 'my', 'steak', 'how', 'to', 'stop', 'him'],
                 ['quit', 'buying', 'worthless', 'dog', 'food', 'stupid']]
classVec = [0,1,0,1,0,1]

#将出现的所有单词放在一个列表中,再将列表转为集合，（调用的时候再转化为列表）
def createVocabList(dataSet0):
    vocalist=[]
    for i in dataSet0:
        for d in i :
            vocalist.append(d)
    return set(vocalist)
#将数据转为向量，类似于one_hot编码
def setOfWords2Vec(vocabList, inputSet):
    temp_vector=np.zeros((len(vocabList)))
    for i in inputSet:
        if i in vocabList:
            temp_vector[vocabList.index(i)]=1
    return temp_vector

##核心部分，训练算法
#输入 trainMatrix [[0,1 0.....],[0.1,1,1 0......],....]
# 输入trainCategory,标签[0,1,0,1,0,1]
# classifyNB函数会用到贝叶斯公式p(c|w)=p(c)p(w|c)/p(w)
# p(c)比较容易求
#
def trainNB0(trainMatrix,trainCategory):
    numTrainDocs = len(trainMatrix)
    numWords = len(trainMatrix[0])
    pAbusive = sum(trainCategory)/float(numTrainDocs) #p(c)
    #这里之所以不初始为0，是因为p(w|c),可以看成p(w0,w1,w2...|c)
    #如果假设特征之间相互独立，则写成
    #p(w0|ci)p(w1|ci)p(w2|ci)...p(wN|ci)
    #所以为了防止其中一个为0，导致整体概率为0，须将数值初始化为1，分母初始为2
    p0Num = np.ones(numWords); p1Num = np.ones(numWords)      #change to ones()
    p0Denom = 2.0; p1Denom = 2.0                        #change to 2.0
    for i in range(numTrainDocs):
        if trainCategory[i] == 1:
            p1Num += trainMatrix[i]
            p1Denom += sum(trainMatrix[i])
        else:
            p0Num += trainMatrix[i]
            p0Denom += sum(trainMatrix[i])
    #Python在很多小数相乘的时候，会产生下溢，因为精度不够，所以改成log
    p1Vect = np.log(p1Num/p1Denom)          #change to log()
    p0Vect = np.log(p0Num/p0Denom)          #change to log()
    return p0Vect,p1Vect,pAbusive

#核心算法，利用贝叶斯进行分类
def classifyNB(vec2Classify, p0Vec, p1Vec, pClass1):
#  因为在训练的时候转成了log，所以乘法变加法log(a*b)=log(a)+log(b)
    p1 = sum(vec2Classify * p1Vec) + np.log(pClass1)  #分母一样，故把分母省略了
    p0 = sum(vec2Classify * p0Vec) + np.log(1.0 - pClass1)
    if p1 > p0:
        return 1
    else:
        return 0
if __name__=='__main__':
    temp_set=createVocabList(dataset)
    word_list=list(temp_set)
    trainmatrix=[]
    for item in dataset:
        temp_vector=setOfWords2Vec(word_list,item)
        trainmatrix.append(temp_vector)
    p0Vect, p1Vect, pAbusive=trainNB0(trainmatrix,classVec)
    #这是我测试用的，如果输出为0，就是正确的
    #这个test向量对应的是我自己设置的词列表['cute','love']
    test=np.zeros(len(word_list))
    test[0]=1
    test[1]=1
    b=classifyNB(test,p0Vect,p1Vect,pAbusive)
    print(b)
#输出为0，符合预期

3. sklearn中的贝叶斯实现：
查看了一下sklearn源代码，GaussianNB主要部分如下所示：

def _joint_log_likelihood(self, X):
        check_is_fitted(self, "classes_")

        X = check_array(X)
        joint_log_likelihood = []
        for i in range(np.size(self.classes_)):
        #####这一部分和上边的classifyNB函数代码大同小异--------
            jointi = np.log(self.class_prior_[i])
            n_ij = - 0.5 * np.sum(np.log(2. * np.pi * self.sigma_[i, :]))
            n_ij -= 0.5 * np.sum(((X - self.theta_[i, :]) ** 2) /
                                 (self.sigma_[i, :]), 1)
            joint_log_likelihood.append(jointi + n_ij)
        #####-------------------------------------------------
        joint_log_likelihood = np.array(joint_log_likelihood).T
        return joint_log_likelihood

上述的源代码只不过是令公式中的：

实际应用也非常简单，这个分类一般应用于连续的，符合正态分布的数据上，除此之外，还有一个MultinomialNB，这个一般应用于离散的数据上.这个贝叶斯分类的对应的公式是：

他包含三个参数
alpha：即为上面的常数λ，默认为1，设置的时候稍大于1或者稍小于1
fit_prior：是否考虑先验概率
class_prior：即贝叶斯公式中的P(C),在fit_prior为true的情况下，如果不填这个参数，他会从样本中计算.