机器学习(10)之趣味案例理解朴素贝叶斯

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01

病人分类的例子

让我从一个例子开始讲起,你会看到贝叶斯分类器很好懂,一点都不难。某个医院早上收了六个门诊病人,如下表。

症状

职业

疾病

打喷嚏

护士

感冒

打喷嚏

农夫

过敏

头疼

建筑工人

脑震荡

头疼

建筑工人

感冒

打喷嚏

教师

感冒

头疼

教师

脑震荡

现在又来了第七个病人,是一个打喷嚏的建筑工人。请问他患上感冒的概率有多大? 根据贝叶斯定理:

P(A|B) = P(B|A) P(A) / P(B)
可得:
P(感冒|打喷嚏x建筑工人) 
    = P(打喷嚏x建筑工人|感冒) x P(感冒) 
    / P(打喷嚏x建筑工人)

假定"打喷嚏"和"建筑工人"这两个特征是独立的,因此,上面的等式就变成了

P(感冒|打喷嚏x建筑工人) 
    = P(打喷嚏|感冒) x P(建筑工人|感冒) x P(感冒)
    / P(打喷嚏) x P(建筑工人)

这是可以计算的。

P(感冒|打喷嚏x建筑工人) 
    = 0.66 x 0.33 x 0.5 / 0.5 x 0.33 
    = 0.66

因此,这个打喷嚏的建筑工人,有66%的概率是得了感冒。同理,可以计算这个病人患上过敏或脑震荡的概率。比较这几个概率,就可以知道他最可能得什么病。 这就是贝叶斯分类器的基本方法:在统计资料的基础上,依据某些特征,计算各个类别的概率,从而实现分类。

02

朴素贝叶斯分类器的公式

假设某个体有n项特征(Feature),分别为F1、F2、...、Fn。现有m个类别(Category),分别为C1、C2、...、Cm。贝叶斯分类器就是计算出概率最大的那个分类,也就是求下面这个算式的最大值:

P(C|F1F2...Fn) 
  = P(F1F2...Fn|C)P(C) / P(F1F2...Fn)

由于 P(F1F2...Fn) 对于所有的类别都是相同的,可以省略,问题就变成了求

   P(F1F2...Fn|C)P(C)

的最大值。

朴素贝叶斯分类器则是更进一步,假设所有特征都彼此独立,因此

P(F1F2...Fn|C)P(C) 
  = P(F1|C)P(F2|C) ... P(Fn|C)P(C)

上式等号右边的每一项,都可以从统计资料中得到,由此就可以计算出每个类别对应的概率,从而找出最大概率的那个类。

虽然"所有特征彼此独立"这个假设,在现实中不太可能成立,但是它可以大大简化计算,而且有研究表明对分类结果的准确性影响不大。

下面再通过两个例子,来看如何使用朴素贝叶斯分类器。

03

账号分类

根据某社区网站的抽样统计,该站10000个账号中有89%为真实账号(设为C0),11%为虚假账号(设为C1)。接下来,就要用统计资料判断一个账号的真实性。

 C0 = 0.89
 C1 = 0.11

假定某一个账号有以下三个特征

F1: 日志数量/注册天数 
F2: 好友数量/注册天数 
F3: 是否使用真实头像(真实头像为1,非真实头像为0)
F1 = 0.1 
F2 = 0.2 
F3 = 0

请问该账号是真实账号还是虚假账号?方法是使用朴素贝叶斯分类器,计算下面这个计算式的值。

P(F1|C)P(F2|C)P(F3|C)P(C)

虽然上面这些值可以从统计资料得到,但是这里有一个问题:F1和F2是连续变量,不适宜按照某个特定值计算概率。一个技巧是将连续值变为离散值,计算区间的概率。比如将F1分解成[0, 0.05]、(0.05, 0.2)、[0.2, +∞]三个区间,然后计算每个区间的概率。在我们这个例子中,F1等于0.1,落在第二个区间,所以计算的时候,就使用第二个区间的发生概率。

根据统计资料,可得:

P(F1|C0) = 0.5, P(F1|C1) = 0.1 
P(F2|C0) = 0.7, P(F2|C1) = 0.2 
P(F3|C0) = 0.2, P(F3|C1) = 0.9

因此

P(F1|C0) P(F2|C0) P(F3|C0) P(C0) 
   = 0.5 x 0.7 x 0.2 x 0.89 
   = 0.0623
P(F1|C1) P(F2|C1) P(F3|C1) P(C1) 
   = 0.1 x 0.2 x 0.9 x 0.11 
   = 0.00198

可以看到,虽然这个用户没有使用真实头像,但是他是真实账号的概率,比虚假账号高出30多倍,因此判断这个账号为真。

04

性别分类

下面是一组人类身体特征的统计资料。

性别

身高(英尺)

体重(磅)

脚掌(英寸)

6

180

12

5.92

190

11

5.58

170

12

5.92

165

10

5

100

6

5.5

150

8

5.42

130

7

mv

5.75

150.9

9

已知某人身高6英尺、体重130磅,脚掌8英寸,请问该人是男是女?根据朴素贝叶斯分类器,计算下面这个式子的值。

P(身高|性别) x P(体重|性别) x P(脚掌|性别) x P(性别)

这里的困难在于,由于身高、体重、脚掌都是连续变量,不能采用离散变量的方法计算概率。而且由于样本太少,所以也无法分成区间计算。怎么办?这时,可以假设男性和女性的身高、体重、脚掌都是正态分布,通过样本计算出均值和方差,也就是得到正态分布的密度函数。有了密度函数,就可以把值代入,算出某一点的密度函数的值。比如,男性的身高是均值5.855、方差0.035的正态分布。所以,男性的身高为6英尺的概率的相对值等于1.5789(大于1并没有关系,因为这里是密度函数的值,只用来反映各个值的相对可能性)。

有了这些数据以后,就可以计算性别的分类了。

P(身高=6|男) x P(体重=130|男) x P(脚掌=8|男) x P(男) 
    = 6.1984 x e-9
P(身高=6|女) x P(体重=130|女) x P(脚掌=8|女) x P(女) 
    = 5.3778 x e-4

可以看到,女性的概率比男性要高出将近10000倍,所以判断该人为女性。

原文发布于微信公众号 - 机器学习算法与Python学习(guodongwei1991)

原文发表时间:2017-08-11

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