• 朴素贝叶斯模型: 本质是求2种参数(即概率)的估计问题


    NB模型概率估计很差,但分类效果很好。

    朴素贝叶斯是产生模型,所以是要求联合概率的。

    建立 NB分类器有两种不同的方法:一种多项式NB模型,它在文档的每个位置上生成词表中的一个词项。(推荐使用)

    另外一种方法是多元贝努利模型(multivariate Bernoulli model)或者直接称为贝努利模型 。(该模型常出错,不推荐使用) 

    小规律小结 

    小结1:贝叶斯模型里,只要是求条件概率:p(x|y) ,即是已知隐变量类别y条件下   求可见变量x的概率      一般是可直接一步得出,     从训练集求得的,用词频相除即可求。

    小结2:多项式模型  P(d|c) = P(<t1, …, tk , … , tnd >|c),

      贝努利模型 P(d|c) = P(<e1, … , ei , … , eM>|c)。

    其中,< t1,… , tnd >是在d中出现的词项序列(当然要去掉那些从词汇表中去掉的词,如停用词)
    <e1,… , ei , … , eM>是一个M维的布尔向量,表示每个词项在文档d中存在与否。


    一、 多项式NB(multinomial NB)模型

    给出文档d,求类别c:                        (贝叶斯总式)

    实际是求出分子即可,分母对y=1和y=0都一样。(如果是比较哪个概率大,是属于垃圾邮件概率大还是非垃圾的概率大,则分母不用求,只需比较分子即可,但下面演示例子里还是回求出分母,这样可以精确求出概率值)

    对上面贝叶斯总式:1 ≤ k<nd计算其对应的条件概率的乘积,这可能会导致浮点数下界溢出。

    因此,更好的方法是引入对数,从而将原公式 的计算转变成多个概率的对数之和。由于log(xy) = log(x) + log(y),且log是单调递增函数,因 此具有较高概率对数值的类别就是最有可能的类别。因此,大多数 NB 在实现时所求的最大值 实际是

    该公式选择最可能的类别作为最终的类别。

    最终贝叶斯问题转换成参数估计问题:

    如何估计参数p(c) 及 p(tk|c)  ? 

    有:  其中,Nc是训练集合中c类所包含的文档数目,而N是训练集合中的文档总数。

      (意思 为 t在c类文档中出现的相对频率:) 

     Tct是 单词t在训练集合 c类文档中出现的次数 (即在文档的词频)。B = |V| 是词汇表中所有词项的数目。分母第一项是指类别c文档的总长度(以单词为单位)

    详情review《信息检索导论》对应章节!!!!


    二、 贝努利模型 

     对于词汇表中的每个词项都对应一个二值变量,1和 0分别表示词项在文档中出现和不出现。

    实例:垃圾邮件

    我们最终要求的是给出某些样本x,求这些样本的类型y:(如,给出样本为邮件的所有包含单词X,求出这邮件是否为垃圾邮件y的概率)

    这里假设y只有0或者1取值,1表示垃圾邮件,0非垃圾邮件。则我们最终要求的是:

    对于上式,分子,i表示样本(邮件)里第i个单词,n表示一共n个单词。

    因为分母一样,所以只需求分子:

      (简化后,贝叶斯总共需求的公式)

    这里涉及了2个概率,其实是可以一步直接求的,必须要再转换公式了!:

    设p(xi = 1| y =1) = ∅i|y=1       (xi这里取值只有1或者0,表示出现或没出现,这个概率表示类别为1的垃圾邮件会出现单词xi的概率)

     p(y=1) =∅y                 (表示在所有邮件里,垃圾邮件的概率是多少,其实就是垃圾邮件数目/总邮件数目)

    把上面等式左右调换,变如下:

    ( 其中第二条公式表示y=0即非垃圾邮件出现单词Xi的概率)

    所以将上面三种情况的概率都转换成了统一∅参数表示。

    所以我们上面简化后的总式只需要求

    三个参数最大值,即三个概率最大值。

        即: =                          (关键公式L)

          =   或  (这步是这样吗??)

    所以三个参数(三个概率值)可以用下面等式直接算出: 

     =   

    这里m表示样本有m个,即有m封邮件,i表示第i封邮件。

    规律小结:贝叶斯模型里,只要是求条件概率:p(x|y) ,即是已知隐变量类别y条件下求可见变量x的概率 一般是可以直接从训练集求得的,用词频相除即可求。

    进而对上面三个式子继续拉普平滑,分子分母加常数:

    即:分子+1(防止新出现的词在训练集没出现过) , 分母+k  (这里z即是上面所有公式的y;k是指类别y的取值范围{1,2,...k}

     特别地,对垃圾邮件而言:k=2,因为y只有0或者1 取值,所以

    上面三个参数改成:

    =

                    

    以上是:文本分类的朴素贝叶斯模型, 为多值伯努利事件模型 。在这个模型中,我们首先随机选定了邮件的类(垃圾或者普通邮件,也就是 p(y))
     然后一个人翻阅词典,从第一个词到最后一个词,随机决定一个词是否要在邮件中出现,出现标示为1,否则标示为0。然后将出现的词组成 一封邮件。决定一个词是否出现依照概率 p(xi|y)。那么这封邮件的概率可以标示为 =

      或 

    ===========================================================================

    下面以另外一种思路求文本分类,还是以邮件为例:

    这次不先从词典入手,而是选择从邮件入手。

    让j表示邮件中的第j个词,xj表示这个词在字典中的位置,那么xj取值范围为{1,2,…|V|},|V|是字典中词 的数目。这样一封邮件可以表示成(X1,X2,X3,....,Xn),n可以变化,因为每封信的个数不同。

    然后我们对于每个xi随机从|V|个值中取一个,这样就形成了一封邮件。这相当 于重复投掷|V|面的骰子,将观察值记录下来就形成了一封邮件。

    当然每个面的概率服从p(xj|y),而且每次试验条件独立。这样我们得到的邮件概率是

    居然跟上面的多值伯努利模型一样,那么不同点在哪呢?

    注意第一个多值伯努利模型的n是字典中的全部的词,下面这个n是邮件中的词个数。

    上面多值伯努利模型xj表示一个词是否出现,只有0和1两个值,两者概率和为1。下面的 xi=xj表示|V|中的一个值,|V|个p(xi|y)相加和为1。是多值二项分布模型。

    上面多值伯努利模型的x向量都是 0/1值,下面的x的向量都是字典中的位置。

    ----------------------------- 

    总之,变量表示:V是字典词数,n是邮件词数,m表示m个样本(邮件),i表示第i个样本。X(i)表示一封邮件,Xj是指向词典的索引。如果词典有5000个词,则j范围是0到5000

    ,这里x^(i)表示第i封邮件(样本),其中共有ni个词,如果一封邮件有300个词,那邮件里有300个Xj^(i)个单词,

    每个词在字典中的编号为 。  如果词典有5000个词,则xj范围是0到5000,

    则最大似然估计公式依然同上(L式),复制过来即可:

     =     

        (细化成两个 连乘 号)

    三个概率是:

    拉普平滑后:

    表示每个k值至少发生过一次。

    与多值伯努利模型的式子相比,分母多了个ni,分子Xj由原来0/(1表示有没有出现在邮件里 ),变成了k(表示单词k) 。

    例如:对第一个公式 phi(k|y=1)解释为:

      分子是,对训练集合中所有垃圾邮件中词k出现的次数

      分母是 对所有训练集合进行求和,如果其中一个样本是垃圾邮件,则将它的长度加起来

      所以分母意思是,训练集合中所有垃圾邮件的总长(即垃圾邮件的总件数(即邮件为单位,非以单词为单词))

      所以这个比值的含义是 在所有垃圾邮件中 词k 所占的比例。

      而在上面多值伯努利模型,这个公式意思是在垃圾邮件出现这个单词的概率。

    例子:

     a     b        c   

      图的列分别是a,b,c词。 行是邮件,一共4行,所以一共4封邮件。(矩阵里的权值是什么意思??

    假如邮件中只有a,b,c这三词,他们在词典的位置分别是1,2,3,前两封邮件都只有2 个词,后两封有3个词。 Y=1是垃圾邮件。 那么, 

    有错吧???

      解释上面答案:phi(k=1,2,3|y=1)的分母都是2+3,因为V=3,表示只有3个词。垃圾邮件一共2封(不是计算垃圾邮件单词数吗),所以为2.所以是2+3。分子是什么意思


    假如新来一封邮件为b,c那么特征表示为{2,3}。

    所以非垃圾邮件概率为0.4,所以这封新邮件自然被确定为垃圾邮件了

    注意这个公式与朴素贝叶斯的不同在于这里针对整体样本求的 phi(k|y=1),

    而朴素贝叶斯里面针对每个特征求的phi(xj=1|y=1),而且这里的特征值维度是参差不齐的。


    三、贝叶斯模型和LDA主题模型 比较

    LDA主体模型是基于贝叶斯模型的,主要求的是:(见 LDA naive .pdf)

    1.文档m属于哪个topic的概率?(符合Dir分布)

    2.每个topic 产生档次Wj的概率 ? (符合Dir分布)

    举例:

    文档1的第一个word,即bank这个词来评价 P(z=topic|w=bank,doc=1) ,

    即求 P(z=topic|w=bank)

    =p(w|z)p(z=topic) / p(w=bank)                                   

    因为分母p(w=bank)对任何topic  该值都是一样的: 即如此式的分母一样,是对分子逐个y遍历相加 ;故可忽略

    故只需求p(w|z)p(z=topic)值了。

    其中p(z=topic) 即先验概率,若是贝叶斯理论,则可以一步得出结果:即此式,即用z=topic的文档数/所有topic文档数

    但贝叶斯模型是监督学习的,它是有训练集的,所以上面公式可以直接根据训练集求出值,但是LDA模型 是聚类,是非监督,没有训练集,所以无法用上面式子,

    且p(z =topic )是符合Dir分布, 所以:

    而求p(w|z)p(z=topic) 也并非用贝叶斯公式直接可求:

    而是根据Dir分布:

     


    四、代码

    最后附两个NB方法伪代码:

               


     五、两个模型例子比较:

    多项式解法:

      伯努利模型解法:      

    伯努利模型里的p(chinese|c)分子是3+1,3是因为有三个文档出现了chinese单词。 

    总之,这个模型比较

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