貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)：經(jīng)典模型與代碼實(shí)現(xiàn)

貝葉斯定理是概率模型中最著名的理論之一，在機(jī)器學(xué)習(xí)中也有著廣泛的應(yīng)用。基于貝葉斯理論常用的機(jī)器學(xué)習(xí)概率模型包括樸素貝葉斯和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。本章在對貝葉斯理論進(jìn)行簡介的基礎(chǔ)上，分別對樸素貝葉斯和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)并給出相應(yīng)的代碼實(shí)現(xiàn)，針對樸素貝葉斯模型，本章給出其NumPy和sklearn的實(shí)現(xiàn)方法，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)則是借助于pgmpy。

貝葉斯理論簡介

自從Thomas Bayes于1763年發(fā)表了那篇著名的《論有關(guān)機(jī)遇問題的求解》一文后，以貝葉斯公式為核心的貝葉斯理論自此發(fā)展起來。貝葉斯理論認(rèn)為任意未知量都可以看作為一個(gè)隨機(jī)變量，對該未知量的描述可以用一個(gè)概率分布來概括，這是貝葉斯學(xué)派最基本的觀點(diǎn)。當(dāng)這個(gè)概率分布在進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)或者抽樣前就已確定，便可將該分布稱之為先驗(yàn)分布，再結(jié)合由給定數(shù)據(jù)集X計(jì)算樣本的似然函數(shù)后，即可應(yīng)用貝葉斯公式計(jì)算該未知量的后驗(yàn)概率分布。經(jīng)典的貝葉斯公式表達(dá)如下：

上式左邊為后驗(yàn)分布，右邊分母為邊緣分布，其排除了任何有關(guān)未知量的信息，因此貝葉斯公式的等價(jià)形式可以寫作為：

上式可以歸納出貝葉斯公式的本質(zhì)就是基于先驗(yàn)分布和似然函數(shù)的統(tǒng)計(jì)推斷。其中先驗(yàn)分布的選擇與后驗(yàn)分布的推斷是貝葉斯領(lǐng)域的兩個(gè)核心問題。先驗(yàn)分布的選擇目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的先驗(yàn)分布對后驗(yàn)計(jì)算的準(zhǔn)確度有很大的影響，這也是貝葉斯領(lǐng)域的研究熱門之一；后驗(yàn)分布曾因復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式和高維數(shù)值積分使得后驗(yàn)推斷十分困難，而后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)值技術(shù)使得這些問題得以解決，貝葉斯理論又重新煥發(fā)活力。

與機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合正是貝葉斯理論的主要應(yīng)用方向。樸素貝葉斯理論是一種基于貝葉斯理論的概率分類模型，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種將貝葉斯理論應(yīng)用到概率圖中的分類模型。

樸素貝葉斯

樸素貝葉斯原理與推導(dǎo)

樸素貝葉斯是基于貝葉斯定理和特征條件獨(dú)立假設(shè)的分類算法。具體而言，對于給定的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，樸素貝葉斯先基于特征條件獨(dú)立假設(shè)學(xué)習(xí)輸入和輸出的聯(lián)合概率分布，然后對于新的實(shí)例，利用貝葉斯定理計(jì)算出最大的后驗(yàn)概率。樸素貝葉斯不會(huì)直接學(xué)習(xí)輸入輸出的聯(lián)合概率分布，而是通過學(xué)習(xí)類的先驗(yàn)概率和類條件概率來完成。樸素貝葉斯的概率計(jì)算公式如圖1所示。

圖1 樸素貝葉斯基本公式

樸素貝葉斯中樸素的含義，即特征條件獨(dú)立假設(shè)，條件獨(dú)立假設(shè)就是說用于分類的特征在類確定的條件下都是條件獨(dú)立的，這一假設(shè)使得樸素貝葉斯的學(xué)習(xí)成為可能。假設(shè)輸入特征向量為X，輸出為類標(biāo)記隨便變量Y，P(X,Y)為X和Y的聯(lián)合概率分布，T為給定訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。樸素貝葉斯基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集來學(xué)習(xí)聯(lián)合概率分布P(X,Y)。具體地，通過學(xué)習(xí)類先驗(yàn)概率分布和類條件概率分布來實(shí)現(xiàn)。

樸素貝葉斯學(xué)習(xí)步驟如下。先計(jì)算類先驗(yàn)概率分布：

其中Ck表示第k個(gè)類別，yi表示第i個(gè)樣本的類標(biāo)記。類先驗(yàn)概率分布可以通過極大似然估計(jì)得到。

然后計(jì)算類條件概率分布：

直接對P(X=x|Y=Ck)進(jìn)行估計(jì)不太可行，因?yàn)閰?shù)量太大。但是樸素貝葉斯的一個(gè)最重要的假設(shè)就是條件獨(dú)立性假設(shè)，即：

有了條件獨(dú)立性假設(shè)之后，便可基于極大似然估計(jì)計(jì)算類條件概率。

類先驗(yàn)概率分布和類條件概率分布都計(jì)算得到之后，基于貝葉斯公式即可計(jì)算類后驗(yàn)概率：

代入類條件計(jì)算公式，有：

基于上式即可學(xué)習(xí)一個(gè)樸素貝葉斯分類模型。給定新的數(shù)據(jù)樣本時(shí)，計(jì)算其最大后驗(yàn)概率即可：

其中，分母對于所有的都是一樣的，所以上式可進(jìn)一步簡化為：

以上就是樸素貝葉斯分類模型的簡單推導(dǎo)過程。

基于NumPy的樸素貝葉斯實(shí)現(xiàn)

本節(jié)我們基于NumPy來實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單樸素貝葉斯分類器。樸素貝葉斯因?yàn)闂l件獨(dú)立性假設(shè)變得簡化，所以實(shí)現(xiàn)思路也較為簡單，這里我們就不給出實(shí)現(xiàn)的思維導(dǎo)圖了。根據(jù)前述推導(dǎo)，關(guān)鍵在于使用極大似然估計(jì)方法計(jì)算類先驗(yàn)概率分布和類條件概率分布。

我們直接定義樸素貝葉斯模型訓(xùn)練過程，如代碼1所示。

def nb_fit(X, y):    classes = y[y.columns[0]].unique()    class_count = y[y.columns[0]].value_counts()    class_prior = class_count/len(y)        prior = dict()    for col in X.columns:        for j in classes:            p_x_y = X[(y==j).values][col].value_counts()            for i in p_x_y.index:                prior[(col, i, j)] = p_x_y[i]/class_count[j]    return classes, class_prior, prior

在代碼1中，給定數(shù)據(jù)輸入和輸出均為Pandas數(shù)據(jù)框格式，先對標(biāo)簽類別數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以此基于極大似然估計(jì)計(jì)算類先驗(yàn)分布。然后對數(shù)據(jù)特征和類別進(jìn)行循環(huán)遍歷，計(jì)算類條件概率。

式（10）作為樸素貝葉斯的核心公式，接下來我們需要基于式（10）和nb_fit函數(shù)返回的類先驗(yàn)概率和類條件概率來編寫樸素貝葉斯的預(yù)測函數(shù)。樸素貝葉斯的預(yù)測函數(shù)如代碼2所示。

def predict(X_test):    res = []    for c in classes:        p_y = class_prior[c]        p_x_y = 1        for i in X_test.items():            p_x_y *= prior[tuple(list(i)+[c])]        res.append(p_y*p_x_y)    return classes[np.argmax(res)]

代碼2中定義了樸素貝葉斯的預(yù)測函數(shù)。以測試樣本X_test作為輸入，初始化結(jié)果列表并獲取當(dāng)前類的先驗(yàn)概率，對測試樣本字典進(jìn)行遍歷，先計(jì)算類條件概率的連乘，然后計(jì)算先驗(yàn)概率與類條件概率的乘積。最后按照式（21.10）取argmax獲得最大后驗(yàn)概率所屬的類別。

最后，我們使用數(shù)據(jù)樣例對編寫的樸素貝葉斯代碼進(jìn)行測試。手動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)二分類的示例數(shù)據(jù)，并對其使用nb_fit進(jìn)行訓(xùn)練，如代碼3所示。

### 創(chuàng)建數(shù)據(jù)集并訓(xùn)練# 特征X1x1 = [1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,3,3,3,3,3]# 特征X2x2 = ['S','M','M','S','S','S','M','M','L','L','L','M','M','L','L']# 標(biāo)簽列表y = [-1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,1,1,1,1,1,1,-1]# 形成一個(gè)pandas數(shù)據(jù)框df = pd.DataFrame({'x1':x1, 'x2':x2, 'y':y})# 獲取訓(xùn)練輸入和輸出X, y = df[['x1', 'x2']], df[['y']]# 樸素貝葉斯模型訓(xùn)練classes, class_prior, prior_condition_prob = nb_fit(X, y)print(classes, class_prior, prior_condition_prob)

圖2 代碼21-3輸出截圖

在代碼3中，我們基于列表構(gòu)建了Pandas數(shù)據(jù)框格式的數(shù)據(jù)集，獲取訓(xùn)練輸入和輸出并傳入樸素貝葉斯訓(xùn)練函數(shù)中，輸出結(jié)果如圖21.2所示?？梢钥吹剑瑪?shù)據(jù)標(biāo)簽包括是1/-1的二分類數(shù)據(jù)集，類先驗(yàn)概率分布為{1：0.6，-1：0.4}，各類條件概率如圖中所示。

最后，我們創(chuàng)建一個(gè)測試樣本，并基于nb_predict函數(shù)對其進(jìn)行類別預(yù)測，如下所示。

### 樸素貝葉斯模型預(yù)測X_test = {'x1': 2, 'x2': 'S'}print('測試數(shù)據(jù)預(yù)測類別為：', nb_predict(X_test))

輸出：

測試數(shù)據(jù)預(yù)測類別為：-1

最后模型將該測試樣本預(yù)測為負(fù)類。

基于sklearn的樸素貝葉斯實(shí)現(xiàn)

sklearn也提供了樸素貝葉斯的算法實(shí)現(xiàn)方式，sklearn為我們提供了不同似然函數(shù)分布的樸素貝葉斯算法實(shí)現(xiàn)方式。比如高斯樸素貝葉斯、伯努利樸素貝葉斯、多項(xiàng)式樸素貝葉斯等。我們以高斯樸素貝葉斯為例，高斯樸素貝葉斯即假設(shè)似然函數(shù)為正態(tài)分布的樸素貝葉斯模型。高斯樸素貝葉斯的似然函數(shù)如下式所示。

sklearn中高斯樸素貝葉斯的調(diào)用接口為sklearn.naive_bayes.GaussianNB，以iris數(shù)據(jù)集為例給出調(diào)用示例，如代碼4所示。

### sklearn高斯樸素貝葉斯示例# 導(dǎo)入相關(guān)庫from sklearn.datasets import load_irisfrom sklearn.model_selection import train_test_splitfrom sklearn.naive_bayes import GaussianNBfrom sklearn.metrics import accuracy_score# 導(dǎo)入數(shù)據(jù)集X, y = load_iris(return_X_y=True)# 數(shù)據(jù)集劃分X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.5, random_state=0)# 創(chuàng)建高斯樸素貝葉斯實(shí)例gnb = GaussianNB()# 模型擬合并預(yù)測y_pred = gnb.fit(X_train, y_train).predict(X_test)print("Accuracy of GaussianNB in iris data test:", accuracy_score(y_test, y_pred))

輸出：

Accuracy of GaussianNB in iris data test:0.9466666666666667

在代碼4中，先導(dǎo)入sklearn中樸素貝葉斯相關(guān)模塊，導(dǎo)入iris數(shù)據(jù)集并進(jìn)行訓(xùn)練測試劃分。然后創(chuàng)建高斯樸素貝葉斯模型實(shí)例，基于訓(xùn)練集進(jìn)行擬合并對測試集進(jìn)行預(yù)測，最后準(zhǔn)確率為0.947。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)原理與推導(dǎo)

樸素貝葉斯的最大的特點(diǎn)就是特征的條件獨(dú)立假設(shè)，但在現(xiàn)實(shí)情況下，條件獨(dú)立這個(gè)假設(shè)通常過于嚴(yán)格，在實(shí)際中很難成立。特征之間的相關(guān)性限制了樸素貝葉斯的性能，所以本節(jié)我們將繼續(xù)介紹一種放寬了條件獨(dú)立假設(shè)的貝葉斯算法，即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（bayesian network）。

我們先以一個(gè)例子進(jìn)行引入。假設(shè)我們需要通過頭像真實(shí)性、粉絲數(shù)量和動(dòng)態(tài)更新頻率來判斷一個(gè)微博賬號是否為真實(shí)賬號。各特征屬性之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 微博賬號屬性關(guān)系

圖3是一個(gè)有向無環(huán)圖（directed acyclic graph，DAG），每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)特征或者隨機(jī)變量，特征之間的關(guān)系則是用箭頭連線來表示，比如說動(dòng)態(tài)的更新頻率、粉絲數(shù)量和頭像真實(shí)性都會(huì)對一個(gè)微博賬號的真實(shí)性有影響，而頭像真實(shí)性又對粉絲數(shù)量有一定影響。但僅有各特征之間的關(guān)系還不足以進(jìn)行貝葉斯分析。除此之外，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)與之對應(yīng)的概率表。假設(shè)賬號是否真實(shí)和頭像是否真實(shí)有如下概率表：

圖4 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概率表

圖4是體現(xiàn)頭像和賬號是否真實(shí)的概率表。第一張概率表表示的是賬號是否真實(shí)，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)沒有父節(jié)點(diǎn)，可以直接用先驗(yàn)概率來表示，表示賬號真實(shí)與否的概率。第二張概率表表示的是賬號真實(shí)性對于頭像真實(shí)性的條件概率。比如說在頭像為真實(shí)頭像的條件下，賬號為真的概率為0.88。在有了DAG和概率表之后，我們便可以利用貝葉斯公式進(jìn)行定量的因果關(guān)系推斷。假設(shè)我們已知某微博賬號使用了虛假頭像，那么其賬號為虛假賬號的概率可以推斷為：

利用貝葉斯公式，我們可知在虛假頭像的情況下其賬號為虛假賬號的概率為0.345。

通過上面的例子我們直觀的感受到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的用法。一個(gè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)通常由有向無環(huán)圖和節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的概率表組成。其中DAG由節(jié)點(diǎn)（node）和有向邊（edge）組成，節(jié)點(diǎn)表示特征屬性或隨機(jī)變量，有向邊表示各變量之間的依賴關(guān)系。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要性質(zhì)是：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)概率分布確定之后，該節(jié)點(diǎn)條件獨(dú)立于其所有的非直接父節(jié)點(diǎn)。這個(gè)性質(zhì)方便于我們計(jì)算變量之間的聯(lián)合概率分布。

一般來說，多變量非獨(dú)立隨機(jī)變量的聯(lián)合概率分布計(jì)算公式如下：

有了節(jié)點(diǎn)條件獨(dú)立性質(zhì)之后，上式可以簡化為：

當(dāng)由DAG表示節(jié)點(diǎn)關(guān)系和概率表確定后，相關(guān)的先驗(yàn)概率分布、條件概率分布就能夠確定，然后基于貝葉斯公式，我們就可以使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推斷。

借助于pgmpy的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

本小節(jié)基于pgmpy來構(gòu)造貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行建模訓(xùn)練。pgmpy是一款基于Python的概率圖模型包，主要包括貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和馬爾可夫蒙特卡洛等常見概率圖模型的實(shí)現(xiàn)以及推斷方法。

我們以學(xué)生獲得的推薦信質(zhì)量的例子來進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造。相關(guān)特征之間的DAG和概率表如圖5所示。

圖5 推薦信質(zhì)量的DAG和概率表

由圖5可知，考試難度、個(gè)人聰明與否都會(huì)影響到個(gè)人成績，另外個(gè)人天賦高低也會(huì)影響到SAT分?jǐn)?shù)，而個(gè)人成績好壞會(huì)直接影響到推薦信的質(zhì)量。下面我們直接來用pgmpy實(shí)現(xiàn)上述貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。

（1）構(gòu)建模型框架，指定各變量之間的關(guān)系。如代碼5所示。

# 導(dǎo)入pgmpy相關(guān)模塊from pgmpy.factors.discrete import TabularCPDfrom pgmpy.models import BayesianModelletter_model = BayesianModel([('D', 'G'),                               ('I', 'G'),                               ('G', 'L'),                               ('I', 'S')])

（2）構(gòu)建各個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率分布，需要指定相關(guān)參數(shù)和傳入概率表，如代碼6所示。

# 學(xué)生成績的條件概率分布grade_cpd = TabularCPD(    variable='G', # 節(jié)點(diǎn)名稱    variable_card=3, # 節(jié)點(diǎn)取值個(gè)數(shù)    values=[[0.3, 0.05, 0.9, 0.5], # 該節(jié)點(diǎn)的概率表    [0.4, 0.25, 0.08, 0.3],    [0.3, 0.7, 0.02, 0.2]],    evidence=['I', 'D'], # 該節(jié)點(diǎn)的依賴節(jié)點(diǎn)    evidence_card=[2, 2] # 依賴節(jié)點(diǎn)的取值個(gè)數(shù))# 考試難度的條件概率分布difficulty_cpd = TabularCPD(            variable='D',            variable_card=2,            values=[[0.6], [0.4]])# 個(gè)人天賦的條件概率分布intel_cpd = TabularCPD(            variable='I',            variable_card=2,            values=[[0.7], [0.3]])# 推薦信質(zhì)量的條件概率分布letter_cpd = TabularCPD(            variable='L',            variable_card=2,            values=[[0.1, 0.4, 0.99],            [0.9, 0.6, 0.01]],            evidence=['G'],            evidence_card=[3])# SAT考試分?jǐn)?shù)的條件概率分布sat_cpd = TabularCPD(            variable='S',            variable_card=2,            values=[[0.95, 0.2],            [0.05, 0.8]],            evidence=['I'],            evidence_card=[2])

（3）將各個(gè)節(jié)點(diǎn)添加到模型中，構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。如代碼7所示。

# 將各節(jié)點(diǎn)添加到模型中，構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)letter_model.add_cpds(    grade_cpd,     difficulty_cpd,    intel_cpd,    letter_cpd,    sat_cpd)# 導(dǎo)入pgmpy貝葉斯推斷模塊from pgmpy.inference import VariableElimination# 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推斷letter_infer = VariableElimination(letter_model)# 天賦較好且考試不難的情況下推斷該學(xué)生獲得推薦信質(zhì)量的好壞prob_G = letter_infer.query(            variables=['G'],            evidence={'I': 1, 'D': 0})print(prob_G)

輸出如圖6所示。

從圖6的輸出結(jié)果可以看到，當(dāng)聰明的學(xué)生碰上較簡單的考試時(shí)，獲得第一等成績的概率高達(dá)90%。

小結(jié)

貝葉斯定理是經(jīng)典的概率模型之一，基于先驗(yàn)信息和數(shù)據(jù)觀測得到目標(biāo)變量的后驗(yàn)分布的方式，是貝葉斯的核心理論。貝葉斯理論在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，最常用的貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)模型包括樸素貝葉斯模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。

樸素貝葉斯模型是一種生成學(xué)習(xí)方法，通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)聯(lián)合概率分布的方式來計(jì)算后驗(yàn)概率分布。之所以取名為樸素貝葉斯，是因?yàn)樘卣鞯臈l件獨(dú)立性假設(shè)，能夠大大簡化樸素貝葉斯算法的學(xué)習(xí)和預(yù)測過程，但也會(huì)帶來一定的精度損失。

進(jìn)一步地，將樸素貝葉斯的條件獨(dú)立假設(shè)放寬，認(rèn)為特征之間是存在相關(guān)性的貝葉斯模型就是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種概率無向圖模型，通過有向圖和概率表的方式來構(gòu)建貝葉斯概率模型。當(dāng)由有向圖表示節(jié)點(diǎn)關(guān)系和概率表確定后，相關(guān)的先驗(yàn)概率分布、條件概率分布就能夠確定，然后基于貝葉斯公式，就可以使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行概率推斷。

本文參考代碼地址：

https://github.com/luwill/Machine_Learning_Code_Implementation/tree/master/charpter21_Bayesian_models

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