朴素贝叶斯算法原理

（作者：陈玓玏）

1. 损失函数

假设我们使用0-1损失函数，函数表达式如下：

$Y$为真实值，有 ${c_1,c_2,...,c_K}$这 $K$个类标记， $f(X)$是决策函数，其输出值就是类标记的预测值，那么对应的代价函数，也就是期望损失函数为：
$R_exp(X) = E(L(Y,f(X)))$
因为这里的期望是对联合概率取的，所以有如下关系：
$R_exp(X) = \sum_{k=1}^{K}L(c_k,f(X))P(c_k,X) = E_x\sum_{k=1}^{K}L(c_k,f(X))P(c_k|X)$
将 $L(Y,f(X))$代入，得到：
$R_exp(X) = \sum_{k=1}^{K}P(Y \neq c_k|X) = \sum_{k=1}^{K}(1-P(Y=c_k|X))$
要让损失函数最小化，只需要和项中的每一项都是最小即可：
$min\sum_{k=1}^{K}(1-P(Y=c_k|X)) = max\sum_{k=1}^{K}P(Y=c_k|X) = maxP(Y=c_k|X)$
这也就是我们之后朴素贝叶斯算法的依据：求得最大后验概率即能最小化代价函数！

2. 求最大化后验概率

基于上面的分析我们知道，对于数据集 $D = {(x_1,y_1),(x_2,y_2),...,(x_N,y_N)}$，当 $y_i$的可取值为 ${c_1,c_2,...,c_K}$时，我们对每个样本 $x_i$求其对应不同类标记 $c_k$的后验概率值，并选择最后的后验概率值对应的类标号 $c_k$作为样本的分类结果，我们就能以最小的代价函数获得最优的分类。

那么，我们可以根据贝叶斯公式来求后验概率：
$P(Y=c_k|X=x_i) = \frac{P(X=x_i|Y=c_k)P(Y=c_k)}{\sum_{k=1}^{K}P(X=x_i|Y=c_k)P(Y=c_k)}$
这里有些犯难了，样本 $x_i$有 $J$个属性，怎么求得先验概率呢？这时候朴素贝叶斯的优势就体现出来了，朴素贝叶斯和贝叶斯最重要的区别就在于，朴素贝叶斯假设在类确定的条件下，样本的特征之间是相互独立的！因此，上面的公式就可以拆分成以下形式：
$P(Y=c_k|X=x_i) = \frac{P(Y=c_k)\prod_{j=1}^{J} P(X^j=x_i^j|Y=c_k)}{\sum_{k=1}^{K}P(Y=c_k)\prod_{j=1}^{J} P(X^j=x_i^j|Y=c_k)}$
因为分母对于同一个样本来说都是一样的，因此我们在具体算法流程中是可以不考虑分母的大小的。

3. 极大似然完成参数估计

在上一小节，我们已经计算好了最大后验概率的公式，但是公式中还有两个重要的部分没有得到解答，一个是类别概率，一个是先验概率，我们通过极大似然估计来完成这两个参数的估计：

完成先验概率及条件概率的估算后，我们就可以完成后验概率（不需要计算分母）的计算了。针对不同的类标号计算后验概率，计算结果最大的后验概率对应的类标号即为样本对应的类标号。

4. 贝叶斯估计

用极大似然估计的先验概率及条件概率可能出现概率值为0的情况，比如计算先验概率时，发现没有 $c_k$类型的样本，那么先验概率 $P(Y=c_k)$的估计结果将会为0，那么条件概率 $P(X^j=a_{jl}|Y=c_k)$的分母将会为0，计算不出结果，后验概率自然也就无法计算了。这种情况下，可以在条件概率中加入一个参数来做平滑，公式如下：

式中 $s_j$为样本的第 $j$个特征的可取值个数，也就是可取值 $a_{j1}, a_{j2},…, a_{jS_j}$的个数， $\lambda=0$时，公式就是条件概率的极大似然估计， $\lambda=1$时，称为拉普拉斯平滑。对先验概率也要做平滑：

式中 $N$为样本个数， $K$为类标号个数。

5. 朴素贝叶斯使用场景

（个人理解，有不对请提出来讨论，谢谢）朴素贝叶斯适用于给文章加标签这样的场景，假设有十万篇文章需要加标签，我们可以先对每篇文章进行分词，提取重复度高的关键词，然后生成关键词向量，如下表所示：

下表提取了文章中出现频率最高的关键词，并根据事先定义好的关键词向量，如果这个关键词在文中出现频率高，则标记为1，频率不高，则标记为0，然后就可以通过朴素贝叶斯算法进行分类了。比如新来一篇文章6，其出现频率最高的关键词是“吃饭”，我们需要分别计算 $P(“经济”|文章6)$， $P(“美食”|文章6)$，…， $P(“数据分析”|文章6)$，根据公式计算就好。

我也想过是不是不用是否出现作为特征的值，而是用出现的频率作为特征的值，但是这样的话每个特征可取的值就非常多，计算条件概率时会很复杂，所以还是采用了这种造变量的方法。

6. 朴素贝叶斯优缺点

优点：计算简单，高效；
缺点：分类性能不一定高，要求特征相互独立的条件太强。