Python机器学习 贝叶斯模型

贝叶斯简介:
贝叶斯(约1701-1761) Thomas Bayes,英国数学家
贝叶斯方法源于他生前为解决一个“逆概”问题写的一篇文章
生不逢时,死后它的作品才被世人认可

贝叶斯要解决的问题:
正向概率:假设袋子里面有N个白球,M个黑球,你伸手进去摸一把, 摸出黑球的概率是多大
逆向概率:如果我们事先并不知道袋子里面黑白球的比例,而是闭着眼睛 摸出一个(或好几个)球,观察这些取出来的球的颜色之后,那么我们可以就此对袋子里面的黑白球的比例作出什么样的推测

贝叶斯公式推导

假如再一个学校,男生:60% 女生:40%

男生总是穿长裤,女生则一半穿长裤一半穿裙子

正向概率:随机选取一个学生,他(她)穿长裤的概率和穿裙子的概率是多大
逆向概率:迎面走来一个穿长裤的学生,你只看得见他(她)穿的是否长裤, 而无法确定他(她)的性别,你能够推断出他(她)是女生的概率是多大吗?

假设学校里面人的总数是 U 个
穿长裤的(男生):U * P(Boy) * P(Pants|Boy) P(Boy) 是男生的概率 = 60% P(Pants|Boy) 是条件概率,即在 Boy 这个条件下穿长裤的 概率是多大,这里是 100% ,因为所有男生都穿长裤
穿长裤的(女生): U * P(Girl) * P(Pants|Girl)

求解:穿长裤的人里面有多少女生
穿长裤总数:U * P(Boy) * P(Pants|Boy) + U * P(Girl) * P(Pants|Girl)
P(Girl|Pants) = U * P(Girl) * P(Pants|Girl)/穿长裤总数

U * P(Girl) * P(Pants|Girl) / [U * P(Boy) * P(Pants|Boy) + U * P(Girl) * P(Pants|Girl)]

容易发现这里校园内人的总数(U)是无关的,可以消去

P(Girl|Pants) = P(Girl) * P(Pants|Girl) / [P(Boy) * P(Pants|Boy) + P(Girl) * P(Pants|Girl)]

化简:
P(Girl|Pants) = P(Girl) * P(Pants|Girl) / [P(Boy) * P(Pants|Boy) + P(Girl) * P(Pants|Girl)]
分母其实就是 P(Pants)
分子其实就是 P(Pants, Girl)

因此贝叶斯的公式为:

举个实例:

拼写纠正实例:
问题是我们看到用户输入了一个不在字典中的单词,我们需要去猜 测:“这个家伙到底真正想输入的单词是什么呢?
P(我们猜测他想输入的单词 | 他实际输入的单词)

用户实际输入的单词记为 D ( D 代表 Data ,即观测数据)
猜测1:P(h1 | D),猜测2:P(h2 | D),猜测3:P(h1 | D) 。。。 统一为:P(h | D)
P(h | D) = P(h) * P(D | h) / P(D)

用户实际输入的单词记为 D ( D 代表 Data ,即观测数据)
对于不同的具体猜测 h1 h2 h3 .. ,P(D) 都是一样的,所以在比较 P(h1 | D) 和 P(h2 | D) 的时候我们可以忽略这个常数
P(h | D) ∝ P(h) * P(D | h) 对于给定观测数据,一个猜测是好是坏,取决于“这个猜测本身独 立的可能性大小(先验概率,Prior )”和“这个猜测生成我们观测 到的数据的可能性大小。

用户实际输入的单词记为 D ( D 代表 Data ,即观测数据)
对于不同的具体猜测 h1 h2 h3 .. ,P(D) 都是一样的,所以在比较 P(h1 | D) 和 P(h2 | D) 的时候我们可以忽略这个常数
P(h | D) ∝ P(h) * P(D | h) 对于给定观测数据,一个猜测是好是坏,取决于“这个猜测本身独 立的可能性大小(先验概率,Prior )”和“这个猜测生成我们观测 到的数据的可能性大小。

拼写纠正实例:
贝叶斯方法计算: P(h) * P(D | h),P(h) 是特定猜测的先验概率
比如用户输入tlp ,那到底是 top 还是 tip ?这个时候,当最大似然 不能作出决定性的判断时,先验概率就可以插手进来给出指示—— “既然你无法决定,那么我告诉你,一般来说 top 出现的程度要高 许多,所以更可能他想打的是 top ”

模型比较理论
最大似然:最符合观测数据的(即 P(D | h) 最大的)最有优势
奥卡姆剃刀: P(h) 较大的模型有较大的优势
掷一个硬币,观察到的是“正”,根据最大似然估计的精神,我们应该 猜测这枚硬币掷出“正”的概率是 1,因为这个才是能最大化 P(D | h) 的那个猜测

PS;奥卡姆剃刀模型比较理论
如果平面上有 N 个点,近似构成一条直线,但绝不精确地位于一条直线 上。这时我们既可以用直线来拟合(模型1),也可以用二阶多项式(模 型2)拟合,也可以用三阶多项式(模型3),特别地,用 N-1 阶多项式 便能够保证肯定能完美通过 N 个数据点。那么,这些可能的模型之中到 底哪个是最靠谱的呢?
奥卡姆剃刀:越是高阶的多项式越是不常见

垃圾邮件过滤实例:
问题:给定一封邮件,判定它是否属于垃圾邮件 D 来表示这封邮件,注意 D 由 N 个单词组成。我们用 h+ 来表示 垃圾邮件,h- 表示正常邮件
P(h+|D) = P(h+) * P(D|h+) / P(D)

P(h- |D) = P(h- ) * P(D|h- ) / P(D)

垃圾邮件过滤实例:
先验概率:P(h+) 和 P(h-) 这两个先验概率都是很容易求出来的,只 需要计算一个邮件库里面垃圾邮件和正常邮件的比例就行了。
D 里面含有 N 个单词 d1, d2, d3,P(D|h+) = P(d1,d2,..,dn|h+) P(d1,d2,..,dn|h+) 就是说在垃圾邮件当中出现跟我们目前这封邮件一 模一样的一封邮件的概率是多大!
P(d1,d2,..,dn|h+) 扩展为: P(d1|h+) * P(d2|d1, h+) * P(d3|d2,d1, h+) * ..

垃圾邮件过滤实例:
P(d1|h+) * P(d2|d1, h+) * P(d3|d2,d1, h+) * .. 假设 di 与 di-1 是完全条件无关的(朴素贝叶斯假设特征之间是独 立,互不影响) 简化为 P(d1|h+) * P(d2|h+) * P(d3|h+) * ..
对于P(d1|h+) * P(d2|h+) * P(d3|h+) * ..只要统计 di 这个单词在垃 圾邮件中出现的频率即可

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