哈工大机器学习复习笔记（二）

本篇文章是在参考西瓜书、PPT课件、网络上相关博客等资料的基础上整理出的机器学习复习笔记，希望能给大家的机器学习复习提供帮助。这篇笔记只是复习的一个参考，大家一定要结合书本、PPT来进行复习，有些公式的推导最好能够自己演算一遍。由于作者水平有限，笔记中难免有些差错，欢迎大家评论留言。
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6. 朴素贝叶斯

6.1 条件独立

我们称$X$在给定$Z$的条件下条件独立于$Y$，当且仅当$X$的分布在给定$Z$的条件下与$Y$无关。
$$(\forall i,j,k)P(X=x_i|Y=y_j,Z=z_k)=P(X=x_i|Z=z_k)$$
缩写为
$$P(X|Y,Z)=P(X|Z)$$
若$X_1,X_2$在给定$Y$时条件独立，那么有
$$\begin{array}{rl}P(X_1,X_2|Y)& =P(X_1|X_2,Y)P(X_2|Y)\\ & =P(X_1|Y)P(X_2|Y)\end{array}$$
一般化，若$X_i$与$Y$条件独立，那么
$$P(X_1,X_2,\dots ,X_n|Y)=\prod _{i}P(X_i|Y)$$
这是朴素贝叶斯的基础。

6.2 参数估计

相较于没有条件独立性假设的情况，朴素贝叶斯分类器所需要估计的参数个数大大减少了，具体来看（假设每个属性有2个不同取值，共有2个类别）：

• 没有条件独立性假设：$2^n$
• 有条件独立性假设：$2n$
  朴素贝叶斯分类器需要对任何一个给定的样本$X=<X_1,\dots ,X_n>$计算出它被分类为任何一个类别的概率，即
  $$P(Y=y_k|X_1\dots X_n)=\frac{P(Y=y_k){\prod }_{i}P(X_i|Y=y_k)}{{\sum }_{j}P(Y=y_j){\prod }_{i}P(X_i|Y=y_j)}$$
  对于某个给定的，分母是恒定的。我们只需要最大化分子，也就是
  $$\arg \underset{k}{\max }P(Y=y_k)\prod _{i}P(X_i|Y=y_k)$$
  因而，对于一个新的样本$X^{new}=<X_1,\dots ,X_n>$，判别规则为
  $$Y^{new}\leftarrow \arg \underset{y_k}{\max }P(Y=y_k)\prod _{i}P(X_i^{new}|Y=y_k)$$
  也就是说，当各个属性之间条件独立时，考虑最大化各个属性取值时的类别，而为了能够从整体上看最大化的情况，取了各个属性值上的概率积。
  在朴素贝叶斯中，我们需要对两类参数进行估计
• 先验概率：${\pi }_k=P(Y=y_k)$
• 条件概率：${\theta }_{ijk}=P(X_i=x_{ij}|Y=y_k)$，$x_{ij}$表示第$i$个属性的第$j$个属性值
  下面分别采用MLE和MAP的方法对这两类参数进行估计。

使用MLE估计

$$\begin{array}{rl}& {\hat{\pi }}_k=\hat{P}(Y=y_k)=\frac{\#D\{Y=y_k\}}{|D|}\\ & {\hat{\theta }}_{ijk}=\hat{P}(X_i=x_{ij}|Y=y_k)=\frac{\#D\{X_i=x_{ij}\wedge Y=y_k\}}{\#D\{Y=y_k\}}\end{array}$$
但是，如果某个属性值在训练集中没有与某个类同时出现过，即$P(X_i|Y=y_k)=0$，那么无论该样本的其他属性是什么，$P(Y=y_k|X)$都将会被预测成零。这显然是不太合理的，可以采用MAP估计来避免这个问题。

使用MAP估计

$$\begin{array}{rl}& {\hat{\pi }}_k=\hat{P}(Y=y_k)=\frac{\#D\{Y=y_k\}+{\alpha }_k}{|D|+{\sum }_m{\alpha }_m}\\ & {\hat{\theta }}_{ijk}=\hat{P}(X_i=x_{ij}|Y=y_k)=\frac{\#D\{X_i=x_{ij}\wedge Y=y_k\}+{\alpha }_k^{\prime }}{\#D\{Y=y_k\}+{\sum }_m{\alpha }_m^{\prime }}\end{array}$$
亦可以采用“拉普拉斯修正”（西瓜书），即假设先验概率符合均匀分布。

6.3 处理连续属性

修改朴素贝叶斯模型，将$P(X_i=x|Y=y_k)$改为其概率密度函数。譬如我们采用高斯分布：
$$P(X_i=x|Y=y_k)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }{\sigma }_{ik}}{e}^{\frac{-(x-{\mu }_{ik}{)}^2}{2{\sigma }_{ik}^2}}$$
有时候，我们假设方差

• 与$Y$无关，这时${\sigma }_{ik}={\sigma }_i$
• 与$X_i$无关，这时${\sigma }_{ik}={\sigma }_k$
• 与$X_i$和$Y$均无关，这时${\sigma }_{ik}=\sigma$

6.4 总结

对于连续属性（假设服从高斯分布），我们首先要估计它的参数（$\mu$，$\sigma$），利用最大似然进行估计。这里有点类似于概率论里多个随机变量满足独立同分布的情况，这时利用极大似然估计得到的$\mu$就是样本的均值，$\sigma$就是样本的方差。假设$n$个样本$x_1,x_2,\dots ,x_n$服从独立同分布，且满足高斯分布，则
$$\begin{array}{rl}\hat{\mu }& =\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{x}_i\\ \hat{\sigma }& =\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n(x_i-\hat{\mu }{)}^2\end{array}$$
类似的，可以对这里的参数进行估计。

7. 逻辑回归

现在我们考虑一个线性可分的二分类问题。接下来我们构造一个判别式模型（即直接学习$P(Y|X)$），假定数据满足以下条件：

• $X$是实数向量$<X_1,\dots ,X_n>$
• $Y$是布尔向量
• 给定$Y$时，$X_i$相互条件独立（可以不需要）
• $P(X_i|Y=y_k)$符合高斯分布$N({\mu }_{ik},{\sigma }_i)$
• $P(Y)$符合伯努利分布（设$\pi =\hat{P}(Y=1)$）

给定一个样本$X$，其类别为$Y=1$的概率为
$$\begin{array}{rl}P(Y=1|X)& =\frac{P(Y=1)P(X|Y=1)}{P(Y=1)P(X|Y=1)+P(Y=0)P(X|Y=0)}\\ & =\frac{1}{1+\frac{P(Y=0)P(X|Y=0)}{P(Y=1)P(X|Y=1)}}\\ & =\frac{1}{1+\exp (\ln \frac{P(Y=0)P(X|Y=0)}{P(Y=1)P(X|Y=1)})}\\ & =\frac{1}{1+\exp (\ln \frac{1-\pi }{\pi }+{\sum }_i\ln \frac{P(X_i|Y=0)}{P(X_i|Y=1)})}\end{array}$$
又由于各个维度的条件概率均服从高斯分布，因此
$$\begin{array}{rl}P(Y=1|X)& =\frac{1}{1+\exp (\ln \frac{1-\pi }{\pi }+{\sum }_i(\frac{{\mu }_{i0}-{\mu }_{i1}}{{\sigma }_i^2}{X}_i+\frac{{\mu }_{i1}^2-{\mu }_{i0}^2}{2{\sigma }_i^2}))}\end{array}$$
令$$w_0=\ln \frac{1-\pi }{\pi }+\sum _i(\frac{{\mu }_{i1}^2-{\mu }_{i0}^2}{2{\sigma }_i^2}),w_i=\frac{{\mu }_{i0}-{\mu }_{i1}}{{\sigma }_i^2}$$，则有
$$P(Y=1|X)=\frac{1}{1+\exp (w_0+{\sum }_{i=1}^n{w}_i{X}_i)}$$
进而有
$$P(Y=0|X)=\frac{\exp (w_0+{\sum }_{i=1}^n{w}_i{X}_i)}{1+\exp (w_0+{\sum }_{i=1}^n{w}_i{X}_i)}$$
进而
$$\begin{gathered} \frac{P(Y=0|X)}{P(Y=1|X)}=\exp (w_0+\sum _i{w}_i{X}_i) \\ \ln \frac{P(Y=0|X)}{P(Y=1|X)}=w_0+\sum _i{w}_i{X}_i \end{gathered}$$
所以逻辑回归是线性分类器。

另：如果$X_i$不是相互条件独立的，但是满足$P(X|Y=y_k)$符合高斯分布$N({\mu }_k,\Sigma )$，也可推导出逻辑回归是线性分类器，下面是推导过程。
由之前的推导可知
$$\begin{array}{rl}P(Y=1|X)& =\frac{1}{1+\exp (\ln \frac{1-\pi }{\pi }+\ln \frac{P(X|Y=0)}{P(X|Y=1)})}\end{array}$$
由于$$P(X|Y=y_k)$$满足多维高斯分布，因此
$$\begin{array}{rl}\ln \frac{P(X|Y=0)}{P(X|Y=1)}& =\frac{1}{2}(X-{\mu }_2{)}^T{\Sigma }^{-1}(X-{\mu }_2)-\frac{1}{2}(X-{\mu }_1{)}^T{\Sigma }^{-1}(X-{\mu }_1)\\ & =\frac{1}{2}(X^T-{\mu }_2^T){\Sigma }^{-1}(X-{\mu }_2)-\frac{1}{2}(X^T-{\mu }_1^T){\Sigma }^{-1}(X-{\mu }_1)\\ & =X^T({\Sigma }^{-1}{\mu }_1-{\Sigma }^{-1}{\mu }_2)+\frac{1}{2}({\mu }_2^T{\Sigma }^{-1}{\mu }_2-{\mu }_1^T{\Sigma }^{-1}{\mu }_1)\end{array}$$
令$$W={\Sigma }^{-1}{\mu }_1-{\Sigma }^{-1}{\mu }_2,b=\frac{1}{2}({\mu }_2^T{\Sigma }^{-1}{\mu }_2-{\mu }_1^T{\Sigma }^{-1}{\mu }_1)+\ln \frac{1-\pi }{\pi }$$，则
$$P(Y=1|X)=\frac{1}{1+\exp (W^{T}X+b)}$$
进而有
$$P(Y=0|X)=\frac{\exp (W^{T}X+b)}{1+\exp (W^{T}X+b)}$$
进而
$$\begin{gathered} \frac{P(Y=0|X)}{P(Y=1|X)}=\exp (W^{T}X+b) \\ \ln \frac{P(Y=0|X)}{P(Y=1|X)}=W^{T}X+b \end{gathered}$$
也可以推出逻辑回归是线性分类器。

7.1 拓展：更多的类

$y\in \{y_1,\dots ,y_R\}$，学习$R-1$类权重参数。
若$k<R$，
$$P(Y=y_k|X)=\frac{\exp (w_{k0}+{\sum }_{i=1}^n{w}_{ki}{X}_i)}{1+{\sum }_{j=1}^{R-1}\exp (w_{j0}+{\sum }_{i=1}^n{w}_{ji}{X}_i)}$$
若$k=R$，
$$P(Y=y_R|X)=\frac{1}{1+{\sum }_{j=1}^{R-1}\exp (w_{j0}+{\sum }_{i=1}^n{w}_{ji}{X}_i)}$$

7.2 条件最大似然估计(MCLE)

为了让最后求解的结果和课件中保持一致，我们对上面的表达形式做出修改
$$\begin{gathered} P(Y=0|X,W)=\frac{1}{1+\exp (w_0+{\sum }_{i=1}^n{w}_i{X}_i)} \\ P(Y=1|X,W)=\frac{\exp (w_0+{\sum }_{i=1}^n{w}_i{X}_i)}{1+\exp (w_0+{\sum }_{i=1}^n{w}_i{X}_i)} \end{gathered}$$
显然，修改之后的形式和之前的式子等价。
条件最大似然
$$W_{MCLE}=\arg \underset{W}{\max }\prod _{l}P(Y^l|W,X^l)$$
现在，我们需要选择一个向量$w$，来最大化这个条件似然值。
$$\begin{array}{rl}l(W)& =\ln \prod _{l}P(Y^l|X^l,W)=\sum _l\ln P(Y^l|X^l,W)\\ & =\sum _l{Y}^l\ln P(Y^l=1|X^l,W)+(1-Y^l)\ln P(Y^l=0|X^l,W)\\ & =\sum _l{Y}^l\ln \frac{P(Y^l=1|X^l,W)}{P(Y^l=0|X^l,W)}+\ln P(Y^l=0|X^l,W)\\ & =\sum _l{Y}^l(w_0+\sum _{i=1}^n{w}_i{X}_i^l)-\ln (1+\exp (w_0+\sum _{i=1}^n{w}_i{X}_i^l))\end{array}$$
很遗憾，它没有解析解。我们需要通过梯度上升法求出近似解（也可以先取相反数，然后利用梯度下降法求解，得到的结果相同）。
$$\begin{gathered} \begin{array}{rl}\frac{\partial l(W)}{\partial w_i}& =\sum _l{X}_i^l(Y^l-\frac{\exp (w_0+{\sum }_{i=1}^n{w}_i{X}_i^l)}{1+\exp (w_0+{\sum }_{i=1}^n{w}_i{X}_i^l)})\\ & =\sum _i{X}_i^l(Y^l-P(Y^l=1|X^l,W))\end{array} \\ {w}_i\leftarrow w_i+\eta \frac{\partial l(W)}{\partial w_i} \end{gathered}$$

7.3 MAP

MAP相当于增加了一个先验，假设$W\backsim N(0,\sigma I)$，那么
$$\begin{gathered} W\leftarrow \arg \underset{W}{\max }\ln [P(W)\prod _{l}P(Y^l|X^l,W)] \\ {w}_i\leftarrow w_i-\eta \lambda w_i+\eta \sum _i{X}_i^l(Y^l-P(Y^l=0|X^l,W)) \end{gathered}$$
其中$\lambda >0$，$\eta$是学习率。
上式中的正则项其实就是由先验分布得到的（正则项前面的负号来自于高斯分布$e$指数上的负号），加入正则项可以让$W$中的元素尽量接近于0，从而有效避免模型的过拟合。

7.4 补充：KL距离

从KL距离的角度，可以得出与条件似然估计相似的结果。
假设$p$是$X$和$Y$的真实分布，$q$是逻辑回归估计的分布，则$p(Y=1|X)$和$p(Y=0|X)$这两个概率值一个为1一个为0，且
$$\begin{array}{rl}q(Y=1|X)& =\frac{1}{1+\exp (w^{T}x)}\\ q(Y=0|X)& =1-q(Y=1|X)\end{array}$$
我们计算$p$和$q$的KL距离（化简时需要注意到$p$分布的信息熵是0）
$$\begin{array}{rl}{D}_{KL}(p(Y)||q(Y))& =\sum _{Y}p(Y)\log \frac{p(Y)}{q(Y)}\\ & =\sum _{Y}p(Y)\log \frac{1}{q(Y)}-\sum _{Y}p(Y)\log \frac{1}{p(Y)}\\ & =-\sum _{Y}p(Y)\log q(Y)\\ & =\sum _l-Y^l\log \frac{1}{1+\exp (w^{T}x)}-(1-Y^l)\log \frac{\exp (w^{T}x)}{1+\exp (w^{T}x)}\end{array}$$
这便是逻辑回归的损失函数。

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