sklearn学习-朴素贝叶斯

一、概述

1、真正的概率分类器

算法得出的结论，永远不是100%确定的，更多的是判断出了一种“样本的标签更可能是某类的可能
性”，而非一种“确定”。
朴素贝叶斯是一种直接衡量标签和特征之间的概率关系的有监督学习算法，是一种专注分类的算法。朴素贝叶斯的算法根源就是基于概率论和数理统计的贝叶斯理论，因此它是根正苗红的概率模型。接下来，我们就来认识一下这个简单快速的概率算法。
假设有两个随机变量X和Y，他们分别可以取值为x和y。有这两个随机变量，我们可以定义两种概率：
关键概念：联合概率与条件概率：
联合概率：“X取值为x”和“Y取值为y”两个事件同时发生的概率，表示为

条件概率：在”X取值为x“的前提下，”Y取值为y“的概率，表示为


而这个式子，就是我们一切贝叶斯算法的根源理论。我们可以把我们的特征 当成是我们的条件事件，而我们要求解的标签 当成是我们被满足条件后会被影响的结果，而两者之间的概率关系就是 P(X|Y)，这个概率在机器学习中，被我们称之为是标签的后验概率（posterior probability），即是说我们先知道了条件，再去求解结果。而标签 在没有任何条件限制下取值为某个值的概率，被我们写作 P(Y)，与后验概率相反，这是完全没有任何条件限制的，标签的先验概率（prior probability）。而我们的 P(X|Y)被称为“类的条件概率”，表示当Y的取值固定的时候，X为某个值的概率。

这个式子证明，在Y=1的条件下，多个特征的取值被同时取到的概率，就等于Y=1的条件下，多个特征的取值被分别取到的概率相乘。
假设特征之间是有条件独立的，可以解决众多问题，也简化了很多计算过程，这是朴素贝叶斯被称为”朴素“的理由。

2、sklearn中的朴素贝叶斯

虽然朴素贝叶斯使用了过于简化的假设，这个分类器在许多实际情况中都运行良好，著名的是文档分类和垃圾邮件过滤。而且由于贝叶斯是从概率角度进行估计，它所需要的样本量比较少，极端情况下甚至我们可以使用1%的数据作为训练集，依然可以得到很好的拟合效果。当然，如果样本量少于特征数目，贝叶斯的效果就会被削弱。

二、不同分布下的贝叶斯

1、高斯朴素贝叶斯GaussianNB

class sklearn.naive_bayes.GaussianNB (priors=None, var_smoothing=1e-09)
高斯朴素贝叶斯有如下公式：


但在实例化的时候，我们不需要对高斯朴素贝叶斯类输入任何的参数，调用的接口也全部sklearn中比较标准的一些搭配，可以说是一个非常轻量级的类，操作非常容易。但过于简单也意味着贝叶斯没有太多的参数可以调整，因此贝叶斯算法的成长空间并不是太大，如果贝叶斯算法的效果不是太理想，我们一般都会考虑换模型。

2、探索贝叶斯：高斯朴素贝叶斯擅长的数据集

从图上来看，高斯贝叶斯属于比较特殊的一类分类器，其分类效果在二分数据和月亮型数据上表现优秀，但是环形数据不太擅长。我们之前学过的模型中，许多线性模型比如逻辑回归，线性SVM等等，在线性数据集上会绘制直线决策边界，因此难以对月亮型和环形数据进行区分，但高斯朴素贝叶斯的决策边界是曲线，可以是环形也可以是弧线，所以尽管贝叶斯本身更加擅长线性可分的二分数据，但朴素贝叶斯在环形数据和月亮型数据上也可以有远远胜过其他线性模型的表现。

3、探索贝叶斯：高斯朴素贝叶斯的拟合效果与运算速度

我们首先返回的结果是各个算法的运行时间。可以看到，决策树和贝叶斯不相伯仲（如果你没有发现这个结果，那么可以多运行几次，你会发现贝叶斯和决策树的运行时间逐渐变得差不多）。决策树之所以能够运行非常快速是因为sklearn中的分类树在选择特征时有所“偷懒”，没有计算全部特征的信息熵而是随机选择了一部分特征来进行计算，因此速度快可以理解，但我们知道决策树的运算效率随着样本量逐渐增大会越来越慢，但朴素贝叶斯却可以在很少的样本上获得不错的结果，因此我们可以预料，随着样本量的逐渐增大贝叶斯会逐渐变得比决策树更快。朴素贝叶斯计算速度远远胜过SVM，随机森林这样复杂的模型，逻辑回归的运行受到最大迭代次数的强烈影响和输入数据的影响（逻辑回归一般在线性数据上运行都比较快，但在这里应该是受到了稀疏矩阵的影响）。因此在运算时间上，朴素贝叶斯还是十分有优势的。
紧接着，我们来看一下每个算法在训练集上的拟合。手写数字数据集是一个较为简单的数据集，决策树，森林，SVC和逻辑回归都成功拟合了100%的准确率，但贝叶斯的最高训练准确率都没有超过95%，这也应证了我们最开始说的，朴素贝叶斯的分类效果其实不如其他分类器，贝叶斯天生学习能力比较弱。并且我们注意到，随着训练样本量的逐渐增大，其他模型的训练拟合都保持在100%的水平，但贝叶斯的训练准确率却逐渐下降，这证明样本量越大，贝叶斯需要学习的东西越多，对训练集的拟合程度也越来越差。反而比较少量的样本可以让贝叶斯有较高的训练准确率。
再来看看过拟合问题。首先一眼看到，所有模型在样本量很少的时候都是出于过拟合状态的（训练集上表现好，测试集上表现糟糕），但随着样本的逐渐增多，过拟合问题都逐渐消失了，不过每个模型的处理手段不同。比较强大的分类器们，比如SVM，随机森林和逻辑回归，是依靠快速升高模型在测试集上的表现来减轻过拟合问题。相对的，决策树虽然也是通过提高模型在测试集上的表现来减轻过拟合，但随着训练样本的增加，模型在测试集上的表现善生却非常缓慢。朴素贝叶斯独树一帜，是依赖训练集上的准确率下降，测试集上的准确率上升来逐渐解决过拟合问题。
接下来，看看每个算法在测试集上的拟合结果，即泛化误差的大小。随着训练样本数量的上升，所有模型的测试表现都上升了，但贝叶斯和决策树在测试集上的表现远远不如SVM，随机森林和逻辑回归。SVM在训练数据量增大到1500个样本左右的时候，测试集上的表现已经非常接近100%，而随机森林和逻辑回归的表现也在95%以上，而决策树和朴素贝叶斯还徘徊在85%左右。但这两个模型所面临的情况十分不同：决策树虽然测试结果不高，但是却依然具有潜力，因为它的过拟合现象非常严重，我们可以通过减枝来让决策树的测试结果逼近训练结果。然而贝叶斯的过拟合现象在训练样本达到1500左右的时候已经几乎不存在了，训练集上的分数和测试集上的分数非常接近，只有在非常少的时候测试集上的分数才能够比训练集上的结果更高，所以我们基本可以判断，85%左右就是贝叶斯在这个数据集上的极限了。可以预测到，如果我们进行调参，那决策树最后应该可以达到90%左右的预测准确率，但贝叶斯却几乎没有潜力了。
在这个对比之下，我们可以看出：贝叶斯是速度很快，但分类效果一般，并且初次训练之后的结果就很接近算法极限的算法，几乎没有调参的余地。也就是说，如果我们追求对概率的预测，并且希望越准确越好，那我们应该先选择逻辑回归。如果数据十分复杂，或者是稀疏矩阵，那我们坚定地使用贝叶斯。如果我们分类的目标不是要追求对概率的预测，那我们完全可以先试试看高斯朴素贝叶斯的效果（反正它运算很快速，还不需要太多的样本），如果效果很不错，我们就很幸运地得到了一个表现优秀又快速的模型。如果我们没有得到比较好的结果，那我们完全可以选择再更换成更加复杂的模型。

总结