朴素贝叶斯 | 魔法沉思录

朴素贝叶斯（naive bayes）是基于贝叶斯理论的分类器，它以变量的各个特征之间相互独立为前提，利用条件概率来最大化后验概率或者最小化期望风险，来实现判别其类别。

1. 基础理论

根据条件概率或者贝叶斯理论有：

其中 Y 为类别集合 {};
X 为输入空间的 n 维向量集合 {} 。

目标为对于给定的一个输入向量，通过模型能够获取其类别（这里取给定x情况下，取概率最大的类别作为最终类别），即

求解概率，可以有贝叶斯理论可知，先求解
。

1.1 求解

这里假设了，对于变量

的不同特征之间相互独立，因此:

1.2 求解

有贝叶斯可知：

但是如何确定呢？

2. 最大化后验概率或者最小化期望风险

后验概率最大化即：

假设误差损失函数：

则模型目标为最小化期望风险即：

最小化式子(1)，只需要对 X=x 逐个最小化即可。

因此，两者是等价的

3. 贝叶斯的参数估计

前面提到问题：但是如何确定呢？
对于离散变量，一个直观的概念是使用其统计学方法来近似估计概率。
对于连续变量，采用一个概率分布拟合其变量分布，如高斯分布

3.1 离散型变量估计

令参与极大似然概率来估计 , 设变量个数为n,其中类别为的有t个，则有：

即：
同理可知：
, 其中为类别为的数量，为在类别为的数据中，的数量
由于，对于任意类别的值是相同的，因此可以省略…

3.2 连续性变量估计

如果X的各个特征是连续的，这是可以采用某种具体的分布函数来拟合X各个特征的分布，比如采用 Normal Distribution 等等。通常在确定分布函数类型之前，先对数据进行可视化处理，观察其数字特征等，在确定采用哪种分布函数来拟合。

以高斯分布为例，此时：

这里其实要使用最大似然来估计一下变量和

对上式分别对和求偏导数，并令其为0即可

更简化，由于变量的各个维度都是独立的，因此可以联合分布为各个分布函数的乘积，如果都是符合高斯分布，即有：

只需要计算 X 的方差和均值即可。

另外，如果 X 得来源于一个公共得资源，可以假设各个特征得方差均相同

if we have reason to believe that noise in the observed _Xi _comes from a common source, then we might further assume that all of the σ_ik _are identical, regardless of the attribute _i _or class _k _(see the homework exercise on this issue).

贝叶斯模型存在的问题

无偏差的贝叶斯模型是不现实的？
思考一下，如果变量的特征一个离散型的，一个是连续性的，如何设计和求解模型呢？

逻辑回归模型

2. 从朴素贝叶斯到逻辑回归

首先在了解逻辑回归模型的之前，我们以二分类为例，使用朴素贝叶斯的方法来判别分类。

由于

带入到式（3）中，可得：

这就是 Sigmoid Function

其中，
可知是常数

这里假设

令 ,

则有

这里其实是有一个差异，因为 w 和 b 之间是有某种依赖关系的，但是如果只看作是 w 和 b变量，则w和b之间相互独立，这样子大大减少了训练的参数，这也就是逻辑回归。

3. 从回归模型到逻辑回归

还是以二分类为例

回归模型为，这里我们想要找到一种模型使：

这里我们考虑是有 sigmoid funcion

其取值范围为 (0 , 1 )，自变量取值为 $，$ ,
其图形如下：

其实就是使用 sigmoid function 来替代 p(y/x)的概率，因此这种模型与前文看到模型不同。前文（贝叶斯）是使用间接计算，即由 P(y) 和 P(x/y) 来间接求的 p(y/c)的概率，这种模型叫做生成模型（Generative model）。而逻辑回归，是直接采用一个函数来模拟 p(y/x)的分布，成为判别模型(discriminative model)

3.1 策略

逻辑回归的损失函数可以分为两种，一种为 maximum likelihood estimation ，另外一种为 the least squares , 一般采用最大似然概率。

想一下为什么？

其损失函数为：假设 $为为$
则

对于每一个给定的x, 使最大。这里直接对w,b 求偏导数，使用随机梯度下降法即可。

4. 思考一下

朴素贝叶斯法和逻辑回归做分类问题的时候，有什么区别？各自有什么优势？
逻辑回归的损失函数使用 cross entropy 和 square error 用什么优劣？

参考

《统计学习方法》李航， chapter 4
Machine Learning , Tom M. Mitchell , chapter 3
Classification 李宏毅