机器学习基础-Task2 Bayes_plus

学习来源：https://github.com/datawhalechina/team-learning/blob/master/机器学习算法基础/Task2%20bayes_plus.ipynb

知识点梳理：
1.相关概念（生成模型、判别模型)
2.先验概率、条件概率
3.贝叶斯决策理论
4.贝叶斯定理公式
5.极值问题情况下的每个类的分类概率
6.下溢问题如何解决
7.零概率问题如何解决？
8.优缺点
9.sklearn参数详解，Python绘制决策树

sklearn接口

from sklearn.naive_bayes import GaussianNB
from sklearn.datasets import load_iris
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
iris = load_iris()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(iris.data, iris.target, test_size=0.2)
clf = GaussianNB().fit(X_train, y_train)
print ("Classifier Score:", clf.score(X_test, y_test))

sklearn参数详解：
1.高斯朴素贝叶斯算发是假设特征的可能性（即概率）为高斯分布。
class sklearn.naive_bayes.GaussianNB(priors=None)
参数：
priors:先验概率大小，如果没有给定，模型则根据样本数据自己计算（利用极大似然法）。
var_smooth：可选参数，所有特征的最大方差
class_prior:每个样本的概率
class_count:每个类别的样本数量
classes_:分类器已知的标签类型
theta_:每个类别中每个特征的均值
sigma_:每个类别中每个特征的方差
epsilon_:方差的绝对加值方法
贝叶斯的方法和其他模型的方法一致。
fit(X,Y):在数据集(X,Y)上拟合模型。
get_params():获取模型参数。
predict(X):对数据集X进行预测。
predict_log_proba(X):对数据集X预测，得到每个类别的概率对数值。
predict_proba(X):对数据集X预测，得到每个类别的概率。
score(X,Y):得到模型在数据集(X,Y)的得分情况。

根据李航老师的代码构建自己的朴素贝叶斯模型
这里采用**GaussianNB 高斯朴素贝叶斯,**概率密度函数为

数学期望：

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from collections import Counter
import math
# data
def create_data():
    iris = load_iris()
    df = pd.DataFrame(iris.data, columns=iris.feature_names)
    df['label'] = iris.target
    df.columns = ['sepal length', 'sepal width', 'petal length', 'petal width', 'label']
    data = np.array(df.iloc[:100, :])
    # print(data)
    return data[:,:-1], data[:,-1]
X, y = create_data()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3)
#根据李航老师的代码构建自己的朴素贝叶斯模型
#*GaussianNB 高斯朴素贝叶斯*
class NaiveBayes:
    def __init__(self):
        self.model = None
    # 数学期望
    @staticmethod
    def mean(X):
        return sum(X) / float(len(X))
    # 标准差（方差）
    def stdev(self, X):
        avg = self.mean(X)
        return math.sqrt(sum([pow(x - avg, 2) for x in X]) / float(len(X)))
    # 概率密度函数
    def gaussian_probability(self, x, mean, stdev):
        exponent = math.exp(-(math.pow(x - mean, 2) /
                              (2 * math.pow(stdev, 2))))
        return (1 / (math.sqrt(2 * math.pi) * stdev)) * exponent
    # 处理X_train
    def summarize(self, train_data):
        summaries = [(self.mean(i), self.stdev(i)) for i in zip(*train_data)]
        return summaries
    # 分类别求出数学期望和标准差
    def fit(self, X, y):
        labels = list(set(y))
        data = {label: [] for label in labels}
        for f, label in zip(X, y):
            data[label].append(f)
        self.model = {
            label: self.summarize(value)
            for label, value in data.items()
        }
        return 'gaussianNB train done!'
    # 计算概率
    def calculate_probabilities(self, input_data):
        # summaries:{0.0: [(5.0, 0.37),(3.42, 0.40)], 1.0: [(5.8, 0.449),(2.7, 0.27)]}
        # input_data:[1.1, 2.2]
        probabilities = {}
        for label, value in self.model.items():
            probabilities[label] = 1
            for i in range(len(value)):
                mean, stdev = value[i]
                probabilities[label] *= self.gaussian_probability(
                    input_data[i], mean, stdev)
        return probabilities
    # 类别
    def predict(self, X_test):
        # {0.0: 2.9680340789325763e-27, 1.0: 3.5749783019849535e-26}
        label = sorted(
            self.calculate_probabilities(X_test).items(),
            key=lambda x: x[-1])[-1][0]
        return label
    def score(self, X_test, y_test):
        right = 0
        for X, y in zip(X_test, y_test):
            label = self.predict(X)
            if label == y:
                right += 1
        return right / float(len(X_test))
model = NaiveBayes()
model.fit(X_train, y_train)
print(model.predict([5.1,3.5,1.4,0.3]))
model.score(X_test, y_test)

优缺点：
优点：
1.朴素贝叶斯模型有稳定的分类效率。
2.对小规模的数据表现很好，能处理多分类任务，适合增量式训练，尤其是数据量超出内存时，可以一批批的去增量训练。
3.对缺失数据不太敏感，算法也比较简单，常用于文本分类
缺点：
1.理论上，朴素贝叶斯模型与其他分类方法相比具有最小的误差率。但是实际上并非总是如此，这是因为朴素贝叶斯模型给定输出类别的情况下,假设属性之间相互独立，这个假设在实际应用中往往是不成立的，在属性个数比较多或者属性之间相关性较大时，分类效果不好。而在属性相关性较小时，朴素贝叶斯性能最为良好。对于这一点，有半朴素贝叶斯之类的算法通过考虑部分关联性适度改进。
2.需要知道先验概率，且先验概率很多时候取决于假设，假设的模型可以有很多种，因此在某些时候会由于假设的先验模型的原因导致预测效果不佳。
3.由于我们是通过先验和数据来决定后验的概率从而决定分类，所以分类决策存在一定的错误率。
4.对输入数据的表达形式很敏感。