【机器学习】02-朴素贝叶斯学习笔记

本文深入解析朴素贝叶斯算法的理论基础,包括贝叶斯定理的应用及特征条件独立假设,阐述如何通过该算法解决分类问题。

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1. 朴素贝叶斯的理论基础

朴素贝叶斯算法是基于贝叶斯定理与特征条件独立假设的分类方法。

1.1 贝叶斯定理

先看什么是条件概率。

P(A∣B)P(A|B)P(AB)表示事件B已经发生的前提下,事件A发生的概率,叫做事件B发生下事件A的条件概率。其基本求解公式为:P(A∣B)=P(AB)P(B)P(A∣B)=P(AB)P(B)P(A|B)=P(AB)P(B)P(A|B)=P(AB)P(B)P(AB)=P(AB)P(B)P(AB)=P(AB)P(B)
贝叶斯定理便是基于条件概率,通过P(A∣B)来求P(B∣A)P(A|B)来求P(B|A)P(AB)P(BA)

P(B∣A)=P(A∣B)P(B)P(A)P(B∣A)=P(A∣B)P(B)P(A)P(B|A)=P(A|B)P(B)P(A)P(B|A)=P(A|B)P(B)P(A)P(BA)=P(AB)P(B)P(A)P(BA)=P(AB)P(B)P(A)
顺便提一下,上式中的分母P(A),可以根据全概率公式分解为:

P(A)=∑i=1nP(Bi)P(A∣Bi)P(A)=\sum_{i=1}^{n}P(B_i)P(A|B_i)P(A)=i=1nP(Bi)P(ABi)

1.2 特征条件独立假设

这一部分开始朴素贝叶斯的理论推导,从中你会深刻地理解什么是特征条件独立假设。

给定训练数据集(X,Y),其中每个样本x都包括n维特征,即x=(x1,x2,x3,…,xn)x=(x1,x2,x3,…,xn),类标记集合含有k种类别,即y=(y1,y2,…,yk)y=(y1,y2,…,yk)。

如果现在来了一个新样本x,我们要怎么判断它的类别?从概率的角度来看,这个问题就是给定x,它属于哪个类别的概率最大。那么问题就转化为求解P(y1|x),P(y2|x),…,P(yk|x)P(y1|x),P(y2|x),…,P(yk|x)中最大的那个,即求后验概率最大的输出:argmaxykP(yk|x)argmaxykP(yk|x)
那P(yk|x)P(yk|x)怎么求解?答案就是贝叶斯定理:

P(yk∣x)=P(x∣yk)P(yk)P(x)P(yk∣x)=P(x∣yk)P(yk)P(x)P(yk|x)=P(x|yk)P(yk)P(x)P(yk|x)=P(x|yk)P(yk)P(x)P(ykx)=P(xyk)P(yk)P(x)P(ykx)=P(xyk)P(yk)P(x)
根据全概率公式,可以进一步地分解上式中的分母:

P(yk∣x)=P(x∣yk)P(yk)∑kP(x∣yk)P(yk)P(yk∣x)=P(x∣yk)P(yk)∑kP(x∣yk)P(yk)P(yk|x)=\frac{P(x|yk)P(yk)}{\sum_{k}P(x|yk)P(yk)P(yk|x)}=P(x|yk)P(yk)\sum_{k}P(x|yk)P(yk)P(ykx)=kP(xyk)P(yk)P(ykx)P(xyk)P(yk)=P(xyk)P(yk)kP(xyk)P(yk) 【公式1】

先不管分母,分子中的P(yk)P(yk)是先验概率,根据训练集就可以简单地计算出来。

而条件概率P(x|yk)=P(x1,x2,…,xn|yk)P(x|yk)=P(x1,x2,…,xn|yk),它的参数规模是指数数量级别的,假设第i维特征xixi可取值的个数有SiSi个,类别取值个数为k个,那么参数个数为:k∏ni=1Sik∏i=1nSi
这显然不可行。针对这个问题,朴素贝叶斯算法对条件概率分布作出了独立性的假设,通俗地讲就是说假设各个维度的特征x1,x2,…,xnx1,x2,…,xn互相独立,在这个假设的前提上,条件概率可以转化为:

P(x∣yk)=P(x1,x2,...,xn∣yk)=∏ni=1P(xi∣yk)P(x∣yk)=P(x1,x2,...,xn∣yk)=∏i=1nP(xi∣yk)P(x|yk)=P(x1,x2,...,xn|yk)=∏ni=1P(xi|yk)P(x|yk)=P(x1,x2,...,xn|yk)=∏i=1nP(xi|yk)P(xyk)=P(x1,x2,...,xnyk)=ni=1P(xiyk)P(xyk)=P(x1,x2,...,xnyk)=i=1nP(xiyk) 【公式2】

这样,参数规模就降到∑i=1nSik\sum_{i=1}^{n}Siki=1nSik
以上就是针对条件概率所作出的特征条件独立性假设,至此,先验概率P(yk)P(yk)和条件概率P(x|yk)P(x|yk)的求解问题就都解决了,那么我们是不是可以求解我们所要的后验概率P(yk|x)P(yk|x)了?

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