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机器学习之朴素贝叶斯(NB)分类算法与Python实现

2017-05-09 23:22 931 查看

朴素贝叶斯（Naive Bayesian）是最为广泛使用的分类方法，它以概率论为基础，是基于贝叶斯定理和特征条件独立假设的分类方法。

一概述
1 简介

2 条件概率与贝叶斯定理

3 朴素贝叶斯分类的原理

4 朴素贝叶斯分类的流程和优缺点

二Python算法实现
1 根据文档词汇表构建词向量

2 运用词向量计算概率

3 运用分类器函数对文档进行分类

三实例使用朴素贝叶斯过滤垃圾邮件

四实例使用朴素贝叶斯分类器从个人广告中获取区域倾向

一、概述

1.1 简介

朴素贝叶斯（Naive Bayesian）是基于贝叶斯定理和特征条件独立假设的分类方法，它通过特征计算分类的概率，选取概率大的情况进行分类，因此它是基于概率论的一种机器学习分类方法。因为分类的目标是确定的，所以也是属于监督学习。

Q1：什么是基于概率论的方法？

通过概率来衡量事件发生的可能性。概率论和统计学恰好是两个相反的概念，统计学是抽取部分样本进行统计来估算总体的情况，而概率论是通过总体情况来估计单个事件或者部分事情的发生情况。因此，概率论需要已知的数据去预测未知的事件。

例如，我们看到天气乌云密布，电闪雷鸣并阵阵狂风，在这样的天气特征(F)下，我们推断下雨的概率比不下雨的概率大，也就是p(下雨)>p(不下雨),所以认为待会儿会下雨。这个从经验上看对概率进行判断。

而气象局通过多年长期积累的数据，经过计算，今天下雨的概率p(下雨)=85%,p(不下雨)=15%,同样的，p(下雨）>p(不下雨)，因此今天的天气预报肯定预报下雨。这是通过一定的方法计算概率从而对下雨事件进行判断。

Q2:朴素贝叶斯，朴素在什么地方？

之所以叫朴素贝叶斯，因为它简单、易于操作，基于特征独立性假设，假设各个特征不会相互影响，这样就大大减小了计算概率的难度。

1.2 条件概率与贝叶斯定理

（1）概率论中几个基本概念

事件交和并：

A和B两个事件的交，指的是事件A和B同时出现，记为A∩B;

A和B两个事件的并，指的是事件A和事件B至少出现一次的情况，记为A∪B。

互补事件：事件A的补集，也就是事件A不发生的时候的事件，记为Ac。这个时候，要么A发生，要么Ac发生，P(A)+P(Ac)=1。

条件概率(conditional probability)：

某个事件发生时另外一个事件发生的概率，如事件B发生条件下事件A发生的概率：

P(A|B)=P(A∩B)P(B)

概率的乘法法则（multiplication rule of probability）：

P(A∩B)=P(A)P(B|A)orP(A∩B)=P(B)P(A|B)

独立事件交的概率：

两个相互独立的事件，其交的概率为：

P(A∩B)=P(A)P(B)

更多概率论基本概念，参见：概率论基本概念

（2）贝叶斯定理（Bayes’s Rule）：

如果有k个互斥且有穷个事件

B1,B2⋅⋅⋅，Bk，并且，P(B1)+P(B2)+⋅⋅⋅+P(Bk)=1和一个可以观测到的事件A，那么有：

P(Bi|A)=P(Bi∩A)P(A)=P(Bi)P(A|Bi)P(B1)P(A|B1)+P(B2)P(A|B2)+⋅⋅⋅+P(Bk)P(A|Bk)

p(A) ：事件A发生的概率；

p(A∩B) :事件A 和事件B同时发生的概率

p(A|B) ：表示事件A在事件B发生的条件下发生的概率，

1.3 朴素贝叶斯分类的原理

1.4 朴素贝叶斯分类的流程和优缺点

（1）分类流程

1.数据准备：收集数据，并将数据预处理为数值型或者布尔型，如对文本分类，需要将文本解析为词向量

2.训练数据：根据训练样本集计算词项出现的概率，训练数据后得到各类下词汇出现概率的向量

3. 测试数据：用测试样本集去测试分类的准确性

（2）优缺点

1. 监督学习，需要确定分类的目标

2. 对缺失数据不敏感，在数据较少的情况下依然可以使用该方法

3. 可以处理多个类别的分类问题

4. 适用于标称型数据

5. 对输入数据的形势比较敏感

6. 由于用先验数据去预测分类，因此存在误差

二、Python算法实现

以在线社区的留言板评论为例，运用朴素贝叶斯分类方法，对文本进行自动分类。

构造一些实验样本，包括已经切分词条的文档集合，并且已经分类（带有侮辱性言论，和正常言论）。为了获取方便，在bayes.py中构造一个loadDataSet函数来生成实验样本。

def loadDataSet():
postingList=[['my', 'dog', 'has', 'flea', 'problems', 'help', 'please'],
['maybe', 'not', 'take', 'him', 'to', 'dog', 'park', 'stupid'],
['my', 'dalmation', 'is', 'so', 'cute', 'I', 'love', 'him'],
['stop', 'posting', 'stupid', 'worthless', 'garbage'],
['mr', 'licks', 'ate', 'my', 'steak', 'how', 'to', 'stop', 'him'],
['quit', 'buying', 'worthless', 'dog', 'food', 'stupid']]
classVec=[0,1,0,1,0,1] #1表示侮辱性言论，0表示正常言论
return postingList,classVec

2.1 根据文档词汇表构建词向量

(1)构建词汇表生成函数creatVocabList：

def createVocabList(dataSet):
vocabSet=set([])
for document in dataSet:
vocabSet=vocabSet|set(document) #取两个集合的并集
return list(vocabSet)

(2)对输入的词汇表构建词向量

#词集模型
def setOfWords2Vec(vocabList,inputSet):
returnVec=zeros(len(vocabList)) #生成零向量的array
for word in inputSet:
if word in vocabList:
returnVec[vocabList.index(word)]=1 #有单词，则该位置填充0
else: print('the word:%s is not in my Vocabulary!'% word)
return returnVec #返回全为0和1的向量

这种构建词向量的方法，只记录了每个词是否出现，而没有记录词出现的次数，这样的模型叫做词集模型，如果在词向量中记录词出现的次数，没出现一次，则多记录一次，这样的词向量构建方法，被称为词袋模型，下面构建以一个词袋模型的词向量生成函数bagOfWord2VecMN:

#词袋模型
def bagOfWords2VecMN(vocabList,inputSet):
returnVec=[0]*len(vocabList)
for word in inputSet:
if word in vocabList:
returnVec[vocabList.index(word)]+=1
return returnVec #返回非负整数的词向量

测试，对词向量生成函数进行测试，在控制台输入如下命令：

In [105]: import bayes
...:
In [106]: listPosts,listClasses=bayes.loadDataSet()
...:
In [107]: myVocabList=bayes.createVocabList(listPosts)
...:
In [108]: myVocabList
...:
Out[108]:
['I','quit', 'him', 'licks', 'food', 'problems', 'how', 'help', 'mr', 'my', 'take', 'posting', 'stupid', 'has', 'steak', 'buying', 'dalmation', 'flea', 'cute', 'park', 'please', 'dog', 'worthless', 'to', 'garbage','love', 'is', 'so', 'maybe', 'ate', 'stop', 'not']

In [109]: bayes.setOfWords2Vec(myVocabList,listPosts[0])
...:
Out[109]: array([ 0.,  0.,  0., ...,  0.,  0.,  0.])

In [110]: bayes.setOfWords2Vec(myVocabList,listPosts[1])
...:
Out[110]: array([ 0.,  0.,  1., ...,  0.,  0.,  1.])

2.2 运用词向量计算概率

是用Python代码实现，创建函数TrainNB：

def trainNB0(trainMatrix,trainCategory):
numTrainDocs=len(trainMatrix) #文档数目
numWord=len(trainMatrix[0]) #词汇表词数目
pAbusive=sum(trainCategory)/len(trainCategory) #p1,出现侮辱性评论的概率
p0Num=zeros(numWord);p1Num=zeros(numWord)
p0Demon=0;p1Demon=0
for i in range(numTrainDocs):
if trainCategory[i]==0:
p0Num+=trainMatrix[i] #向量相加
p0Demon+=sum(trainMatrix[i]) #向量中1累加求和
else:
p1Num+=trainMatrix[i]
p1Demon+=sum(trainMatrix[i])
p0Vec=p0Num/p0Demon
p1Vec=p1Num/p1Demon
return p0Vec,p1Vec,pAbusive

解释：

1.

pAbusive=sum(trainCategory)/len(trainCategory)

，表示文档集中分类为1的文档数目，累加求和将词向量中所有1相加，len求长度函数则对所有0和1进行计数，最后得到分类为1的概率

2.

p0Num+=trainMatrix[i];p0Demon+=sum(trainMatrix[i])

，前者是向量相加，其结果还是向量，trainMatrix[i]中是1的位置全部加到p0Num中，后者是先求和（该词向量中词项的数目），其结果是数值，表示词项总数。

3.

p0Vec=p0Num/p0Demon

，向量除以数值，结果是向量，向量中每个元素都除以该数值。

测试：对构建的朴素贝叶斯分类器训练函数进行测试，在python（个人使用的是ipython）提示符中输入：

In [111]: reload(bayes)
...:
Out[111]: <module 'bayes' from 'G:\\Workspaces\\MachineLearning\\bayes.py'>
In [112]: listPosts,listClasses=bayes.loadDataSet()
...:
In [113]: myVocabList=bayes.createVocabList(listPosts)
...:
In [114]: trainMat=[]
...:
In [115]: for postinDoc in listPosts:
...:     trainMat.append(bayes.setOfWords2Vec(myVocabList,postinDoc))
...:
...:
In [116]: p0v,p1v,pAb=bayes.trainNB0(trainMat,listClasses)
...:
In [117]: pAb
...:
Out[117]: 0.5
In [118]: p0v
...:
Out[118]:
array([ 0.04166667,  0.        ,  0.08333333, ...,  0.04166667,
0.04166667,  0.        ])
In [119]: p1v
...:
Out[119]:
array([ 0.        ,  0.05263158,  0.05263158, ...,  0.        ,
0.05263158,  0.05263158])
#myVocabList中第26个词汇是'love'，即myVocabList[25]='love'
In [121]: p0v[25]
Out[121]: 0.041666666666666664
In [122]: p1v[25]
Out[122]: 0.0
##myVocabList中第13个词汇是'stupid'，即myVocabList[13]='stupid'
In [124]: p0v[12]
Out[124]: 0.0
In [125]: p1v[12]
Out[125]: 0.15789473684210525

从结果我们看到，侮辱性文档出现的概率是0.5，词项’love’在侮辱性文档中出现的概率是0，在正常言论中出现的概率是0.042；词项‘stupid’在正常言论中出现的概率是0，在侮辱性言论中出现的规律是0.158.

算法漏洞：

乘积为0

我们看到，当某分类下某词项出现频次为0时，其概率也是0，因此在计算p(w0|ci)p(w1|ci)p(w2|ci)......p(wN|ci)会因为其中某个的概率为0而全部是0。

为了避免这样的情况发生，我们将所有词项出现的频次都初始化为1，某类所有词项数量初始化为2。

因子太小导致结果溢出问题

由于p(w0|ci)p(w1|ci)p(w2|ci)......p(wN|ci)中每个因子都很小，所有因子相乘，特别是因子数量多的时候，会导致结果溢出，从而得到错误的数据

避免溢出问题的发生，可以使用求自然对数的方法，自然对数和原本的数值同增同减，不会有任何损失，因此不会影响求得的概率结果。

因此，将朴素贝叶斯分类器函数修改为：

def trainNB1(trainMatrix,trainCategory):
numTrainDocs=len(trainMatrix)
numWord=len(trainMatrix[0])
pAbusive=sum(trainCategory)/len(trainCategory)
p0Num=ones(numWord);p1Num=ones(numWord)# 初始化为1
p0Demon=2;p1Demon=2 #初始化为2
for i in range(numTrainDocs):
if trainCategory[i]==0:
p0Num+=trainMatrix[i]
p0Demon+=sum(trainMatrix[i])
else:
p1Num+=trainMatrix[i]
p1Demon+=sum(trainMatrix[i])
p0Vec=log(p0Num/p0Demon) #对结果求对数
p1Vec=log(p1Num/p1Demon) #对结果求自然对数
return p0Vec,p1Vec,pAbusive

2.3 运用分类器函数对文档进行分类

前文概率论讲到，计算文档在各类中的概率，取较大者作为该文档的分类，所以构建分类函数classifyNB:

def classifyNB(vec2Classify,p0Vec,p1Vec,pClass1):
p1=sum(vec2Classify*p1Vec)+log(pClass1)
p0=sum(vec2Classify*p0Vec)+log(1-pClass1)
if p1>p0:
return 1
else:
return 0

说明：

p1=sum(vec2Classify*p1Vec)+log(pClass1) 的数学原理是ln(a*b)=ln(a) +ln(b)

接下来构造几个样本，来测试分类函数：

def testingNB():
listPosts,listClasses=loadDataSet()
myVocabList=createVocabList(listPosts)
trainMat=[]
for postinDoc in listPosts:
trainMat.append(setOfWords2Vec(myVocabList,postinDoc))
p0V,p1V,pAb=trainNB1(trainMat,listClasses)
testEntry=['love','my','dalmation']
thisDoc=setOfWords2Vec(myVocabList,testEntry)
print(testEntry,'classified as:',classifyNB(thisDoc,p0V,p1V,pAb))
testEntry=['stupid','garbage']
thisDoc=array(setOfWords2Vec(myVocabList,testEntry))
print(testEntry,'classified as:',classifyNB(thisDoc,p0V,p1V,pAb))

测试，在Python命令符中输入：

In [126]: reload(bayes)
...:
Out[126]: <module 'bayes' from 'G:\\Workspaces\\MachineLearning\\bayes.py'>

In [127]: bayes.testingNB()
...:
['love', 'my', 'dalmation'] classified as: 0 #分类到正常言论
['stupid', 'garbage'] classified as: 1 #分类到侮辱性言论

三、实例：使用朴素贝叶斯过滤垃圾邮件

文件夹spam和ham中各有25封txt文档形式的邮件正文，两个文件夹分别分类为1和0，如打开ham中2.txt文件，其内容为：

Yay to you both doing fine!

I'm working on an MBA in Design Strategy at CCA (top art school.)  It's a new program focusing on more of a right-brained creative and strategic approach to management.  I'm an 1/8 of the way done today!

现在，利用这些文档，进行朴素贝叶斯分类算法训练和测试：

#切分文本函数
def textParser(bigString):
import re #正则表达式
listOfTokens=re.split(r'\W*',bigString) #\W表示非单词符进行划分
return [tok.lower() for tok in listOfTokens if len(tok)>2] #返回小写且长度大于2的词项

#对文件夹中文件进行自动处理
def spanTest():
docList=[];classList=[];fullText=[]
for i in range(1,26):
wordList=textParser(open('machinelearninginaction/Ch04/email/spam/%d.txt'%i).read())
docList.append(wordList)
fullText.extend(wordList)
classList.append(1)
wordList=textParser(open('machinelearninginaction/Ch04/email/ham/%d.txt'%i).read())
docList.append(wordList)
fullText.extend(wordList)
classList.append(0)
vocabList=createVocabList(docList)
#留存交叉验证
trainingSet=list(range(50));testSet=[]
for i in range(10):
randIndex=int(random.uniform(0,len(trainingSet)))
testSet.append(trainingSet[randIndex])
del(trainingSet[randIndex])
trainMat=[];trainClasses=[]
for docIndex in trainingSet:
trainMat.append(setOfWords2Vec(vocabList,docList[docIndex]))
trainClasses.append(classList[docIndex])
p0V,p1V,pAb=trainNB1(trainMat,trainClasses)
errorCount=0
for docIndex in testSet:
wordVector=setOfWords2Vec(vocabList,docList[docIndex])
if classifyNB(wordVector,p0V,p1V,pAb) != classList[docIndex]:
errorCount+=1
print('classification error',docList[docIndex])
print('the error rate is:',float(errorCount)/len(testSet))

利用该样本集合中的数据样本，随机选取一部分作为训练样本集，剩余部分作为测试样本集，这样的方法称为留存交叉验证

在Python console中对函数进行测试：

In [131]: bayes.spanTest()
...:
classification error ['home', 'based', 'business', 'opportunity', 'knocking', 'your', 'door', 'don抰', 'rude', 'and', 'let', 'this', 'chance', 'you', 'can', 'earn', 'great', 'income', 'and', 'find', 'your', 'financial', 'life', 'transformed', 'learn', 'more', 'here', 'your', 'success', 'work', 'from', 'home', 'finder', 'experts']
the error rate is: 0.1
D:\Tools\ANACONDA\lib\re.py:212: FutureWarning: split() requires a non-empty pattern match.
return _compile(pattern, flags).split(string, maxsplit)

可以看到测试的错误率为0.1，并且输出了分类错误的文档中的词项。多次执行上述函数进行测试，发现错误率会变化。

四、实例：使用朴素贝叶斯分类器从个人广告中获取区域倾向

我们利用Python库中中的Universal Feed Parser来获取数据，首先需要引入包feedparser:

import feedparser

，如果没有需要安装，比较简单的方法是使用pip进行安装。

#获取频率最高的词项
def calcMostFreq(vocabList,fullText):
import operator
freqDict={}
for word in vocabList:
freqDict[word]=fullText.count(word)
sortedFreq=sorted(freqDict.items(),key=operator.itemgetter(1),reverse=True)
return sortedFreq[:20]

#
def localWords(feed1,feed0):
import feedparser
docList=[];classList=[];fullText=[]
minLen=min(len(feed1['entries']),len(feed0['entries']))
for i in range(minLen):
wordList=textParser(feed1['entries'][i]['summary'])
docList.append(wordList)
fullText.extend(wordList)
classList.append(1)
wordList=textParser(feed0['entries'][i]['summary'])
docList.append(wordList)
fullText.extend(wordList)
classList.append(0)
vocabList=createVocabList(docList)
top30words=calcMostFreq(vocabList,fullText) #选取频率最高的30个词
#去掉出现频率最高的30个词
for pairW in top30words:
if pairW[0] in vocabList:
vocabList.remove(pairW[0])
trainSet=list(range(2*minLen))
testSet=[]
for i in range(20):
randIndex=int(random.uniform(0,len(trainSet)))
testSet.append(trainSet[randIndex])
del(trainSet[randIndex])
trainMat=[];trainClasses=[]
for docIndex in trainSet:
trainMat.append(bagOfWords2VecMN(vocabList,docList[docIndex]))
trainClasses.append(classList[docIndex])
p0V,p1V,pSpam=trainNB1(trainMat,trainClasses)
errorCount=0
for docIndex in testSet:
wordVector=bagOfWords2VecMN(vocabList,docList[docIndex])
if classifyNB(wordVector,p0V,p1V,pSpam) !=classList[docIndex]:
errorCount+=1
print('the error rate is:',float(errorCount)/len(testSet))
return vocabList,p0V,p1V

说明：

1.为什么要去除频次最高的词项：因为出现频次高的词项很多是没有意义的冗余和辅助性内容，不移除这些词汇，使用朴素贝叶斯分类算法，其错误率会显著高一些

- 另外一个方法，是从词表中删除辅助词，这个需要删除的词表被称为停用词表，这个网站列出了多门语言，如英文、中文等语言中的停用词表。

在Python命令符中对上述函数进行测试：

In [132]: import feedparser
...:
In [133]: ny=feedparser.parse('https://newyork.craigslist.org/stp/index.rss')
...:
In [134]: sf=feedparser.parse('https://sfbay.craigslist.org/stp/index.rss')
...:
In [135]: vocabList,pSF,pNY=bayes.localWords(ny,sf)
...:
the error rate is: 0.45
D:\Tools\ANACONDA\lib\re.py:212: FutureWarning: split() requires a non-empty pattern match.
return _compile(pattern, flags).split(string, maxsplit)

In [136]: vocabList,pSF,pNY=bayes.localWords(ny,sf)
...:
the error rate is: 0.3
D:\Tools\ANACONDA\lib\re.py:212: FutureWarning: split() requires a non-empty pattern match.
return _compile(pattern, flags).split(string, maxsplit)

(2)显示最具表征性的词汇

#最具表征性的词汇表显示函数
def getTopWords(ny,sf,t=-6.0):
import operator
vocabList,p0V,p1V=localWords(ny,sf)
topNY=[];topSF=[]
for i in range(len(p0V)):
#选取一个阈值t
if p0V[i]>t:topSF.append((vocabList[i],p0V[i]))
if p1V[i]>t:topNY.append((vocabList[i],p1V[i]))
sortedSF=sorted(topSF,key=lambda x: x[1],reverse=True)
print('SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF')
for item in sortedSF:
print(item[0])
sortedNY=sorted(topNY,key=lambda pair: pair[1],reverse=True)
print('NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY')
for item in sortedNY:
print(item[0])

测试：在Python命令符中输入命令来测试函数：

In [143]: bayes.getTopWords(ny,sf,-4.5)
the error rate is: 0.4
SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF**SF
guy
know
talk
friendship
married
maybe
going
single
out
male
NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY**NY
day
out
meet
chat
seeking
year
time
stocks
well
now
woman
kik
company
work
D:\Tools\ANACONDA\lib\re.py:212: FutureWarning: split() requires a non-empty pattern match.
return _compile(pattern, flags).split(string, maxsplit)

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