Байесовская классификация

Вероятностная постановка задачи классификации

Пусть $X$ множество объектов, $Y$ конечное множество имён классов, множество $X \times Y$ является вероятностным пространством с плотностью распределения $p(x,y)=P(y)p(x|y)$. Вероятности появления объектов каждого из классов $P_y=P(y)$ называются априорными вероятностями классов. Плотности распределения $p_y(x)=p(x|y)$ называются функциями правдоподобия классов.

Вероятностная постановка задачи классификации разделяется на две независимые подзадачи:

• Имеется простая выборка $X^l=(x_i, y_i)^l_{i=1}$ из неизвестного распределения $p(x,y)=P_yp_y(x)$. Требуется построить эмпирические оценки априорных вероятностей $P'_y$ и функций правдоподобия $p'_y(x)$ для каждого из классов $y \in Y$.
• По известным плотностям распределения $p_y(x)$ и априорным вероятностям $P_y$ всех классов $y \in Y$ построить алгоритм $a(x)$, минимизирующий вероятность ошибочной классификации.

Априорные вероятности классов $P_y$ можно оценить согласно закону больших чисел, тогда частота появления объектов каждого из классов равна $P'_y=\frac{l_y}{l}$ где $l_y=|X^l_y|, y \in Y$ сходится по вероятности к $P_y$ при $l_y \to \infty$. Чем больше длина выборки, тем точнее выборочная оценка $P'_y$.

Оптимальный байесовский классификатор

Рассмотрим произвольный алгоритм $a:X \to Y$. Он разбивает множество $X$ на не пересекающиеся области $A_y=\{x \in X | a(x) = y\}, y \in Y$. Вероятность того,что появится объект класса $y$ и алгоритм $a$ отнесёт его к классу $s$, равна $P_yP(A_s|y)$. Каждой паре $(y,s) \in Y \times Y$ поставим в соответствие величину потери $\lambda_{ys}$ при отнесении объекта класса $y$ к классу $s$.

Определение:

Функционал среднего риска — ожидаемая величина потери при классификации объектов алгоритмом $a$: [math] R(a) = \displaystyle\sum_{y \in Y}\sum_{s \in Y}\lambda_{ys}P_yP(A_s|y) [/math]

Теорема (об оптимальности байесовского классификатора):

Если известны априорные вероятности $P_y$ и функции правдоподобия $p_y(x)$, то минимум среднего риска $R(a)$ достигается алгоритмом [math] a(x) = \displaystyle\arg\min_{s \in Y}\sum_{y \in Y}\lambda_{ys}P_yp_y(x) [/math]

Доказательство:

[math]\triangleright[/math]

Для произвольного $t \in Y$ запишем функционал среднего риска: [math] R(a)=\displaystyle\sum_{y \in Y}\sum_{s \in Y}\lambda_{ys}P_yP(A_s|y) = \sum_{y \in Y}\lambda_{yt}P_yP(A_t|y) + \sum_{s \in Y\setminus\{t\} }\sum_{y \in Y}\lambda_{ys}P_yP(A_s|y).[/math] Применив формулу полной вероятности, $P(A_t \mid y) = 1 −\displaystyle\sum_{ s \in Y \setminus \{t\} }P(A_s \mid y)$, получим: [math] R(a) = \displaystyle\sum_{y \in Y}\lambda_{yt}P_y + \sum_{ s \in Y \setminus \{t\} } \sum_{y \in Y} (\lambda_{ys} - \lambda_{yt})P_yP(A_s|y) = [/math] [math] = const(a) + \displaystyle\sum_{ s \in Y \setminus \{t\} } \int_{A_s}\sum_{y \in Y} (\lambda_{ys}−\lambda_{yt})P_yp_y(x)dx. [/math] Введём для сокращения записи обозначение $g_s(x) = \displaystyle\sum_{y \in Y}\lambda_{ys}P_yp_y(x)$, тогда $R(a) = const(a) + \displaystyle\sum_{ s \in Y \setminus \{t\} }\int_{A_s}(g_s(x)−g_t(x))dx$. Минимум интеграла достигается, когда $A_s$ совпадает с областью неположительности подынтегрального выражения. [math] A_s=\{x \in X \mid g_s(x) \leq g_t(x), \forall t \in Y, t \leq s\}. [/math] С другой стороны, $A_s=\{x \in X \mid a(x) = s\}$. Значит, $a(x) = s$ тогда и только тогда, когда $s= \displaystyle\arg\min_{t \in Y}g_t(x)$.

[math]\triangleleft[/math]

Наивный байесовский классификатор

Допустим, что объекты $x \in X$ описываются $n$ числовыми признаками $f_j:X→R,j= 1,...,n$. Обозначим через $x = (\xi_1,...,\xi_n)$ произвольный элемент пространства объектов $X=R^n$, где $\xi_j=f_j(x)$.

Предположим, что признаки $f_1(x),...,f_n(x)$ являются независимыми случайными величинами. Следовательно, функции правдоподобия классов представимы в виде:

[math] p_y(x) = \displaystyle\prod^n_{i=1}p_{yi}(\xi_i) [/math]

где $p_{yj}(\xi_j)$ плотность распределения значений $j$-го признака для класса $y$. Алгоритмы классификации исходящие из этого предположения, называются наивными байесовскими.

Подставим эмпирические оценки одномерных плотностей в байесовский классификатор. Получим алгоритм:

[math] a(x) = \displaystyle\arg\max_{y \in Y}(\ln\lambda_yP'_y + \sum^n_{j=1}\ln p'_{yj}(\xi_j)). [/math]

Основные его преимущества — простота реализации и низкие вычислительные затраты при обучении и классификации. В тех редких случаях, когда признаки почти независимы, наивный байесовский классификатор близок к оптимальному. Достаточно малое количество данных необходимо для обучения, оценки параметров и классификации.

Основной его недостаток — низкое качество классификации в общем случае.

Применение

Из-за своего низкого качества классификации наивный байесовскими классификатор в основном он используется либо как эталон при экспериментальном сравнении алгоритмов, либо как элементарный строительный блок в алгоритмических композициях.

Рассмотрим частое применение байесовского классификатора к задаче классификации документов по их содержимому, а именно к классификации электронных писем на два класса — спам ($S$) и не-спам ($\displaystyle \neg S$), предполагая что вероятность слов в тексте не зависит друг от друга:

Программные спам-фильтры, построенные на принципах наивного байесовского классификатора, делают «наивное» предположение о том, что события, соответствующие наличию того или иного слова в электронном письме или сообщении, являются независимыми по отношению друг к другу. Это упрощение в общем случае является неверным для естественных языков:

[math] P(a\ very\ close\ game) = P(a) \times P(very) \times P(close) \times P(game) [/math]

Исходя из такого предположения, для решения задачи классификации сообщений лишь на 2 класса: $S$ (спам) и $H = \neg S$ («хэм», то есть не спам) из теоремы Байеса можно вывести следующую формулу оценки вероятности «спамовости» всего сообщения $D$, содержащего слова $W_1, W_2, ... W_N$:

[math]\displaystyle p(S\mid D) = p(S\mid W_1, W_2, ... W_N) = \frac{p(W_1, W_2, ... W_N\mid S) \cdot p(S)}{p(W_1, W_2, ... W_N)} = [/math] [так как $W_i$ предполагаются независимыми] [math]=[/math]

[math]= \displaystyle\frac{\prod_{i} p(W_i\mid S) \cdot p(S)}{p(W_1, W_2, ... W_N)} = \frac{\prod_{i}p(S\mid W_i)}{\prod_i(p(S\mid W_i)) + \left(\frac{p(\neg S)}{p(S)}\right)^{1-N} \cdot \prod_i p(\neg S\mid W_i)} [/math]

Результат $p$ обычно сравнивают с некоторым порогом (например, $0.5$), чтобы решить, является ли сообщение спамом или нет. Если $p$ ниже, чем порог, сообщение рассматривают как вероятный «ham», иначе его рассматривают как вероятный спам.

[math]\displaystyle\ln{p(S\mid D)\over p(\neg S\mid D)} \gt h[/math].

Примеры кода

Пример кода scikit-learn

Классификатор GaussianNB реализует наивный байесовский классификатор в предположении что изначальное распределение было гауссовым:

[math] P(x_i \mid y) = \displaystyle\frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2_y}}\exp(-\frac{(x_i - \mu_y)^2}{2\sigma^2_y}) [/math]

from sklearn import datasets
from sklearn.metrics import f1_score, accuracy_score
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB
iris = datasets.load_iris()
gnb = GaussianNB()
pred = gnb.fit(iris.data, iris.target).predict(iris.data)
accuracy = accuracy_score(iris.target, pred)
f1 = f1_score(iris.target, pred, average="micro")
print("accruracy:", accuracy, "f1:", f1)

Вывод:

accruracy: 0.96 f1: 0.96

Пример на языке Java

Пример классификации с применением weka.classifiers.bayes.NaiveBayes

Maven зависимость:

 <dependency>
   <groupId>nz.ac.waikato.cms.weka</groupId>
   <artifactId>weka-stable</artifactId>
   <version>3.8.0</version>
 </dependency>

 import weka.classifiers.bayes.NaiveBayes;
 import weka.classifiers.evaluation.Evaluation;
 import weka.core.converters.ConverterUtils;
 import java.util.Random;

 // load dataset
 var source = new DataSource("/iris.arff");
 var dataset = source.getDataSet();	
 // set class index to the last attribute
 dataset.setClassIndex(dataset.numAttributes() - 1);
 // create and build the classifier
 var nb = new NaiveBayes();
 nb.buildClassifier(dataset);
 // cross validate model
 var eval = new Evaluation(dataset);
 eval.crossValidateModel(nb, dataset, 10, new Random(41));
 System.out.println("Estimated Accuracy: "+ Double.toString(eval.pctCorrect()));

Пример на языке R

# importing package and it's dependencies
library(e1071)

# reading data
data <- read.csv("input.csv", sep = ',', header = FALSE)

# splitting data into training and test data sets
index <- createDataPartition(y = data$target, p = 0.8, list = FALSE)
training <- data[index,]
testing <- data[-index,]

# create objects x and y for predictor and response variables
x <- training[, -9]
y <- training$target

# training model
model <- train(x, y, 'nb', trControl = trainControl(method = 'cv', number = 10))

# predicting results
predictions <- predict(model, newdata = testing)

См. также

• Байесовские сети
• Независимые события
• Формула Байеса

Источники информации

• Википедия — Наивный байесовский классификатор
• К.В.Воронцов Математические методы обучения по прецедентам
• Scikit-learn 1.9. Supervised learning - Naive Bayes

Weka, Naive Bayes