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朴素贝叶斯模型:文本分类+垃圾邮件分类
2017-12-10
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朴素贝叶斯模型:文本分类+垃圾邮件分类

学习了那么多机器学习模型,一切都是为了实践,动手自己写写这些模型的实现对自己很有帮助的,坚持,共勉。本文主要致力于总结贝叶斯实战中程序代码的实现(python)及朴素贝叶斯模型原理的总结。pythonnumpy包简化了很多计算,另外本人推荐使用pandas做数据统计。

一 引言

让你猜测一个身高2.16的人的职业,你一般会猜测他是篮球运动员。这个原理就是朴素贝叶斯原理,因为篮球运动员大多身高很高,所以这个人具有篮球运动员的条件,则猜测他是篮球运动员。

同理,另一个升高1.58的人,你应该不会猜他是篮球运动员。

二 理论

条件贝叶斯公式:p(Ci | x,y)=p(x,y | Ci)*p(Ci) / p(x,y)

计算每个类别的概率,若p(C1 | x,y) > p(~C1 | x,y), 则类别属于类C1,否则不属于类C1。

程序中在模型训练的时候,只需要先在训练样本中计算好先验概率 p(Ci) 和 条件概率 p(x,y | Ci) 即可,因为p(x,y)不随Ci变化,不影响p(Ci | x,y)的最好大小。

注:条件贝叶斯是保证条件之间独立的(文档分类中是假设一个词汇出现与其他词汇是否出现无关,然而同一主题的词汇一起出现的概率很高,存在关联),所以这个假设过于简单;尽管如此,然而事实表明,朴素贝叶斯的效果还很好。

三 实战1 -文本分类(应用过滤恶意留言等)

下面是二分类问题,文档只能属于0和1两个类别,

1 载入数据集:6条文本及它们各自的类别,这6条文本作为训练集。

    from numpy import *  
      
    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 is abusive, 0 not  
        return postingList,classVec  

2 创建词汇表:利用集合结构内元素的唯一性,创建一个包含所有词汇的词表。
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    def createVocabList(dataSet):  
        vocabSet = set([])  #create empty set  
        for document in dataSet:  
            vocabSet = vocabSet | set(document) #union of the two sets  
        return list(vocabSet)  

3 把输入文本根据词表转化为计算机可处理的01向量形式:
  eq,测试文本1: ['love', 'my', 'dalmation']

    词汇表:['cute', 'love', 'help', 'garbage', 'quit', 'I', 'problems', 'is', 'park', 'stop', 'flea', 'dalmation', 'licks', 'food', 'not', 'him', 'buying', 'posting', 'has', 'worthless', 'ate', 'to', 'maybe', 'please', 'dog', 'how', 'stupid', 'so', 'take', 'mr', 'steak', 'my']

    向量化结果:[0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]

[python] view plain copy

    def setOfWords2Vec(vocabList, inputSet):  
        returnVec = [0]*len(vocabList)  
        for word in inputSet:  
            if word in vocabList:  
                returnVec[vocabList.index(word)] = 1  
            else: print "the word: %s is not in my Vocabulary!" % word  
        return returnVec  

4训练模型:在训练样本中计算先验概率 p(Ci) 和 条件概率 p(x,y | Ci),本实例有0和1两个类别,所以返回p(x,y | 0),p(x,y | 1)和p(Ci)。
  此处有两个改进的地方:
    (1)若有的类别没有出现,其概率就是0,会十分影响分类器的性能。所以采取各类别默认1次累加,总类别(两类)次数2,这样不影响相对大小。
    (2)若很小是数字相乘,则结果会更小,再四舍五入存在误差,而且会造成下溢出。采取取log,乘法变为加法,并且相对大小趋势不变。
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    def trainNB0(trainMatrix,trainCategory):  
        numTrainDocs = len(trainMatrix)  
        numWords = len(trainMatrix[0])  
        pAbusive = sum(trainCategory)/float(numTrainDocs)  
        p0Num = ones(numWords); p1Num = ones(numWords)      #change to ones()   
        p0Denom = 2.0; p1Denom = 2.0                        #change to 2.0  
        for i in range(numTrainDocs):  
            if trainCategory[i] == 1:          
                p1Num += trainMatrix[i]  
                p1Denom += sum(trainMatrix[i])  
            else:  
                p0Num += trainMatrix[i]  
                p0Denom += sum(trainMatrix[i])  
        p1Vect = log(p1Num/p1Denom)          #change to log()  
        p0Vect = log(p0Num/p0Denom)          #change to log()  
      
        return p0Vect,p1Vect,pAbusive  

5 分类:根据计算后,哪个类别的概率大,则属于哪个类别。
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    def classifyNB(vec2Classify, p0Vec, p1Vec, pClass1):  
        p1 = sum(vec2Classify * p1Vec) + log(pClass1)    #element-wise mult  
        p0 = sum(vec2Classify * p0Vec) + log(1.0 - pClass1)  
        if p1 > p0:  
            return 1  
        else:   
            return 0  

6 测试函数:
   加载数据集+提炼词表;
    训练模型:根据六条训练集计算先验概率和条件概率;
    测试模型:对训练两条测试文本进行分类。
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    def testingNB():  
        listOPosts,listClasses = loadDataSet()  
        myVocabList = createVocabList(listOPosts)  
        trainMat=[]  
        for postinDoc in listOPosts:  
            trainMat.append(setOfWords2Vec(myVocabList, postinDoc))  
        p0V,p1V,pAb = trainNB0(array(trainMat),array(listClasses))  
        testEntry = ['love', 'my', 'dalmation']  
        thisDoc = array(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)  

缺点:词表只能记录词汇是否出现,不能体现这个词汇出现的次数。改进方法:采用词袋模型,见下面垃圾邮件分类实战。

四 实战2-垃圾邮件分类
  1 对邮件的文本划分成词汇,长度小于2的默认为不是词汇,过滤掉即可。返回一串小写的拆分后的邮件信息。
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    def textParse(bigString):    #input is big string, #output is word list  
        import re  
        listOfTokens = re.split(r'\W*', bigString)  
        return [tok.lower() for tok in listOfTokens if len(tok) > 2]   

2 文档词袋模型:使用数组代替集合数据结构,可以保存词汇频率信息。
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    def bagOfWords2VecMN(vocabList, inputSet):  
        returnVec = [0]*len(vocabList)  
        for word in inputSet:  
            if word in vocabList:  
                returnVec[vocabList.index(word)] += 1  
        return returnVec  

3 输入为25封正常邮件和25封垃圾邮件。50封邮件中随机选取10封作为测试样本,剩余40封作为训练样本。
   训练模型:40封训练样本,训练出先验概率和条件概率;
   测试模型:遍历10个测试样本,计算垃圾邮件分类的正确率。
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    def spamTest():  
        docList=[]; classList = []; fullText =[]  
        for i in range(1,26):  
            wordList = textParse(open('email/spam/%d.txt' % i).read())  
            # print wordList  
            docList.append(wordList)  
            fullText.extend(wordList)  
            classList.append(1)  
            wordList = textParse(open('email/ham/%d.txt' % i).read())  
            docList.append(wordList)  
            fullText.extend(wordList)  
            classList.append(0)  
        vocabList = createVocabList(docList)#create vocabulary  
        trainingSet = range(50); testSet=[]           #create test set  
        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:#train the classifier (get probs) trainNB0  
            trainMat.append(bagOfWords2VecMN(vocabList, docList[docIndex]))  
            trainClasses.append(classList[docIndex])  
        p0V,p1V,pSpam = trainNB0(array(trainMat),array(trainClasses))  
        errorCount = 0  
        for docIndex in testSet:        #classify the remaining items  
            wordVector = bagOfWords2VecMN(vocabList, docList[docIndex])  
            if classifyNB(array(wordVector),p0V,p1V,pSpam) != classList[docIndex]:  
                errorCount += 1  
                print "classification error",docList[docIndex]  
        print 'the error rate is: ',float(errorCount)/len(testSet)  
        #return vocabList,fullText  

五 小结
  上面我处理的样本的属性值都是分类型的,然而数值型的朴素贝叶斯能处理吗?
  1 朴素贝叶斯处理数值型数据的方法:
  (1) 区间离散化,设阈值,分段。
  (2) 高斯化:求出概率密度函数,假设变量服从正态分布,根据已有变量统计均值和方差,
    得出概率密度函数,这样就解决了计算连续值作为分类的条件概率值。
  2 除0问题:
    Laplace校准 所有计算均加一,总类别数目加n;
  3 下溢出:很小的值相乘,四舍五入误差
    采用log 乘法变相加;
  4移除停用词:也可以提高文本分类的性能


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