貝葉斯識別演算法

㈠ 貝葉斯分類演算法的基本步驟

主要有以下7個步驟：
1. 收集大量的垃圾郵件和非垃圾郵件，建立垃圾郵件集和非垃圾郵件集。
2. 提取郵件主題和郵件體中的獨立字元串，例如 ABC32，￥234等作為TOKEN串並統計提取出的TOKEN串出現的次數即字頻。按照上述的方法分別處理垃圾郵件集和非垃圾郵件集中的所有郵件。
3. 每一個郵件集對應一個哈希表，hashtable_good對應非垃圾郵件集而hashtable_bad對應垃圾郵件集。表中存儲TOKEN串到字頻的映射關系。
4. 計算每個哈希表中TOKEN串出現的概率P=（某TOKEN串的字頻）/（對應哈希表的長度）。
5. 綜合考慮hashtable_good和hashtable_bad，推斷出當新來的郵件中出現某個TOKEN串時，該新郵件為垃圾郵件的概率。數學表達式為：
A 事件 ---- 郵件為垃圾郵件；
t1,t2 …….tn 代表 TOKEN 串
則 P （ A|ti ）表示在郵件中出現 TOKEN 串 ti 時，該郵件為垃圾郵件的概率。
設
P1 （ ti ） = （ ti 在 hashtable_good 中的值）
P2 （ ti ） = （ ti 在 hashtable_ bad 中的值）
則 P （ A|ti ） =P2 （ ti ） /[ （ P1 （ ti ） +P2 （ ti ） ] ；
6. 建立新的哈希表hashtable_probability存儲TOKEN串ti到P（A|ti）的映射
7. 至此，垃圾郵件集和非垃圾郵件集的學習過程結束。根據建立的哈希表 hashtable_probability可以估計一封新到的郵件為垃圾郵件的可能性。
當新到一封郵件時，按照步驟2，生成TOKEN串。查詢hashtable_probability得到該TOKEN 串的鍵值。
假設由該郵件共得到N個TOKEN 串，t1,t2…….tn,hashtable_probability中對應的值為 P1 ， P2 ， ……PN ， P(A|t1 ,t2, t3……tn) 表示在郵件中同時出現多個TOKEN串t1,t2……tn時，該郵件為垃圾郵件的概率。
由復合概率公式可得
P(A|t1 ,t2, t3……tn)=（P1*P2*……PN）/[P1*P2*……PN+（1-P1）*（1-P2）*……（1-PN）]
當 P(A|t1 ,t2, t3……tn) 超過預定閾值時，就可以判斷郵件為垃圾郵件。

㈡ 貝葉斯演算法

貝葉斯演算法是統計學的一種分類方法，它是一類利用概率統計知識進行分類的演算法。

在許多場合，樸素貝葉斯分類演算法可以與決策樹和神經網路分類演算法相媲美，該演算法能運用到大型資料庫中，而且方法簡單、分類准確率高、速度快。

通常，用虛線代表NB所需的邊，用實線代表新增的邊。屬性Ai與Aj之間的邊意味著屬性Ai對類別變數C的影響還取決於屬性Aj的取值。這些增加的邊需滿足下列條件：類別變數沒有雙親結點，每個屬性有一個類別變數雙親結點和最多另外一個屬性作為其雙親結點。

由於在TAN演算法中考慮了n個屬性中（n-1）個兩兩屬性之間的關聯性，該演算法對屬性之間獨立性的假設有了一定程度的降低，但是屬性之間可能存在更多其它的關聯性仍沒有考慮，因此其適用范圍仍然受到限制。

㈢ 樸素貝葉斯演算法

貝葉斯演算法是由英國數學家托馬斯·貝葉斯提出的，這個演算法的提出是為了解決「逆向概率」的問題。首先我們先來解釋下正向概率與逆向概率的含義：

正向概率 ：假設一個箱子里有5個黃色球和5個白色球，隨機從箱子里拿出一個球，請問取出的是黃球的概率是多少？很容易計算P（黃球）= N（黃球）/N（黃球）+ N（白球） = 5/5+5 = 1/2。
逆向概率 ：起初我們並不知道箱子里有多少個球，我們依次從箱子里取出10個球，發現這個10個球中有7個白球，3個黃球，那麼我們會根據我們觀察到的結果去推測箱子里白球與黃球的分布比例大概是7:3，但是我們無法推測出箱子里的球的個數。

貝葉斯演算法是一種基於概率統計的機器學習演算法，它會計算出每種情況發生的概率，然後對其進行分類，貝葉斯演算法經常用於文本分類問題和垃圾郵件過濾問題。假設有一篇新聞報道news report，我們使用貝葉斯演算法來判斷它們的類別，結果如下：
p(politics|news) = 0.2
p(entertainment|news) = 0.4
p(sports|news) = 0.7
因為p(sports|news)的概率最大，所以我們判斷這篇新聞報道為體育類報道。「|」左邊為要判斷的類別，右邊是我們給定的文章。

貝葉斯公式推導
接下來，我們將通過一個例子來推導貝葉斯公式。在一所學校里，男生和女生的比例分別是60%和40%，男生全部穿長褲，女生一半穿長褲，一半穿裙子。現迎面走來一個同學，你只能看清他（她）穿的是長褲，而無法分辨出他（她）的性別，請問他（她）是女生的概率？

下面我們逐步計算這個問題：
假設學校里的學生總數為N。
男生人數：N * P(boys)，女生人數：N * P(girls)。
穿長褲的男生人數：N * P(boys) * P(pants|boys)，其中P(pants|boys)是條件概率的表達形式，意思是男生中穿長褲的概率。因為男生都穿長褲，所以N * P(boys) * P(pants|boys) = 60% * N。
穿長褲的女生的人數：N * P(girs) * P(pants|girls) = 0.2 * N。
穿長褲的總人數：N * P(boys) * P(pants|boys) + N * P(girs) * P(pants|girls)
穿長褲的同學是女生的概率：P(girl|pants) = N * P(girs) * P(pants|girls) / N * P(boys) * P(pants|boys) + N * P(girs) * P(pants|girls) = P(girs)*P(pants|girls) / P(pants)，分母用P(pants)表示穿長褲的概率。
最終結果：P(girl | pants) = P(pants | girl) * P(girl) / P(pants)
其中：P(girl)我們稱為先驗概率，是已知值，在這個例子中P(girl) = 40%。先驗概率：根據以往的經驗和分析得到的結果，先驗概率和其他條件的影響不受樣本影響。
P(girl | pants)我們稱為後驗概率，根據觀察到的結果，去反推是女生的概率。
貝葉斯數學表達式

貝葉斯演算法在垃圾郵件過濾中的應用
給定一封郵件，判定它是否屬於垃圾郵件？用D 來表示這封郵件，注意D 由N 個單片語成。我們用h+ 來表示垃圾郵件，h-表示正常郵件。
有貝葉斯公式可得：
P(h+ | D) = P(D | h+) * P(h+) / P(D)
P(h- | D) = P(D | h-) * P(h-) / P(D)
其中P(h+)，P(h-)為先驗概率，假如我們有1000封郵件，其中有50封是垃圾郵件，其他都是正常郵件，那麼P(h+)，P(h-)的概率就是已知的。兩個式子的分母都是P(D)，所以P(D)對於最終結果的比較是沒有影響的。接下來就是要求P(D | h+),P(D | h-)垃圾郵件中或正常郵件中是郵件D的概率。
我們都知道一封郵件是由許多詞構成的，所以我們將P(D | h+)的表達式轉化為P(d1,d2,d3......dn | h+)，就是看垃圾郵件中出現d1,d2...dn這些詞的概率是多少。
P(d1,d2,d3......dn | h+) = P(d1 | h+) * P(d2 |d1,h+) * P(d3 |d1,d2,h+) ...
這個式子計算起來非常困難，所以在這里我們做一個假設，假設每個詞都是獨立的並且互不影響，那麼這個式子就可以表示為：
P(d1,d2,d3......dn | h+) = P(d1 | h+) * P(d2 | h+) * P(d3 | h+) ...P(dn | h+)
P(h+ | D) = {P(d1 | h+) * P(d2 | h+) * P(d3 | h+) ...P(dn | h+)}* P(h+) / P(D)
上述這個式子我們就稱為樸素貝葉斯公式，樸素貝葉斯公式是對貝葉斯公式的簡化，它建立在每個條子互相獨立的基礎上。
在現實生活中，我們寫的每一句話中詞與詞之間肯定是有相互聯系，如果沒有聯系，那麼這句話是讀不通的。那麼為什麼樸素貝葉斯能夠在計算中使用，首先是計算簡單，其次對最終結果的影響非常小。
參考資料
1.唐宇迪，《機器學習與數據分析實戰》課程。
2.Peter，《機器學習實戰》。