7.1 试使用极大似然法估算回瓜数据集 3.0 中前 3 个属性的类条件概率.
答：
以第一个属性色泽为例，其值计数如下：
- 色泽 乌黑 浅白 青绿
- 好瓜
- 否 2 4 3
- 是 4 1 3
只有在两者决策边界之间（浅黄色区域），其分类情况是不同的，在其他区域，朴素贝叶斯分类结果和最优贝叶斯的分类结果是相同的，因此即便属性之间独立性假设不成立，朴素贝叶斯在某些条件（本例中就是属性概率分布在两者相交区域之外）下任然是最优贝叶斯分类器。
参考：
《On the Optimality of the Simple Bayesian Classifier under Zero-One Loss》
ps.这个例子就是来自该论文，只做了一点翻译工作。论文中给出了更全面的理论证明，和朴素贝叶斯产生最优贝叶斯分类的充分必要条件。本打算看完把理论证明也尝试复述一遍，但能力有限，一方面没有理解很透彻，另一方面证明过程有点长感觉表达能力有点不大够用...
7.3 试编程实现拉普拉斯修正的朴素贝叶斯分类器，并以西瓜数据集 3.0 为训练集，对 p.151 "测1" 样本进行判别.
答：
han1057578619/MachineLearning_Zhouzhihua_ProblemSets
import numpy as np import pandas as pd from sklearn.utils.multiclass import type_of_target from collections import namedtuple def train_nb(X, y): m, n = X.shape p1 = (len(y[y == '是']) + 1) / (m + 2) # 拉普拉斯平滑 p1_list = [] # 用于保存正例下各属性的条件概率 p0_list = [] X1 = X[y == '是'] X0 = X[y == '否'] m1, _ = X1.shape m0, _ = X0.shape for i in range(n): xi = X.iloc[:, i] p_xi = namedtuple(X.columns[i], ['is_continuous', 'conditional_pro']) # 用于储存每个变量的情况 is_continuous = type_of_target(xi) == 'continuous' xi1 = X1.iloc[:, i] xi0 = X0.iloc[:, i] if is_continuous: # 连续值时，conditional_pro 储存的就是 [mean, var] 即均值和方差 xi1_mean = np.mean(xi1) xi1_var = np.var(xi1) xi0_mean = np.mean(xi0) xi0_var = np.var(xi0) p1_list.append(p_xi(is_continuous, [xi1_mean, xi1_var])) p0_list.append(p_xi(is_continuous, [xi0_mean, xi0_var])) else: # 离散值时直接计算各类别的条件概率 unique_value = xi.unique() # 取值情况 nvalue = len(unique_value) # 取值个数 xi1_value_count = pd.value_counts(xi1)[unique_value].fillna(0) + 1 # 计算正样本中，该属性每个取值的数量，并且加1，即拉普拉斯平滑 xi0_value_count = pd.value_counts(xi0)[unique_value].fillna(0) + 1 p1_list.append(p_xi(is_continuous, np.log(xi1_value_count / (m1 + nvalue)))) p0_list.append(p_xi(is_continuous, np.log(xi0_value_count / (m0 + nvalue)))) return p1, p1_list, p0_list def predict_nb(x, p1, p1_list, p0_list): n = len(x) x_p1 = np.log(p1) x_p0 = np.log(1 - p1) for i in range(n): p1_xi = p1_list[i] p0_xi = p0_list[i] if p1_xi.is_continuous: mean1, var1 = p1_xi.conditional_pro mean0, var0 = p0_xi.conditional_pro x_p1 += np.log(1 / (np.sqrt(2 * np.pi) * var1) * np.exp(- (x[i] - mean1) ** 2 / (2 * var1 ** 2))) x_p0 += np.log(1 / (np.sqrt(2 * np.pi) * var0) * np.exp(- (x[i] - mean0) ** 2 / (2 * var0 ** 2))) else: x_p1 += p1_xi.conditional_pro[x[i]] x_p0 += p0_xi.conditional_pro[x[i]] if x_p1 > x_p0: return '是' else: return '否' if __name__ == '__main__': data_path = r'C:\Users\hanmi\Documents\xiguabook\watermelon3_0_Ch.csv' data = pd.read_csv(data_path, index_col=0) X = data.iloc[:, :-1] y = data.iloc[:, -1] p1, p1_list, p0_list = train_nb(X, y) x_test = X.iloc[0, :] # 书中测1 其实就是第一个数据 print(predict_nb(x_test, p1, p1_list, p0_list))
7.4 实践中使用式 (7.15)决定分类类别时，若数据的维数非常高，则概率连乘
的结果通常会非常接近于 0 从试述防止下溢的可能方案.而导致下溢.
答：
这在p153中已经给出答案了。即取对数将连乘转化为“连加”防止下溢。
即将式（7.15）改为：
。
7.5 试证明:二分类任务中两类数据满足高斯分布且方差相同时，线性判别分析产生贝叶斯最优分类器.
答：
首先看一下贝叶斯最优分类器：在书中p148中解释了对于最小化分类错误率的贝叶斯最优分类器可表示为：
7.6 试编程实现 AODE 分类器，并以西瓜数据集 3.0 为训练集，对 p.151的"测1" 样本进行判别.
答：
代码在：
han1057578619/MachineLearning_Zhouzhihua_ProblemSets
''' 目前仅拿西瓜数据集测试过，运行正常，其他数据未测试 ''' import numpy as np import pandas as pd from sklearn.utils.multiclass import type_of_target class AODE(object): def __init__(self, m): self.m_hat = m self.m = None self.n = None self.unique_y = None self.n_class = None self.is_continuous = None self.unique_values = None self.total_p = None def predict(self, X): X = np.array(X) if self.total_p == None: raise Exception('you have to fit first before predict.') result = pd.DataFrame(np.zeros((X.shape[0], self.unique_y.shape[0])), columns=self.unique_y) for i in self.total_p.keys(): result += self._spode_predict(X, self.total_p[i], i) return self.unique_y[np.argmax(result.values, axis=1)] def fit(self, X, y): X = np.array(X) self.m, self.n = X.shape self.unique_y = np.unique(y) self.n_class = self.unique_y.size # 这里转为list, 是因为貌似type_of_target 有bug, 只有在pd.Series类型的时候才能解析为'continuous', # 在这里转为array类型后解析为 'unknown'了 is_continuous = pd.DataFrame(X).apply(lambda x: (type_of_target(x.tolist()) == 'continuous')) self.is_continuous = is_continuous unique_values = {} # 离散型字段的各取值 for i in is_continuous[~is_continuous].index: unique_values[i] = np.unique(X[:, i]) self.unique_values = unique_values # 获取可以作为父节点的属性索引，这里在论文中取值为30; 但在西瓜书中由于样本很少, 所有直接取0就好 parent_attribute_index = self._get_parent_attribute(X) total_p = {} for i in parent_attribute_index: p = self._spode_fit(X, y, i) total_p[i] = p self.total_p = total_p return self def _spode_fit(self, X, y, xi_index): p = pd.DataFrame(columns=self.unique_y, index=self.unique_values[xi_index]) # 储存各取值下的条件概率 nunique_xi = self.unique_values[xi_index].size # 当前属性的取值数量 pc_xi_denominator = self.m + self.n_class * nunique_xi # 计算 p(c, xi) 的分母 |D| + N * N_i for c in self.unique_y: for xi in self.unique_values[xi_index]: p_list = [] # 储存y取值为c, Xi取值为xi下各个条件概率p(xj|c, xi)和先验概率p(c, xi) c_xi = (X[:, xi_index] == xi) & (y == c) X_c_xi = X[c_xi, :] # y 取值 为c, Xi 取值为xi 的所有数据 pc_xi = (X_c_xi.shape[0] + 1) / pc_xi_denominator # p(c, xi) # 实际上这里在j = i时, 个人理解应该是可以跳过不计算的，因为p(xi|c, xi) = 1, 在计算中都是一样的但这里为了方便实现，就没有跳过了。 for j in range(self.n): if self.is_continuous[j]: # 字段为连续值, 假设服从高斯分布, 保存均值和方差 # 这里因为样本太少。有时候会出现X_c_xi为空或者只有一个数据的情况, 如何是离散值，依然可以计算; # 但是连续值的情况下,np.mean会报warning, 只有一个数据时,方差为0 # 所有这时, 均值和方差以类别样本来替代。 if X_c_xi.shape[0] <= 1: p_list.append([np.mean(X[y == c, j]), np.var(X[y == c, j])]) else: p_list.append([np.mean(X_c_xi[:, j]), np.var(X_c_xi[:, j])]) else: # 计算 p(xj|c, xi) condi_proba_of_xj = (pd.value_counts(X_c_xi[:, j])[self.unique_values[j]].fillna(0) + 1) / ( X_c_xi.shape[0] + self.unique_values[j].size) p_list.append(np.log(condi_proba_of_xj)) p_list.append(np.log(pc_xi)) # p(c, xi)在最后的位置 p.loc[xi, c] = p_list return p def _spode_predict(self, X, p, xi_index): assert X.shape[1] == self.n xi = X[:, xi_index] result = pd.DataFrame(np.zeros((X.shape[0], p.shape[1])), columns=self.unique_y) # 储存每个样本为不同类别的对数概率值 for value in p.index: # 为了可以使用pandas的索引功能, 对于要预测的X值, 每一次循环求同一取值下样本的条件概率和 xi_value = xi == value X_split = X[xi_value, :] for c in p.columns: p_list = p.loc[value, c] # 储存p(xj|c, xi) 和 p(c, xi)的列表 for j in range(self.n): # 遍历所有的条件概率, 将对应的条件概率相加 if self.is_continuous[j]: mean_, var_ = p_list[j] result.loc[xi_value, c] += ( -np.log(np.sqrt(2 * np.pi) * var_) - (X_split[:, j] - mean_) ** 2 / (2 * var_ ** 2)) else: result.loc[xi_value, c] += p_list[j][X_split[:, j]].values result.loc[xi_value, c] += p_list[-1] # 最后加上p(c, xi) return result def _get_parent_attribute(self, X): ''' 基于属性下各取值的样本数量，决定哪些属性可以作为父属性。 关于连续值的处理，在《机器学习》书中也没有提及，AODE的原论文也没有提及如何处理连续值， 考虑到若将连续值x_j作为父属性时，如何求解p(x_i|c, x_j)条件概率会比较麻烦(可以通过贝叶斯公式求解)， 此外AODE本身就是要将取值样本数量低于m的属性去除的，从这个角度来说，连续值就不能作为父属性了。 所以这里连续值不作为父属性 :param X: :return: ''' enough_quantity = pd.DataFrame(X).apply( lambda x: (type_of_target(x.tolist()) != 'continuous') & (pd.value_counts(x) > self.m_hat).all()) return enough_quantity[enough_quantity].index.tolist() if __name__ == '__main__': data_path = r'C:\Users\hanmi\Documents\xiguabook\watermelon3_0_Ch.csv' data = pd.read_csv(data_path, index_col=0) X = data.iloc[:, :-1] y = data.iloc[:, -1] aode = AODE(0) print(aode.fit(X, y).predict(X.iloc[[0], :]))
提一下关于连续值处理的问题。这个书中和原论文(好像)都没有提交，所以按照自己的理解来处理了。考虑到以下，实现过程中不将连续值作为父属性。
此外AODE本身就是要将取值样本数量低于一定阈值(论文中给出的是30)的属性去除的，从这个角度来说，连续值就不能作为父属性了，当前其实可以按照区间划分将连续值离散化。
另外，虽然在样本这么小的情况下，看预测结果实际意义不大，但相比于朴素贝叶斯，AODE对于西瓜数据集的拟合更好（错误率更低）。
好久没更新...罪过，堕落了...前面八题一个月之前就写好了，一直在看7.7(主要还是懒.)阅读材料给出的贝叶斯网相关论文(主要是《A Tutorial on Learning With Bayesian Networks》)，下面两题应该还是需要写代码实现的，回头有时间再补把。
7.9 以西瓜数据集 2.0 为训练集，试基于 BIC 准则构建一个贝叶斯网.
答：
关于贝叶斯网结构的构建，书中p160只稍微提了一下，不过还是挺好理解的，《A Tutorial on Learning With Bayesian Networks》11节给出了更详细的描述。比较简单是方法就是贪心法：
- 1) 初始化一个网络结构；
- 2) 使用E表示当前合法的改变一条边的操作集合，比如若两个节点已经有连接，那么合法操作可以删除或者逆转，如没有连接则可以增加一条边，当前必须是在保证不会形成回路的情况；
- 3) 从中选择一个使得BIC下降最大的一个作为实际操作；
- 4) 循环2,3直到BIC不再下降。
论文中也给出了其他算法。
有时间再补代码吧。
