李宏毅ML04—Classification

Classification(分类)

  • 应用举例
    • Credit Scoring
      • input: income, saving, profession, age, past financial history...
      • output: accept or refuse
    • Medical Diagosis
      • input: current symptons, age, gender, past medical history...
      • output: which kind of disease
    • Handwritting recognition
    • Face recognition

1.数学前提

情景:盒1(4蓝球,1绿球),盒2(2篮球,3绿球),拿盒1的概率是2/3,拿盒2的概率是1/3

  • 先验概率:知因求果
    从盒1中拿,拿出篮球的概率是多少
    P(Blue|Box1)=\frac{4}{5}
  • 后验概率:知果求因(此时用到了贝叶斯公式
    已知拿到了篮球,则从盒1中拿的概率是多少
    P(Box1|Blue)=\frac{P(Blue|Box1)P(Box1)}{P(Blue|Box1)P(Box1)+P(Blue|Box2)P(Box2)}
  • 贝叶斯公式:
    P(C_i|x)=\frac{P(x|C_i)P(C_i)}{\sum\limits_{j=1}^n{P(x|C_j)P(C_j)}}
    事件C_i的概率为P(C_i),事件C_i已发生条件下事件x的概率为P(x|C_i),事件x发生条件下事件Ci的概率为P(C_i│x)
  • generative model(生成模型)
    那上诉的这些数值从哪里来呢,就从training data里面,估计出来,这个想法就是生成模型。
    例如,P(Blue)=P(Blue|Box1)P(Box1)+P(Blue|Box2)P(Box2)
  • 极大似然估计:知果求最可能的原因
  • Naive Bayes(朴素贝叶斯):假设属性之间都是互相独立的,则称这个贝叶斯是朴素的贝叶斯,用此假定,是为了简化计算。
    P(x|C_1)=\prod\limits_{n=1}^KP(x_n|C_1)
    则朴素贝叶斯公式为:
    P(C_i|x)=\frac{P(C_i)\prod\limits_{n=1}^KP(x_n|C_1)}{\sum\limits_{j=1}^n[{P(C_j)\prod\limits_{n=1}^KP(x_n|C_1)]}}

2 分类步骤

2.1 首先明确现在做的这一步

目的:确认x这个点是否是在类别A里面
方法:所有的类别都有自己的分布,计算x这个点在类别里分布的概率,当概率大于0.5时,就可认为x属于这个类别
问题:这个(高斯)分布怎么计算呢?
解决:极大似然估计

2.2 Guassian Distribution(高斯分布)

f_{\mu,\Sigma}(x)= \frac{1}{(2\pi)^{\frac{D}{2}}} \times \frac{1}{|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}\exp \{ -\frac{1}{2}(x-\mu)^T\Sigma^{-1}(x-\mu) 1\}
其中 mean\mu:均值;covariance matrix \Sigma:协方差矩阵

  • 这个公式中,若已知均值和协方差矩阵,将目标点带入,就可求得此点在该高斯分布中的位置。
    接下来就需要用极大似然估计,来找出该高斯分布,最有可能是由那个均值和哪个协方差矩阵组成的。


    哪个参数才是最好的呢

2.3 极大似然估计

  • Likelihood(\mu,\Sigma)=f_{\mu,\Sigma}(x_1)f_{\mu,\Sigma}(x_2)...f_{\mu,\Sigma}(x_n)
    这个是均值和协方差矩阵的可能性
  • 若要使得可能性最大,即\mu^*,\Sigma^*=\arg maxL(\mu,\Sigma)均值和协方差矩阵需满足如下公式
    \mu^*=\frac{1}{79}\sum\limits_{n=1}^{79}x^n
    \mu为平均值
    \Sigma^*=\frac{1}{79}\sum\limits_{n=1}^{79}(x^n-\mu^*)(x^n-\mu^*)^T
  • 此时我们已经得到了\mu^*,\Sigma^*,由此可得此高斯分布,现在我们回到贝叶斯公式

2.4 用贝叶斯公式进行分类

2.4.1 第一次尝试

将得到的高斯分布放进贝叶斯公式中
  • 然而由此得出的效果正确率只有47%,即使把七维的参数都放进来,准确率也只有54%,此时需要调整模型

2.4.2 第二次尝试

  • 调整模型
    根据以往经验得出,其实协方差矩阵用同一个即可,即\Sigma = \frac{79}{140}\Sigma^1+\frac{61}{140}\Sigma^2,均值还是各自的照旧,用同一个协方差矩阵会产生一个线性的边界。
    此时,准确率达到了73%

  • Sigmoid function
    \sigma(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}

    Sigmoid

    Sigmoid funciton 有很多优良的特性,值域为(0,1),在0.5周围敏感,在0,1附近不敏感,非常适合用于二分任务

2.5 Linear Regression 和 Logistic Regression 的区别和联系

在贝叶斯公式中,P(C_1|x)可以写成\sigma(z)的形式,而z经过一番运算以后,可以得到一个w·x+b的形式,即最终\sigma(w·x+b)
从中,我们能看出 Linear Regression 在经过了 Sigmoid function 处理之后,变成了能够处理了二分任务的 Logistic Regression

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