python与自然语言处理之贝叶斯实战
来源:互联网 发布:js全局数组变量 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 15:17
1.引言
前两篇博文介绍了朴素贝叶斯这个名字读着”萌蠢”但实际上简单直接高效的方法,我们也介绍了一下贝叶斯方法的一些细节。按照老规矩,『锄头』给你了,得负责教教怎么用和注意事项,也顺便带大家去除除草对吧。恩,此节作为更贴近实际应用的部分,将介绍贝叶斯方法的优缺点、常见适用场景和可优化点,然后找点实际场景撸点例子练练手,看看工具怎么用。
PS:本文所有的python代码和ipython notebook已整理至github相应页面,欢迎下载和尝试。
2.贝叶斯方法优缺点
既然讲的是朴素贝叶斯,那博主保持和它一致的风格,简单直接高效地丢干货了:
- 优点
- 对待预测样本进行预测,过程简单速度快(想想邮件分类的问题,预测就是分词后进行概率乘积,在log域直接做加法更快)。
- 对于多分类问题也同样很有效,复杂度也不会有大程度上升。
- 在分布独立这个假设成立的情况下,贝叶斯分类器效果奇好,会略胜于逻辑回归,同时我们需要的样本量也更少一点。
- 对于类别类的输入特征变量,效果非常好。对于数值型变量特征,我们是默认它符合正态分布的。
- 缺点
- 对于测试集中的一个类别变量特征,如果在训练集里没见过,直接算的话概率就是0了,预测功能就失效了。当然,我们前面的文章提过我们有一种技术叫做『平滑』操作,可以缓解这个问题,最常见的平滑技术是拉普拉斯估测。
- 那个…咳咳,朴素贝叶斯算出的概率结果,比较大小还凑合,实际物理含义…恩,别太当真。
- 朴素贝叶斯有分布独立的假设前提,而现实生活中这些predictor很难是完全独立的。
3.最常见应用场景
- 文本分类/垃圾文本过滤/情感判别:这大概会朴素贝叶斯应用做多的地方了,即使在现在这种分类器层出不穷的年代,在文本分类场景中,朴素贝叶斯依旧坚挺地占据着一席之地。原因嘛,大家知道的,因为多分类很简单,同时在文本数据中,分布独立这个假设基本是成立的。而垃圾文本过滤(比如垃圾邮件识别)和情感分析(微博上的褒贬情绪)用朴素贝叶斯也通常能取得很好的效果。
- 多分类实时预测:这个是不是不能叫做场景?对于文本相关的多分类实时预测,它因为上面提到的优点,被广泛应用,简单又高效。
- 推荐系统:是的,你没听错,是用在推荐系统里!!朴素贝叶斯和协同过滤(Collaborative Filtering)是一对好搭档,协同过滤是强相关性,但是泛化能力略弱,朴素贝叶斯和协同过滤一起,能增强推荐的覆盖度和效果。
4.朴素贝叶斯注意点
这个部分的内容,本来应该在最后说的,不过为了把干货集中放在代码示例之前,先搁这儿了,大家也可以看完朴素贝叶斯的各种例子之后,回来再看看这些tips。
- 大家也知道,很多特征是连续数值型的,但是它们不一定服从正态分布,一定要想办法把它们变换调整成满足正态分布!!
- 对测试数据中的0频次项,一定要记得平滑,简单一点可以用『拉普拉斯平滑』。
- 先处理处理特征,把相关特征去掉,因为高相关度的2个特征在模型中相当于发挥了2次作用。
- 朴素贝叶斯分类器一般可调参数比较少,比如scikit-learn中的朴素贝叶斯只有拉普拉斯平滑因子alpha,类别先验概率class_prior和预算数据类别先验fit_prior。模型端可做的事情不如其他模型多,因此我们还是集中精力进行数据的预处理,以及特征的选择吧。
- 那个,一般其他的模型(像logistic regression,SVM等)做完之后,我们都可以尝试一下bagging和boosting等融合增强方法。咳咳,很可惜,对朴素贝叶斯里这些方法都没啥用。原因?原因是这些融合方法本质上是减少过拟合,减少variance的。朴素贝叶斯是没有variance可以减小。
5. 朴素贝叶斯训练/建模
理论干货和注意点都说完了,来提提怎么快速用朴素贝叶斯训练模型吧。博主一直提倡要站在巨人的肩膀上编程(其实就是懒…同时一直很担忧写出来的代码的健壮性…),咳咳,我们又很自然地把scikit-learn拿过来了。scikit-learn里面有3种不同类型的朴素贝叶斯:
- 高斯分布型:用于classification问题,假定属性/特征是服从正态分布的。
- 多项式型:用于离散值模型里。比如文本分类问题里面我们提到过,我们不光看词语是否在文本中出现,也得看出现的次数。如果总词数为n,出现词数为m的话,说起来有点像掷骰子n次出现m次这个词的场景。
- 伯努利型:这种情况下,就如之前博文里提到的bag of words处理方式一样,最后得到的特征只有0(没出现)和1(出现过)。
根据你的数据集,可以选择scikit-learn中以上任意一种朴素贝叶斯,我们直接举个简单的例子,用高斯分布型朴素贝叶斯建模:
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你看,朴素贝叶斯分类器,简单直接高效,在150个测试样本上,准确率为96%。
6.朴素贝叶斯之文本主题分类器
这是朴素贝叶斯最擅长的应用场景之一,对于不同主题的文本,我们可以用朴素贝叶斯训练一个分类器,然后将其应用在新数据上,预测主题类型。
6.1 新闻数据分类
我们使用搜狐新闻数据来实验朴素贝叶斯分类器,这部分新闻数据包括it、汽车、财经、健康等9个类别,简洁版数据解压缩后总共16289条新闻,一篇新闻一个txt,我们把数据合并到一个大文件中,一行一篇文章,同时将新闻id(指明新闻的类别)放在文章之前,然后用ICTCLAS(python的话你也可以用结巴分词)进行分词,得到以下的文本内容:
我们随机选取3/5的数据作为训练集,2/5的数据作为测试集,采用互信息对文本特征进行提取,提取出1000个左右的特征词。然后用朴素贝叶斯分类器进行训练,实际训练过程就是对于特征词,统计在训练集和各个类别出现的次数,测试阶段做预测也是扫描一遍测试集,计算相应的概率。因此整个过程非常高效,完整的运行代码如下:
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6.2 分类结果
运行结果如下,在6515条数据上,9个类别的新闻上,有84.1%的准确度:
7. Kaggle比赛之『旧金山犯罪分类预测』
7.1 旧金山犯罪分类预测问题
没过瘾对吧,确实每次学完一个机器学习算法,不在实际数据上倒腾倒腾,总感觉不那么踏实(想起来高中各种理科科目都要找点题来做的感觉)。好,我们继续去Kaggle扒点场景和数据来练练手。正巧之前Kaggle上有一个分类问题,场景和数据也都比较简单,我们拿来用朴素贝叶斯试试水。问题请戳这里。
7.2 背景介绍
我们大致介绍一下,说的是『水深火热』的大米国,在旧金山这个地方,一度犯罪率还挺高的,然后很多人都经历过大到暴力案件,小到东西被偷,车被划的事情。当地警方也是努力地去总结和想办法降低犯罪率,一个挑战是在给出犯罪的地点和时间的之后,要第一时间确定这可能是一个什么样的犯罪类型,以确定警力等等。后来干脆一不做二不休,直接把12年内旧金山城内的犯罪报告都丢带Kaggle上,说『大家折腾折腾吧,看看谁能帮忙第一时间预测一下犯罪类型』。犯罪报告里面包括日期
,描述
,星期几
,所属警区
,处理结果
,地址
,GPS定位
等信息。当然,分类问题有很多分类器可以选择,我们既然刚讲过朴素贝叶斯,刚好就拿来练练手好了。
7.3 数据一瞥
数据可以在Kaggle比赛数据页面下载到,大家也可以在博主提供的百度网盘地址中下载到。我们依旧用pandas载入数据,先看看数据内容。
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得到如下的结果:
我们依次解释一下每一列的含义:
- Date: 日期
- Category: 犯罪类型,比如 Larceny/盗窃罪 等.
- Descript: 对于犯罪更详细的描述
- DayOfWeek: 星期几
- PdDistrict: 所属警区
- Resolution: 处理结果,比如说『逮捕』『逃了』
- Address: 发生街区位置
- X and Y: GPS坐标
train.csv中的数据时间跨度为12年,包含了90w+的记录。另外,这部分数据,大家从上图上也可以看出来,大部分都是『类别』型,比如犯罪类型,比如星期几。
7.4 特征预处理
上述数据中类别和文本型非常多,我们要进行特征预处理,对于特征预处理的部分,我们在前面的博文机器学习系列(3)逻辑回归应用之Kaggle泰坦尼克之灾和机器学习系列(6)从白富美相亲看特征预处理与选择(下)都有较细的介绍。对于类别特征,我们用最常见的因子化操作将其转成数值型,比如我们把犯罪类型用因子化进行encode,也就是说生成如下的向量:
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我们之前也提到过,用pandas的get_dummies()可以直接拿到这样的一个二值化的01向量。Pandas里面还有一个很有用的方法LabelEncoder可以用于对类别编号。对于已有的数据特征,我们打算做下面的粗略变换:
- 用LabelEncoder**对犯罪类型做编号**;
- 处理时间,在我看来,也许犯罪发生的时间点(小时)是非常重要的,因此我们会用Pandas把这部分数据抽出来;
- 对
街区
,星期几
,时间点
用get_dummies()因子化; - 做一些组合特征,比如把上述三个feature拼在一起,再因子化一下;
具体的数据和特征处理如下:
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然后可以看到特征处理后的数据如下所示:
7.5 朴素贝叶斯 VS 逻辑回归
拿到初步的特征了,下一步就可以开始建模了。
因为之前的博客机器学习系列(1)逻辑回归初步,机器学习系列(2)从初等数学视角解读逻辑回归,机器学习系列(3)_逻辑回归应用之Kaggle泰坦尼克之灾中提到过逻辑回归这种分类算法,我们这里打算一并拿来建模,做个比较。
还需要提到的一点是,大家参加Kaggle的比赛,一定要注意最后排名和评定好坏用的标准,比如说在现在这个多分类问题中,Kaggle的评定标准并不是precision,而是multi-class log_loss,这个值越小,表示最后的效果越好。
我们可以快速地筛出一部分重要的特征,搭建一个baseline系统,再考虑步步优化。比如我们这里简单一点,就只取星期几
和街区
作为分类器输入特征,我们用scikit-learn中的train_test_split
函数拿到训练集和交叉验证集,用朴素贝叶斯和逻辑回归都建立模型,对比一下它们的表现:
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实验的结果如下:
我们可以看到目前的特征和参数设定下,朴素贝叶斯的log损失还低一些,另外我们可以明显看到,朴素贝叶斯建模消耗的时间0.640398秒远小于逻辑回归建模42.856376秒。
考虑到犯罪类型可能和犯罪事件发生的小时时间点相关,我们加入小时时间点特征再次建模,代码和结果如下:
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可以看到在这三个类别特征下,朴素贝叶斯相对于逻辑回归,依旧有一定的优势(log损失更小),同时训练时间很短,这意味着模型虽然简单,但是效果依旧强大。顺便提一下,朴素贝叶斯1.13s训练出来的模型,预测的效果在Kaggle排行榜上已经能进入Top 35%了,如果进行一些优化,比如特征处理、特征组合等,结果会进一步提高。
8. Kaggle比赛之影评与观影者情感判定
博主想了想,既然朴素贝叶斯最常见的应用场景就那么几个,干脆我们都一并覆盖得了。咳咳,对,还有一个非常重要的应用场景是情感分析(尤其是褒贬判定),于是我又上Kaggle溜达了一圈,扒下来一个类似场景的比赛。比赛的名字叫做当词袋/Bag of words 遇上 爆米花/Bags of Popcorn,地址为https://www.kaggle.com/c/word2vec-nlp-tutorial/,有兴趣的同学可以上去瞄一眼。
8.1 背景介绍
这个比赛的背景大概是:国外有一个类似豆瓣电影一样的IMDB,也是你看完电影,可以上去打个分,吐个槽的地方。然后大家就在想,有这么多数据,总得折腾点什么吧,于是乎,第一个想到的就是,赞的喷的内容都有了,咱们就来分分类,看看能不能根据内容分布褒贬。PS:很多同学表示,分个褒贬有毛线难的,咳咳,计算机比较笨,另外,语言这种东西,真心是博大精深的,我们随手从豆瓣上抓了几条《功夫熊猫3》影评下来,表示有些虽然我是能看懂,但是不处理直接给计算机看,它应该是一副『什么鬼』的表情。。。
多说一句,Kaggle原文引导里是用word2vec的方式将词转为词向量,后再用deep learning的方式做的。深度学习好归好,但是毕竟耗时耗力耗资源,我们用最最naive的朴素贝叶斯撸一把,说不定效果也能不错,不试试谁知道呢。另外,朴素贝叶斯建模真心速度快,很多场景下,快速建模快速迭代优化正是我们需要的嘛。
8.2 数据一瞥
言归正传,回到Kaggle中这个问题上来,先瞄一眼数据。Kaggle数据页面地址为https://www.kaggle.com/c/word2vec-nlp-tutorial/data,大家也可以到博主的百度网盘中下载。数据包如下图所示:
其中包含有情绪标签的训练数据labeledTrainData,没有情绪标签的训练数据unlabeledTrainData,以及测试数据testData。labeledTrainData包括id,sentiment和**review**3个部分,分别指代用户id,情感标签,评论内容。
解压缩labeledTrainData后用vim打开,内容如下:
下面我们读取数据并做一些基本的预处理(比如说把评论部分的html标签去掉等等):
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我们在ipython notebook里面看一眼,发现数据已经格式化了,如下:
8.3 特征处理
紧接着又到了头疼的部分了,数据有了,我们得想办法从数据里面拿到有区分度的特征。比如说Kaggle该问题的引导页提供的word2vec就是一种文本到数值域的特征抽取方式,比如说我们在第6小节提到的用互信息提取关键字也是提取特征的一种。比如说在这里,我们打算用在文本检索系统中非常有效的一种特征:TF-IDF(term frequency-interdocument frequency)向量。每一个电影评论最后转化成一个TF-IDF向量。对了,对于TF-IDF不熟悉的同学们,我们稍加解释一下,TF-IDF是一种统计方法,用以评估一字词(或者n-gram)对于一个文件集或一个语料库中的其中一份文件的重要程度。字词的重要性随着它在文件中出现的次数成正比增加,但同时会随着它在语料库中出现的频率成反比下降。这是一个能很有效地判定对评论褒贬影响大的词或短语的方法。
那个…博主打算继续偷懒,把scikit-learn中TFIDF向量化方法直接拿来用,想详细了解的同学可以戳sklearn TFIDF向量类。对了,再多说几句我的处理细节,停用词被我掐掉了,同时我在单词的级别上又拓展到2元语言模型(对这个不了解的同学别着急,后续的博客介绍马上就来),恩,你可以再加3元4元语言模型…博主主要是单机内存不够了,先就2元上,凑活用吧…
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8.4 朴素贝叶斯 vs 逻辑回归
特征现在我们拿到手了,该建模了,好吧,博主折腾劲又上来了,那个…咳咳…我们还是朴素贝叶斯和逻辑回归都建个分类器吧,然后也可以比较比较,恩。
『talk is cheap, I’ll show you the code』,直接放码过来了哈。
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最后逻辑回归的结果是[mean: 0.96459, std: 0.00489, params: {'C': 30}]
咳咳…看似逻辑回归在这个问题中,TF-IDF特征下表现要稍强一些…不过同学们自己跑一下就知道,这2个模型的训练时长真心不在一个数量级,逻辑回归在数据量大的情况下,要等到睡着…另外,要提到的一点是,因为我这里只用了2元语言模型(2-gram),加到3-gram和4-gram,最后两者的结果还会提高,而且朴素贝叶斯说不定会提升更快一点,内存够的同学们自己动手试试吧^_^
9. 总结
本文为朴素贝叶斯的实践和进阶篇,先丢了点干货,总结了贝叶斯方法的优缺点,应用场景,注意点和一般建模方法。紧接着对它最常见的应用场景,抓了几个例子,又来了一遍手把手系列,不管是对于文本主题分类、多分类问题(犯罪类型分类) 还是 情感分析/分类,朴素贝叶斯都是一个简单直接高效的方法。尤其是在和逻辑回归的对比中可以看出,在这些问题中,朴素贝叶斯能取得和逻辑回归相近的成绩,但是训练速度远快于逻辑回归,真正的直接和高效。
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