作者： [寒小阳](http://blog.csdn.net/han_xiaoyang?viewmode=contents) && [龙心尘](http://blog.csdn.net/longxinchen_ml?viewmode=contents)
时间：2016年2月。
出处：[http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/50629608](http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/50629608)
[http://blog.csdn.net/longxinchen_ml/article/details/50629613](http://blog.csdn.net/longxinchen_ml/article/details/50629613)
声明：版权所有，转载请联系作者并注明出处
### 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](https://github.com/HanXiaoyang/naive_bayes)，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
> 1. 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)。
> 2. **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。
> 3. **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**。
> 4. 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
> 1. 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。
> 2. 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。
> 3. 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](https://en.wikipedia.org/wiki/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](http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.naive_bayes.MultinomialNB.html#sklearn.naive_bayes.MultinomialNB)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](http://scikit-learn.org/stable/modules/naive_bayes.html#gaussian-naive-bayes)**：用于classification问题，假定属性/特征是服从正态分布的。
* **[多项式型](http://scikit-learn.org/stable/modules/naive_bayes.html#multinomial-naive-bayes)**：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](http://scikit-learn.org/stable/modules/naive_bayes.html#bernoulli-naive-bayes)**：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：
~~~
# 我们直接取iris数据集，这个数据集有名到都不想介绍了...
# 其实就是根据花的各种数据特征，判定是什么花
from sklearn import datasets
iris = datasets.load_iris()
iris.data[:5]
#array([[ 5.1, 3.5, 1.4, 0.2],
# [ 4.9, 3\. , 1.4, 0.2],
# [ 4.7, 3.2, 1.3, 0.2],
# [ 4.6, 3.1, 1.5, 0.2],
# [ 5\. , 3.6, 1.4, 0.2]])
#我们假定sepal length, sepal width, petal length, petal width 4个量独立且服从高斯分布，用贝叶斯分类器建模
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB
gnb = GaussianNB()
y_pred = gnb.fit(iris.data, iris.target).predict(iris.data)
right_num = (iris.target == y_pred).sum()
print("Total testing num :%d , naive bayes accuracy :%f" %(iris.data.shape[0], float(right_num)/iris.data.shape[0]))
# Total testing num :150 , naive bayes accuracy :0.960000
~~~
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](http://www.sogou.com/labs/dl/cs.html)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](https://github.com/fxsjy/jieba))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：
~~~
# 这部分代码基本纯手撸的...没有调用开源库...大家看看就好...
#!encoding=utf-8
import sys, math, random, collections
def shuffle(inFile):
'''
简单的乱序操作，用于生成训练集和测试集
'''
textLines = [line.strip() for line in open(inFile)]
print "正在准备训练和测试数据，请稍后..."
random.shuffle(textLines)
num = len(textLines)
trainText = textLines[:3*num/5]
testText = textLines[3*num/5:]
print "准备训练和测试数据准备完毕，下一步..."
return trainText, testText
#总共有9种新闻类别，我们给每个类别一个编号
lables = ['A','B','C','D','E','F','G','H','I']
def lable2id(lable):
for i in xrange(len(lables)):
if lable == lables[i]:
return i
raise Exception('Error lable %s' % (lable))
def doc_dict():
'''
构造和类别数等长的0向量
'''
return [0]*len(lables)
def mutual_info(N,Nij,Ni_,N_j):
'''
计算互信息，这里log的底取为2
'''
return Nij * 1.0 / N * math.log(N * (Nij+1)*1.0/(Ni_*N_j))/ math.log(2)
def count_for_cates(trainText, featureFile):
'''
遍历文件，统计每个词在每个类别出现的次数，和每类的文档数
并写入结果特征文件
'''
docCount = [0] * len(lables)
wordCount = collections.defaultdict(doc_dict())
#扫描文件和计数
for line in trainText:
lable,text = line.strip().split(' ',1)
index = lable2id(lable[0])
words = text.split(' ')
for word in words:
wordCount[word][index] += 1
docCount[index] += 1
#计算互信息值
print "计算互信息，提取关键/特征词中，请稍后..."
miDict = collections.defaultdict(doc_dict())
N = sum(docCount)
for k,vs in wordCount.items():
for i in xrange(len(vs)):
N11 = vs[i]
N10 = sum(vs) - N11
N01 = docCount[i] - N11
N00 = N - N11 - N10 - N01
mi = mutual_info(N,N11,N10+N11,N01+N11) + mutual_info(N,N10,N10+N11,N00+N10)+ mutual_info(N,N01,N01+N11,N01+N00)+ mutual_info(N,N00,N00+N10,N00+N01)
miDict[k][i] = mi
fWords = set()
for i in xrange(len(docCount)):
keyf = lambda x:x[1][i]
sortedDict = sorted(miDict.items(),key=keyf,reverse=True)
for j in xrange(100):
fWords.add(sortedDict[j][0])
out = open(featureFile, 'w')
#输出各个类的文档数目
out.write(str(docCount)+"\n")
#输出互信息最高的词作为特征词
for fword in fWords:
out.write(fword+"\n")
print "特征词写入完毕..."
out.close()
def load_feature_words(featureFile):
'''
从特征文件导入特征词
'''
f = open(featureFile)
#各个类的文档数目
docCounts = eval(f.readline())
features = set()
#读取特征词
for line in f:
features.add(line.strip())
f.close()
return docCounts,features
def train_bayes(featureFile, textFile, modelFile):
'''
训练贝叶斯模型，实际上计算每个类中特征词的出现次数
'''
print "使用朴素贝叶斯训练中..."
docCounts,features = load_feature_words(featureFile)
wordCount = collections.defaultdict(doc_dict())
#每类文档特征词出现的次数
tCount = [0]*len(docCounts)
for line in open(textFile):
lable,text = line.strip().split(' ',1)
index = lable2id(lable[0])
words = text.split(' ')
for word in words:
if word in features:
tCount[index] += 1
wordCount[word][index] += 1
outModel = open(modelFile, 'w')
#拉普拉斯平滑
print "训练完毕，写入模型..."
for k,v in wordCount.items():
scores = [(v[i]+1) * 1.0 / (tCount[i]+len(wordCount)) for i in xrange(len(v))]
outModel.write(k+"\t"+scores+"\n")
outModel.close()
def load_model(modelFile):
'''
从模型文件中导入计算好的贝叶斯模型
'''
print "加载模型中..."
f = open(modelFile)
scores = {}
for line in f:
word,counts = line.strip().rsplit('\t',1)
scores[word] = eval(counts)
f.close()
return scores
def predict(featureFile, modelFile, testText):
'''
预测文档的类标，标准输入每一行为一个文档
'''
docCounts,features = load_feature_words()
docScores = [math.log(count * 1.0 /sum(docCounts)) for count in docCounts]
scores = load_model(modelFile)
rCount = 0
docCount = 0
print "正在使用测试数据验证模型效果..."
for line in testText:
lable,text = line.strip().split(' ',1)
index = lable2id(lable[0])
words = text.split(' ')
preValues = list(docScores)
for word in words:
if word in features:
for i in xrange(len(preValues)):
preValues[i]+=math.log(scores[word][i])
m = max(preValues)
pIndex = preValues.index(m)
if pIndex == index:
rCount += 1
#print lable,lables[pIndex],text
docCount += 1
print("总共测试文本量: %d , 预测正确的类别量: %d, 朴素贝叶斯分类器准确度:%f" %(rCount,docCount,rCount * 1.0 / docCount))
if __name__=="__main__":
if len(sys.argv) != 4:
print "Usage: python naive_bayes_text_classifier.py sougou_news.txt feature_file.out model_file.out"
sys.exit()
inFile = sys.argv[1]
featureFile = sys.argv[2]
modelFile = sys.argv[3]
trainText, testText = shuffle(inFile)
count_for_cates(trainText, featureFile)
train_bayes(featureFile, trainText, modelFile)
predict(featureFile, modelFile, testText)
~~~
**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](https://www.kaggle.com/)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](https://www.kaggle.com/c/sf-crime)。
**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](https://www.kaggle.com/c/sf-crime/data)下载到，大家也可以在博主提供的[百度网盘地址](http://pan.baidu.com/s/1o6Wgch8)中下载到。我们依旧用pandas载入数据，先看看数据内容。
~~~
import pandas as pd
import numpy as np
#用pandas载入csv训练数据，并解析第一列为日期格式
train=pd.read_csv('/Users/Hanxiaoyang/sf_crime_data/train.csv', parse_dates = ['Dates'])
test=pd.read_csv('/Users/Hanxiaoyang/sf_crime_data/test.csv', parse_dates = ['Dates'])
train
~~~
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*](http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/49797143)和[机器学习系列(6)从白富美相亲看特征预处理与选择(下)](http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/50503115)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：
~~~
星期一/Monday = 1,0,0,0,...
星期二/Tuesday = 0,1,0,0,...
星期三/Wednesday = 0,0,1,0,...
...
~~~
我们之前也提到过，用pandas的[get_dummies()](http://pandas.pydata.org/pandas-docs/version/0.13.1/generated/pandas.get_dummies.html)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](http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.preprocessing.LabelEncoder.html)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：
~~~
import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.cross_validation import train_test_split
from sklearn import preprocessing
#用LabelEncoder对不同的犯罪类型编号
leCrime = preprocessing.LabelEncoder()
crime = leCrime.fit_transform(train.Category)
#因子化星期几，街区，小时等特征
days = pd.get_dummies(train.DayOfWeek)
district = pd.get_dummies(train.PdDistrict)
hour = train.Dates.dt.hour
hour = pd.get_dummies(hour)
#组合特征
trainData = pd.concat([hour, days, district], axis=1)
trainData['crime']=crime
#对于测试数据做同样的处理
days = pd.get_dummies(test.DayOfWeek)
district = pd.get_dummies(test.PdDistrict)
hour = test.Dates.dt.hour
hour = pd.get_dummies(hour)
testData = pd.concat([hour, days, district], axis=1)
trainData
~~~
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*](http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/49123419)，[机器学习系列(2)从初等数学视角解读逻辑回归](http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/49332321)，[机器学习系列(3)_逻辑回归应用之Kaggle泰坦尼克之灾](http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/49797143)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](http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.metrics.log_loss.html)，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：
~~~
ffrom sklearn.cross_validation import train_test_split
from sklearn import preprocessing
from sklearn.metrics import log_loss
from sklearn.naive_bayes import BernoulliNB
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
import time
# 只取星期几和街区作为分类器输入特征
features = ['Monday', 'Tuesday', 'Wednesday', 'Thursday', 'Friday', 'Saturday', 'Sunday', 'BAYVIEW', 'CENTRAL', 'INGLESIDE', 'MISSION',
'NORTHERN', 'PARK', 'RICHMOND', 'SOUTHERN', 'TARAVAL', 'TENDERLOIN']
# 分割训练集(3/5)和测试集(2/5)
training, validation = train_test_split(trainData, train_size=.60)
# 朴素贝叶斯建模，计算log_loss
model = BernoulliNB()
nbStart = time.time()
model.fit(training[features], training['crime'])
nbCostTime = time.time() - nbStart
predicted = np.array(model.predict_proba(validation[features]))
print "朴素贝叶斯建模耗时 %f 秒" %(nbCostTime)
print "朴素贝叶斯log损失为 %f" %(log_loss(validation['crime'], predicted))
#逻辑回归建模，计算log_loss
model = LogisticRegression(C=.01)
lrStart= time.time()
model.fit(training[features], training['crime'])
lrCostTime = time.time() - lrStart
predicted = np.array(model.predict_proba(validation[features]))
log_loss(validation['crime'], predicted)
print "逻辑回归建模耗时 %f 秒" %(lrCostTime)
print "逻辑回归log损失为 %f" %(log_loss(validation['crime'], predicted))
~~~
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：
~~~
from sklearn.cross_validation import train_test_split
from sklearn import preprocessing
from sklearn.metrics import log_loss
from sklearn.naive_bayes import BernoulliNB
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
import time
# 添加犯罪的小时时间点作为特征
features = ['Friday', 'Monday', 'Saturday', 'Sunday', 'Thursday', 'Tuesday',
'Wednesday', 'BAYVIEW', 'CENTRAL', 'INGLESIDE', 'MISSION',
'NORTHERN', 'PARK', 'RICHMOND', 'SOUTHERN', 'TARAVAL', 'TENDERLOIN']
hourFea = [x for x in range(0,24)]
features = features + hourFea
# 分割训练集(3/5)和测试集(2/5)
training, validation = train_test_split(trainData, train_size=.60)
# 朴素贝叶斯建模，计算log_loss
model = BernoulliNB()
nbStart = time.time()
model.fit(training[features], training['crime'])
nbCostTime = time.time() - nbStart
predicted = np.array(model.predict_proba(validation[features]))
print "朴素贝叶斯建模耗时 %f 秒" %(nbCostTime)
print "朴素贝叶斯log损失为 %f" %(log_loss(validation['crime'], predicted))
#逻辑回归建模，计算log_loss
model = LogisticRegression(C=.01)
lrStart= time.time()
model.fit(training[features], training['crime'])
lrCostTime = time.time() - lrStart
predicted = np.array(model.predict_proba(validation[features]))
log_loss(validation['crime'], predicted)
print "逻辑回归建模耗时 %f 秒" %(lrCostTime)
print "逻辑回归log损失为 %f" %(log_loss(validation['crime'], predicted))
~~~
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**](https://www.kaggle.com/c/word2vec-nlp-tutorial/)，地址为[https://www.kaggle.com/c/word2vec-nlp-tutorial/](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](http://movie.douban.com/)一样的[IMDB](http://www.imdb.com/)，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](https://www.kaggle.com/c/word2vec-nlp-tutorial/data)，大家也可以到博主的[百度网盘](http://pan.baidu.com/s/1c1jX8nI)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review3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)：
~~~
import re #正则表达式
from bs4 import BeautifulSoup #html标签处理
import pandas as pd
def review_to_wordlist(review):
'''
把IMDB的评论转成词序列
'''
# 去掉HTML标签，拿到内容
review_text = BeautifulSoup(review).get_text()
# 用正则表达式取出符合规范的部分
review_text = re.sub("[^a-zA-Z]"," ", review_text)
# 小写化所有的词，并转成词list
words = review_text.lower().split()
# 返回words
return words
# 使用pandas读入训练和测试csv文件
train = pd.read_csv('/Users/Hanxiaoyang/IMDB_sentiment_analysis_data/labeledTrainData.tsv', header=0, delimiter="\t", quoting=3)
test = pd.read_csv('/Users/Hanxiaoyang/IMDB_sentiment_analysis_data/testData.tsv', header=0, delimiter="\t", quoting=3 )
# 取出情感标签，positive/褒 或者 negative/贬
y_train = train['sentiment']
# 将训练和测试数据都转成词list
train_data = []
for i in xrange(0,len(train['review'])):
train_data.append(" ".join(review_to_wordlist(train['review'][i])))
test_data = []
for i in xrange(0,len(test['review'])):
test_data.append(" ".join(review_to_wordlist(test['review'][i])))
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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](http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.feature_extraction.text.TfidfVectorizer.html)。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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from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer as TFIV
# 初始化TFIV对象，去停用词，加2元语言模型
tfv = TFIV(min_df=3, max_features=None, strip_accents='unicode', analyzer='word',token_pattern=r'\w{1,}', ngram_range=(1, 2), use_idf=1,smooth_idf=1,sublinear_tf=1, stop_words = 'english')
# 合并训练和测试集以便进行TFIDF向量化操作
X_all = train_data + test_data
len_train = len(train_data)
# 这一步有点慢，去喝杯茶刷会儿微博知乎歇会儿...
tfv.fit(X_all)
X_all = tfv.transform(X_all)
# 恢复成训练集和测试集部分
X = X_all[:len_train]
X_test = X_all[len_train:]
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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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# 多项式朴素贝叶斯
from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB as MNB
model_NB = MNB()
model_NB.fit(X, y_train) #特征数据直接灌进来
MNB(alpha=1.0, class_prior=None, fit_prior=True)
from sklearn.cross_validation import cross_val_score
import numpy as np
print "多项式贝叶斯分类器20折交叉验证得分: ", np.mean(cross_val_score(model_NB, X, y_train, cv=20, scoring='roc_auc'))
# 多项式贝叶斯分类器20折交叉验证得分: 0.950837239
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# 折腾一下逻辑回归，恩
from sklearn.linear_model import LogisticRegression as LR
from sklearn.grid_search import GridSearchCV
# 设定grid search的参数
grid_values = {'C':[30]}
# 设定打分为roc_auc
model_LR = GridSearchCV(LR(penalty = 'L2', dual = True, random_state = 0), grid_values, scoring = 'roc_auc', cv = 20)
# 数据灌进来
model_LR.fit(X,y_train)
# 20折交叉验证，开始漫长的等待...
GridSearchCV(cv=20, estimator=LogisticRegression(C=1.0, class_weight=None, dual=True,
fit_intercept=True, intercept_scaling=1, penalty='L2', random_state=0, tol=0.0001),
fit_params={}, iid=True, loss_func=None, n_jobs=1,
param_grid={'C': [30]}, pre_dispatch='2*n_jobs', refit=True,
score_func=None, scoring='roc_auc', verbose=0)
#输出结果
print model_LR.grid_scores_
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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。
- 前言
- 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
- 手把手入门神经网络系列(1)_从初等数学的角度初探神经网络
- 手把手入门神经网络系列(2)_74行代码实现手写数字识别
- 机器学习系列(4)_机器学习算法一览，应用建议与解决思路
- 机器学习系列(5)_从白富美相亲看特征预处理与选择(上)
- 机器学习系列(6)_从白富美相亲看特征预处理与选择(下)
- 机器学习系列(7)_机器学习路线图（附资料）
- NLP系列(2)_用朴素贝叶斯进行文本分类(上)
- NLP系列(3)_用朴素贝叶斯进行文本分类(下)
- NLP系列(4)_朴素贝叶斯实战与进阶