[Bayesian] “我是bayesian我怕谁”系列 - Naive Bayes with Prior

机器学习路线

实用教材

先明确一些潜规则：

• • 机器学习是个collection or set of models，一切实践性强的模型都会被归纳到这个领域，没有严格的定义，’有用‘可能就是唯一的共性。

机器学习大概分为三个领域：

• • 一般的机器学习模型：没有掺杂太多统计概念，例如决策树，KNN聚类，感知机等。
  • 统计机器学习模型：依赖统计理论，主要是贝叶斯统计，例如SVM，naive bayesian，贝叶斯线性回归，高斯过程等。
  • 神经网络模型：可以简单的理解为感知机的扩展，因为扩展的太猛，单独成立门派咯。

如此定义，有助于菜鸡入门，不用纠结严谨性。

 

如何理解“一般的机器学习模型”和“统计机器学习模型”？

大部分人都不具备坚实的统计数学基础, such as《统计推断》，《贝叶斯分析》，但好东西仍然值得推广，那就先普及比较好理解的。

而所谓“一般的机器学习”，常以《机器学习导论》的姿态出现，见下图左。至于神经网络，首先，深度学习就是”更深“的神经网络，不要纠结这个梗，至于书，就是这典型的花书，见下图右。中间的prml，就是一本典型的贝叶斯机器学习书籍。

这些潜规则，确实会让菜鸡走火入魔，下载，打开目录，对比目录瞧上一瞧，就好了。当然，未来还会揭秘更多“潜规则”。

左：一般的机器学习  中：统计机器学习  右：深度学习

 

最近只是想对（个人的）统计机器学习知识体系做个梳理，写在这里。

还有一个常见问题，PGM是不是就是统计学习？PGM可以理解为一种符号工具for统计学习，“几何之于代数”，暂时先这么理解着。

 

当然了，不具备一定的数学基础不要碰统计学习；不会统计学习，不要自称做机器学习。所学的最最基本的数学基础是：

• 《统计推断》or《高级数理统计》的书籍可自行百度，学习基本的统计知识，比如各种分布的性质，统计量的性质等等。
• 《贝叶斯分析》推荐此书，此领域中文的好书不多，贝叶斯理论是一套体系，值得学习一本书。

贝叶斯分析 - 韦来生 (作者), 张伟平 (作者)

先说这么多作为前言，不要小看其价值，为什么你没有成为”别人家的牛人”，往往不是智商问题，而是没有“课程表”。

 

 

小数据的福音：贝叶斯

深刻了解一下概念：最大似然估计MLE、最大后验估计MAP及贝叶斯估计

这些概念有点区别，但对于“大数据”，其实结果相差无几，后两者都趋近于MLE。

小数据当然有必要纠结细节，当然还有一个原因，就是风险估计时，详见：统计决策论

 

 

 

生成式模型

书归正传，一个例子：生成式模型

何为生成式模型？这是个比较形象的叫法，比如：生成式 --> 生孩子。既然能判断出各国孕妇生各种肤色孩子的概率，那么，已知一个小孩的肤色为白，也就能判断最可能的国籍是欧洲某国。

这里，生成式模型却用于了分类。生成式，体现的是一个“过程”；分类，体现的是一个“静态结果”。观看的角度不同罢了，好比：电脑可以“写代码”，也可以是“游戏机”。

所以，不要纠结模型的名字，确实会带来理解上的误导。思考其核心功能价值，然后再放置在合适的知识体系角落。

 　　

概率图模型

画个概率图，看上去清晰明了，这也就是其存在的价值之一。

 

 

基本假设：

• • topic可能是几种话题之一，乃categorical分布。
  • 在topic下，每个word可能出现也可能不出现，乃bernoulli分布。

 

先验假设 

为什么要考虑prior，有“原先的经验”当然要加以利用。

那么，开始估计topic生成各个单词的概率就好了，估计好了，就可以之后拿来预测新样本。

有菜鸡问，这难道就是人们常说的高大上的主题模型？别闹，你说的东西在这里，Latent Dirichlet Allocation。至于两者区别，不在此讨论，在此有提：[IR] Concept Search and LDA。

 

 参数的先验形式：

 

参数的后验估计： 

 

 

代码实现

这叫做：解析解(analytical solution)，跟解方程组似的，答案可以通过公式一步到位。对应的代码也易实现，如下。

def naive_bayes_posterior_mean(x, y, alpha=1, beta=1):
    """
    Given an array of features `x`,
    an array of labels `y`,
    class prior Dirichlet parameter `alpha`, and
    common class-conditional feature expectation `beta`
    return 
    
    a posterior mean, `pi`, of `alpha` and
    a posterior mean, `theta` of the `beta`.
    
    NB: this is not the same as returning the parameters of the full posterior,
    but it is sufficient to calculate the posterior predictive density.
    """
    n_class = y.shape[1]
    n_feat = x.shape[1]
    
    # as a convenience, we allow both alpha and beta to be scalar values
    # which will be upcast to arrays for the common case of using priors to smooth
    # this is a no-op for alpha
    # but for beta, we must be explicit
    beta = np.ones(2) * beta
    
    pi_counts = np.sum(y, axis=0) + alpha
    pi = pi_counts/np.sum(pi_counts)
    
    theta = np.zeros((n_feat, n_class))

    for cls in range(n_class):
        docs_in_class = (y[:, cls]==1)
        class_feat_count = x[docs_in_class, :].sum(axis=0)
        theta[:, cls] = (class_feat_count + beta[1])/(docs_in_class.sum() + beta.sum())
        
    return pi, theta

 

解析解推导

第一篇，邀你入行，门槛低，骗你入坑。至于结果（解析解）的求解过程以及求解能力，可能才有点价值。

 

贝叶斯公式，就是要关注两个东西：似然函数，先验。

注意，这里的先验是个联合先验，虽然两者是iid。那为何搞这么复杂？

因为有些分布的先验们并非iid，比如高斯的均值与方差，两者互为影响。

这里仍“坚持”写成联合先验的形式，只是遵循“统一框架”，思维的严谨性，菜鸡们看多了就习惯了。

最后，根据贝叶斯公式，自然得出了一个联合形式的参数的后验：

 

可见，两个参数各自的估计都是独立的事情，写成如此，也是为了迎合“统一框架”。

一般而言，得到联合分布，就是得到一切。积分积到看不顺眼的变量就自然得到了所需变量的边缘分布形式。

菜鸡问：为何忽然便跳出了后验分布结果？这是共轭先验的性质，故菜鸡先要打好数学基础。 

参数的分布都有了，求参数的期望也就得出了最后的解析解。

 

 

 

贝叶斯之歌

写在本篇的最后，为什么叫这么个系列，因为： 

乐队链接

I think I'm Bayesian.
For all my life taught
parameters are fixed they don't come from distributions.
Try to imagine:
experiments repeat forever...
such a silly notion!
Propose this: New step.
What should I do? Accept, reject?
I feel free in these chains!

I think I'm a Bayesian.
How did this happen?
Just yesterday I tested H0s.
But I just learned Bayes' rule,
and priors seem cool,
have no p-value so how do I know?

If I'm a Bay Bay Bay Bay... Bayesian?
Am I a Bay Bay Bay Bay... Bayesian?

I don't know if this makes sense but,
I think I'm a Bayesian.

Give me a sampler:
I'll go and tune it;
I'll fly to it; I'll burn it in;
'cause I love to run chains,  
cut strings,
a couple things I can't do without Bayes!
Yeah I'm on top of the world,
when my samplers all converge!
Used to shrink my coefficients,
now I use stochastic search!

My advisors be like, "Woah,
what happened to you?
Use a prior one more time and
I'mma banish you to Duke!!"

Accept it, I know you want
to join my table at the Chinese restaurant.
My posterior is charming, so why don't you try?
We're conjugate! Don't be shy!
Yeah I know, all the frequentists say,
"Shame on you!"
But I tell them take a random walk
'cause I know this is the start of something new!
I think I'm a Bayesian!

I think I'm a Bayesian.
How did this happen?
Just yesterday I tested H0s.
But I just learned Bayes' rule,
and priors seem cool,
have no p-value so how do I know?