S21L06 – 基于 Python 的高斯朴素贝叶斯

使用Python实现高斯朴素贝叶斯:全面指南

目录

  1. 高斯朴素贝叶斯简介
  2. 了解数据集
  3. 数据预处理
    1. 处理缺失数据
    2. 编码分类变量
    3. 特征选择
    4. 特征缩放
  4. 模型实现
    1. K-近邻算法 (KNN)
    2. 逻辑回归
    3. 高斯朴素贝叶斯
  5. 模型评估
  6. 可视化决策边界
  7. 超参数调优
  8. 结论
  9. 参考文献

1. 高斯朴素贝叶斯简介

高斯朴素贝叶斯 (GNB) 是一种基于贝叶斯定理的概率分类算法,假设特征服从正态分布。它对于连续数据特别有效,实现简单且计算需求相对较低。尽管其假设过于简化,GNB 在文本分类和医学诊断等任务中通常表现得非常优秀。

高斯朴素贝叶斯的关键特点:

  • 概率模型:为预测提供概率。
  • 特征独立性假设:通过假设特征独立简化计算。
  • 效率高:训练和预测阶段速度快。

2. 了解数据集

在我们的实现中,将使用两个数据集:

  1. 鸢尾花数据集:机器学习中的经典数据集,包括来自三个不同种类(SetosaVirginicaVersicolor)的150个鸢尾花样本。每个样本有四个特征:花萼长度、花萼宽度、花瓣长度和花瓣宽度。
  2. WeatherAUS 数据集:来自 Kaggle,该数据集包含来自澳大利亚气象站的气象数据,包括温度、降雨量、湿度和风速等特征。

3. 数据预处理

有效的数据预处理对于构建稳健的机器学习模型至关重要。我们将详细介绍应用于 WeatherAUS 数据集的基本预处理步骤。

a. 处理缺失数据

缺失数据会扭曲分析结果。我们采用两种策略来处理缺失值:

  • 数值特征:使用均值策略进行填补。
  • 分类特征:使用最频繁策略进行填补。

b. 编码分类变量

机器学习算法需要数值输入。我们应用 标签编码独热编码 来转换分类变量。

c. 特征选择

为了提高模型性能并减少计算成本,我们使用 SelectKBest 方法结合 卡方检验 评分函数选择最相关的特征。

d. 特征缩放

标准化特征确保每个特征对结果的贡献相等,这对于基于距离的算法如KNN尤其重要。

4. 模型实现

我们将实现三种分类模型:K-近邻算法 (KNN)逻辑回归高斯朴素贝叶斯

a. K-近邻算法 (KNN)

KNN基于其最近邻的多数标签对数据点进行分类。

输出:

b. 逻辑回归

逻辑回归模拟分类因变量的概率。

输出:

c. 高斯朴素贝叶斯

GaussianNB 假设与每个类别相关的连续值服从正态分布。

输出:

5. 模型评估

模型评估对于了解模型在未见数据上的表现至关重要。我们使用 准确率 作为主要指标。

模型 准确率
K-近邻算法 (KNN) 80%
逻辑回归 83%
高斯朴素贝叶斯 80%

在测试的模型中,逻辑回归 在此数据集上优于KNN和高斯朴素贝叶斯,强调了基于数据特征进行模型选择的重要性。

6. 可视化决策边界

可视化决策边界有助于理解不同分类器如何分隔数据。我们将使用鸢尾花数据集进行此目的。

可视化:
  1. K-近邻算法 (KNN):基于邻近度捕捉更复杂的边界。
  2. 逻辑回归:线性决策边界。
  3. 高斯朴素贝叶斯:由于概率假设,边界呈曲线形。

7. 超参数调优

虽然我们的初步实验提供了良好的起点,但微调超参数可以进一步提高模型性能。可以采用 网格搜索随机搜索 等技术,为每个分类器找到最佳的超参数组合。

8. 结论

在Python中实现高斯朴素贝叶斯非常简单,得益于像 scikit-learn 这样的库。尽管其简单性,GNB 提供了具有竞争力的性能,使其成为机器学习工具库中的宝贵工具。然而,如前所述,模型性能取决于数据集的性质。例如,在我们使用WeatherAUS数据集的实验中,逻辑回归优于GNB和KNN。

主要收获:

  • 数据预处理:处理缺失数据和编码分类变量是关键步骤。
  • 特征选择:选择相关特征可以提升模型性能并减少计算开销。
  • 模型选择:始终尝试多种模型以确定哪个在特定数据集上表现最佳。
  • 可视化:理解决策边界有助于深入了解模型如何分隔数据。

通过遵循本指南中概述的步骤,您可以有效地实现并评估高斯朴素贝叶斯以及其他分类算法,从而在您的机器学习项目中做出明智的决策。

9. 参考文献

分享你的喜爱