贝叶斯决策论
贝叶斯决策论是概率框架下实施决策的基本方法。对分类任务来说,在所有相关概率都已知的理想情形下,贝叶斯决策论考虑如何基于这些概率和误判损失来选择最优的类别标记。
假设有N种可能的类别标记,即Y={c1,c2,…,cN},λij是将一个真实标记为cj的样本误分类为ci所产生的损失。基于后验概率P(ci∣x)可获得将样本x分类为ci所产生的期望损失(expected loss),即在样本x上的“条件风险”(conditional risk)。R(ci∣x)=j=1∑NλijP(cj∣x)我们的任务是寻找一个判定准则h:χ↦Y以最小化总体风险R(h)=Ex[R(h(x)∣x)]显然,对于每一个样本x,若h能最小化条件风险R(h(x)∣x),则总体风险R(h)也将被最小化。这就产生了贝叶斯判定准则(Bayes Decision Rule):为最小化总体风险,只需要在每个样本上选择那个能使风险R(c∣x)最小的类别标记,即h∗(x)=c∈YargminR(c∣x) 此时,h∗(x)称为贝叶斯最优分类器(Bayes optimal classifier),与之对应的总体风险R(h∗)称为贝叶斯风险(Bayes risk)。1−R(h∗)反映了分类器所能达到的最好性能,即通过机器学习所能产生的模型精度的理论上限。
极大似然估计
估计类条件概率的一种常用策略是先假定其具有某种确定的概率分布形式,再基于训练样本对概率分布的参数进行估计。具体地,记关于类别c的类条件概率为P(x∣c),假设P(x∣c)具有确定的形式并且被参数向量θc唯一确定,则我们的任务就是利用训练集D估计参数θc。为明确起见,我们将P(x∣c)记为P(x∣θc)。
事实上,概率模型的训练过程就是参数估计(parameter estimation)过程。对于参数估计,统计学界的两个学派分别提供了不同的解决方案:频率主义学派(Frequentist)认为参数虽然未知,但却是客观存在的固定值,因此可通过优化似然函数等准则来确定参数值;贝叶斯学派(Bayesian)则认为参数是未观察到的随机变量,其本身也可有分布。本节介绍源自频率主义学派的极大似然估计(Maximum Likelihood Estimate,简称MLE),这是根据数据采样来估计概率分布参数的经典方法。
令Dc表示训练集D中第c类样本组成的集合,假设这些样本是独立同分布的,则参数θc对于数据集Dc的似然是P(Dc∣θc=x∈Dc∏P(x∣θc)对θc进行极大似然估计,就是去寻找到能最大化似然P(Dc∣θc)的参数值θc^。直观上看,极大似然估计是试图在θc所有可能的取值中,找到一个能使数据出现的“可能性”最大的值。
上式中的连乘操作易造成下溢,通常使用对数似然(log-likelihood)LL(θc)=logP(Dc∣θc)=x∈Dc∑logP(x∣θc)此时参数θc的极大似然估计θc^为θc^=θcargmaxLL(θc)例如,在连续属性情形下,假设概率密度函数