视频讲解|核密度估计朴素贝叶斯:业务数据分类—从理论到实践

作为数据科学家,日常工作里常与各类数据和算法打交道,致力于从繁杂数据中挖掘价值、解决实际业务难题。

在项目中,面对业务场景数据的分类需求,传统朴素贝叶斯方法在处理非正态分布数据时的局限逐渐凸显,促使我们探索创新的解决方案,也就是核密度估计朴素贝叶斯(Kernel Density Estimation Naive Bayes,KDE – Naive Bayes)方法 。

Xing Gao撰写

在实际业务里,数据形态多样,传统朴素贝叶斯依赖预设分布(如高斯分布),遇到非正态数据易拟合失真,影响分类准确性,进而给业务决策带来偏差。而核密度估计朴素贝叶斯,无需预先设定似然函数,还能通过多重核密度估计计算特征联合分布,突破“朴素”假设限制。这一方法在项目实践中展现出良好效果,为解决类似业务数据分类问题提供了新路径。

× 基于历史数据统计当拥有丰富的历史数据时,可通过对历史数据的统计分析来确定先验概率。具体做法是,计算在所有历史样本中,某一类别出现的频率。例如,在一个垃圾邮件分类场景中,有 10000 封历史邮件数据,其中经过人工标注确认,垃圾邮件有 3000 封,正常邮件有 7000 封。那么垃圾邮件类别的先验概率 \(P(\text{垃圾邮件})=\frac{3000}{10000} = 0.3\) ,正常邮件类别的先验概率 \(P(\text{正常邮件})=\frac{7000}{10000}= 0.7\) 。再比如,在医疗诊断中,统计某地区过往患有特定疾病的人数占总人数的比例,以此作为该疾病类别的先验概率。假设某地区有 10 万人,其中患某种疾病的有 500 人,那么该疾病类别的先验概率 \(P(\text{患该疾病})=\frac{500}{100000}= 0.005\) 。主观判断或专家经验在缺乏足够历史数据,或问题本身难以获取大量数据时,可依据领域专家的经验、知识,以及个人的主观判断来设定先验概率。这种方式具有一定主观性,但在很多情况下能提供有价值的初始估计。比如,在预测某新型药物对某种罕见病的疗效时,由于该药物刚投入研究,没有大量的临床数据支撑。此时,专家根据以往对类似药物的研究经验、疾病的病理机制等方面的知识,判断该药物有效的概率为 0.6 ,这就可以作为药物疗效类别的先验概率。又比如,在评估一个新的创业项目成功的可能性时,投资专家根据行业趋势、团队能力、市场竞争等多方面因素,主观认为该项目成功的先验概率是 0.4 。均匀分布假设当对各类别完全一无所知,没有任何先验信息可以参考时,可以假设各类别的先验概率是均匀分布的。即如果有 n 个类别,那么每个类别的先验概率 \(P(C_i)=\frac{1}{n}\)(\(i = 1,2,\cdots,n\) )。例如,在一个包含 5 个类别的图像分类任务中,在没有任何关于各类别图像数量或出现可能性的先验信息时,可假设每个类别的先验概率 \(P(C_1)=P(C_2)=P(C_3)=P(C_4)=P(C_5)=\frac{1}{5} = 0.2\) 。基于层次贝叶斯模型估计在一些复杂的情况下,可利用层次贝叶斯模型,通过多层的概率结构来估计先验概率。它将先验概率本身看作是服从某种分布的随机变量,然后基于数据和更高级别的先验信息来对其进行推断。例如,在对多个地区的某种疾病发病率进行建模时,每个地区的发病率可看作是从一个共同的超先验分布中抽取出来的。通过层次贝叶斯模型,利用所有地区的数据信息,不仅可以估计每个地区的疾病发病率(相当于后验概率),还可以对描述地区发病率分布的超先验参数进行估计,进而得到更合理的先验概率分布。这种方法在处理多个相关的分类问题,且希望共享信息以提高估计准确性时较为常用。

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接下来,我们将从朴素贝叶斯基础讲起,剖析其局限,再深入介绍核密度估计朴素贝叶斯的原理、实践及优势,希望能给各位数据科学同行或业务伙伴带来启发。


文章脉络流程图

朴素贝叶斯基础:分类任务的经典起点

在数据分类场景中,朴素贝叶斯是常用的经典算法。其核心思想基于贝叶斯定理,通过特征向量 ( X ) 推断类别 ( C_k ) 的后验概率 ( P(C_k|X) ),公式为:



其中,( P(XC_k) ) 是似然函数,描述类别 ( C_k ) 下特征 ( X ) 的概率分布;( P(C_k) ) 是先验分布,代表类别 ( C_k ) 出现的先验概率;

( P(X) ) 是证据因子,为特征 ( X ) 出现的总概率 。

朴素贝叶斯有一关键“朴素假设”,即认为特征向量 ( X = (x_1, x_2, \cdots, x_n) ) 中各特征相互独立,于是:


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这一假设简化了计算,让算法在很多简单场景能快速应用,比如文本分类中,可假设单词出现相互独立,辅助判断文本类别 。在实际业务的初步数据分类探索中,朴素贝叶斯常作为基础工具,帮我们快速搭建分类框架,了解数据大致分类倾向。

传统朴素贝叶斯的局限:非正态数据的挑战

实际业务数据复杂多样,并非都符合预设的正态分布等简单形态。传统朴素贝叶斯若采用高斯分布假设(如 (

) ,其中 ( \mu_{k,i} ) 和 ( \sigma_{k,i}^2 ) 分别是类别 ( C_k ) 下特征 ( x_i ) 的均值和方差 ),面对非正态数据时,拟合效果会大打折扣。

以业务场景中的某类数据为例,数据分布并非标准正态,用传统朴素贝叶斯的高斯分布假设去拟合,得到的概率密度曲线与实际数据分布偏差明显,分类准确率(如项目中某业务分类任务,传统方法准确率仅 0.5585 )难以满足业务对精准分类、辅助决策的需求。这就像用标准模具去套形状各异的零件,很多时候无法契合,导致后续基于分类结果的业务策略制定可能出现偏差,影响业务推进和效果。


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核密度估计朴素贝叶斯:突破局限的创新实践

原理与优势

为解决传统方法在非正态数据上的困境,核密度估计朴素贝叶斯应运而生。它利用核密度估计计算数据的似然函数,摆脱对预设分布的依赖。核密度估计通过对数据样本的分析,构建出更贴合实际数据分布的概率密度曲线,能灵活应对各种复杂的数据形态 。


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从优势来看,一方面,无需预先设定似然函数,让算法能适配更多样的业务数据,不再受限于简单分布假设;另一方面,可通过多重核密度估计计算特征的联合分布,突破“朴素”假设中特征独立的限制,让朴素贝叶斯“不朴素”,更贴近实际业务数据中特征相互关联的真实情况 。比如在分析业务场景中多个相关特征对分类结果的影响时,能更准确刻画特征间关系,提升分类的精准度。

实践与效果

在项目实践中,我们对核密度估计朴素贝叶斯进行了应用。关键代码部分(以 Python 为例,进行了变量名等调整,核心逻辑保留 ):


# 导入相关库,用于数据处理和核密度估计等操作
import numpy as np from scipy.stats import gaussian_kde # 假设 data 是业务场景数据,包含特征和类别标签,这里简单模拟数据加载和处理 # 实际业务中,data 需根据具体业务数据格式和来源进行读取、清洗等操作 data = np.random.randn(1000, 5) # 模拟数据,实际为业务场景数据 # 分离特征和标签,假设标签在最后一列 features = data[:, :-1] labels = data[:, -1] # 定义核密度估计朴素贝叶斯分类函数的核心部分 def kde_naive_bayes_classify(feature_sample, features, labels): # 获取类别数量 unique_labels = np.unique(labels) # 存储各类别概率 label_probs = [] for label in unique_labels: # 筛选出对应类别的特征数据 class_features = features[labels == label] # 对每个特征维度进行核密度估计 kde_models = [gaussian_kde(class_features[:, i]) for i in range(class_features.shape[1])] # 计算该样本在各类别下的概率(似然部分) prob = 1 for i in range(len(kde_models)): prob *= kde_models[i].evaluate([feature_sample[i]])[0] # 这里简单假设先验概率均等,实际业务中可根据数据统计得到 prior_prob = np.mean(labels == label) label_probs.append(prob * prior_prob) # 返回概率最大的类别 return unique_labels[np.argmax(label_probs)]

通过这样的代码逻辑,对业务场景数据进行分类。在项目的实际应用中,当设置带宽(bandwidth )为 ‘Scott’ 时,分类准确率提升到 0.826 ,相比传统朴素贝叶斯有显著改善。这意味着在业务决策中,基于该分类结果制定的策略,能更贴合实际数据规律,为业务带来更有效的支撑,比如在客户分类、业务风险识别等场景中,更精准的分类有助于企业针对性开展营销、风险管控等工作,提升业务效益。

核密度估计朴素贝叶斯的优劣势分析

优点

  • 适配多样数据:无需预先设定似然函数,不管业务数据是何种复杂分布,都能通过核密度估计去适配,拓宽在不同业务场景的应用可能性。像处理电商交易数据中用户行为特征的复杂分布、金融数据中风险指标的特殊分布等,都能发挥作用 。
  • 突破特征独立假设:借助多重核密度估计计算特征联合分布,能更真实反映业务数据中特征间的关联,让分类更精准。例如在分析企业运营数据时,多个运营指标(如营收、成本、用户活跃度等 )相互影响,该方法可更好捕捉这种关系,辅助企业精准分类运营状态 。

缺点

  • 计算成本较高:由于要对每个特征维度进行核密度估计,且核密度估计本身计算复杂,当业务数据量庞大、特征维度较多时,计算量会显著增加,可能影响业务应用中的处理效率。比如在处理大规模互联网用户行为数据时,若特征维度达数十个,计算时间会明显拉长,对实时性要求高的业务场景(如实时推荐、实时风险预警 )带来挑战 。
  • 带宽设置敏感:需要设定合适的 bandwidth 值,值过低可能导致过拟合,使模型在训练数据上表现好,但对实际业务中的新数据分类效果差;值过高又可能欠拟合,丢失数据细节。在业务实践中,需通过多次试验、结合业务效果评估来找到合适的带宽设置,增加了应用的复杂度和试错成本 。

关于分析师

在此对 Xing Gao 对本文所作的贡献表示诚挚感谢,他在温州大学完成了应用心理学专业的学习,曾担任心理老师。擅长 Python、SPSS、Mplus、Amos、Excel、SQL、Tableau,在随机对照试验、问卷研究、心理测评、数据分析、机器学习方面有相关能力 。涵盖随机对照试验、问卷研究、心理测评等领域。他在数据分析、机器学习等方面拥有专业知识,并具备使用多种数据处理与分析工具的优势,能够胜任相关的研究与实践工作。

 
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