《模式分類》讀書筆記之一 貝葉斯決策論

2022-07-30 10:00:11 字數 1569 閱讀 6841

問題:設計乙個分類器來區分鱸魚和鮭魚(兩分類問題)。

具體而言,我們得找個方法來判斷下一條傳送帶上傳送過來的魚的類別。如果用$w$表示狀態類別,可設$w_$表示鱸魚,$w_$表示鮭魚。由於類別不確定,可設$w$是乙個由概率來描述的隨機變數。

首先,可以根據已知資訊假定下一條魚是鱸魚的「先驗概率」為$p(w_)$,下一條魚是鮭魚的「先驗概率」是$p(w_)$,則$p(w_)+p(w_)=1$(當然,在已知資訊很少的情況下,可以假定$p(w_)=p(w_)=0.5$)。

顯然,我們不能只根據先驗概率判斷下一條魚的類別,因為這樣對每一條傳送過來的魚,我們都將得到相同的結果(顯然這是與實際不符的,很可能出錯的),而若是這樣,我們也並沒有利用現有的、傳送過來的魚的資訊(如光澤度等),就如「說美帝好的都是漢奸」這個謬誤的論斷,因為我們下的論斷是「凡是傳送過來的都是鮭魚」(假設鮭魚的先驗概率比較大)。所以更合理的判斷規則是,如果我們觀察到正傳送過來的魚的特徵$x$,我們就可以計算這條魚可能是鱸魚的概率$p(w_|x)$和可能是鮭魚的概率$p(w_|x)$;若$p(w_|x)>p(w_|x)$,則可判斷這條魚是鱸魚,反之是鮭魚。

對於特徵$x$,假定其為乙個連續隨機變數,其分布取決於類別狀態,表示成$p(x|w)$,即類別狀態為$w$時的$x$的概率密度函式。於是$p(x|w_)$與$p(x|w_)$之間的區別就表示了鱸魚和鮭魚之間特徵(如光澤度)的區別。

由條件概率的定義可知,處於類別$w_$且具有特徵值$x$的模式的聯合概率密度可寫成兩種形式:

\begin \label p(w_,x)=p(w_|x)p(x)=p(x|w_)p(w_).\end轉換一下,即為著名的貝葉斯公式:

\begin \label p(w_|x)=\frac)p(w_)}^p(x|w_)p(})} \end 

通過以上公式,我們就可以通過觀察得到的特徵$x$和先驗概率$p(w_)$及概率密度函式$p(x|w_)$來計算後驗概率$p(w_|x)$。

下面來驗證一下為什麼$p(w_|x)>p(w_|x)$時,判斷真實類別是$w_$是一種好的決策(證明**於《模式識別》p9):

證明:假設$r_1$是$w_1$類對應的特徵空間,(同理,$r_2$對應於$w_$),其中$r_ \cap r_ = \emptyset$,且$r_\cup r_ = \mathbb$($\mathbb$表示$x$的所有可能值的集合。當然,可以這樣定義\(r_\)和$r_$:$r_=\ | p(x|w_) \ge p(x|w_)\},r_ = \| p(x|w_)

\begin\label \begin p_ & =  p(x \in r_,w_)+p(x \in r_, w_)\\ & =  \int_}p(w_|x)p(x) dx + \int_}p(w_|x)p(x) dx \end \end

又由條件概率的定義可得:

\begin \label p(w_) = \int_}p(w_|x)p(x) dx + \int_}p(w_|x)p(x) dx \end

結合式(\ref)和式(\ref)可得:

\begin \label p_= p(w_)-\int_}(p(w_|x)-p(w_|x))p(x) dx \end

由上式可以看出,我們選擇的決策方式是合理的。

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