用python对iris数据集进行简单的bayes分类
GitHub地址：https://github.com/kevinten10/Data-Processing
（代码在最下面）
正在学习人工智能课程，作业要求自己写一个贝叶斯分类器，分享一下，一起学习
题目描述：
对于Iris数据库，假设样本数据服从多变量正态分布。用Python实现以下内容：
1）用最大似然估计方法估计先验概率密度。
2）建立最小错误率Bayes分类器。
3）检验分类器性能。
实验内容及数学原理：
（1）最大似然估计方法估计先验概率：
设样本类型为Y，样本有Ck种类别，k=1,2,3
极大似然估计先验概率为：
P（Y=Ck）=∑（i=1,2,…N）I（yi=ck）/N，k=1,2,3
∵指示函数I（yi=ck）=1（当yi=ck成立）或0（当yi=ck不成立）
∴先验概率P（Y=Ck）= 样本中Ck的数目/样本总数，k=1,2,3
∴P（Y='Iris-setosa'）=∑I（Y=C1）/N总
P（Y='Iris-versicolor'）=∑I（Y=C2）/N总
P（Y='Iris-virginica'）=∑I（Y=C3）/N总
（2）建立最小错误率Bayes分类器
已知输入变量X={x1,x2,x3,x4}服从四维正态分布 N4（μ，∑），μ为样本均值，∑为样本协方差矩阵
四维正态分布概率密度函数如下：
f（X|μ，∑）=[1/gen(2π)^d * gen(|∑|)]exp[-1/2 * (X-μ)∑^-1(X-μ)T]
已知先验概率P（Y=Ck）= 1/3 k=1,2,3
求后验概率为P（Y=Ck|X）= P（X|Y=Ck）P（Y=Ck）/∑P（X|Y=Ck）P（Y=Ck）
∴需要根据样本数据估计μ，∑
∑=[cov(x1,x1),…,…,…] u1=`x1 μ=（μ1，μ2，μ3，μ4）T
[…,cov(x2,x2),…,…] u2=`x2
[…,…,cov(x3,x3),…] u3=`x3
[…,…,…,cov(x4,x4)] u4=`x4
得到条件概率密度P（X|Y=Ck），k=1,2,3
从而得到后验概率P（Y=Ck|X）,k=1,2,3
又因为在三个类别中先验概率密度P（Y=Ck）相等，分母∑P（X|Y=Ck）P（Y=Ck）相等
故只需判断条件概率密度P（X|Y=Ck）
∴通过判别一个输入X的 MAX=max{P（X|Y=C1）, P（X|Y=C2）, P（X|Y=C3）}
若 MAX=P（X|Y=C1）,则X为C1类
若 MAX=P（X|Y=C2）,则X为C2类
若 MAX=P（X|Y=C3）,则X为C3类
（3）检验分类器性能
采用0-1损失函数，对数据集进行K折交叉验证，划分为K个不相交的子集，每次选取K-1个子集进行训练，其余1个子集进行验证，得到测试误差Etest。重复K次，计算Etest的均值，即为正确率。
python代码实现（有注释说明）：
# Load libraries
import pandas
import numpy as np
import scipy.stats as stats
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import model_selection # 模型比较和选择包
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB
class Bayes_Test():
# 读取样本 数据集
def load_dataset(self):
url = 'iris.data'
names = ['sepal-length', 'sepal-width', 'petal-length', 'petal-width', 'class']
dataset = pandas.read_csv(url, names=names)
return dataset
# 提取样本特征集和类别集 划分训练/测试集
def split_out_dataset(self, dataset):
array = dataset.values # 将数据库转换成数组形式
X = array[:, 0:4].astype(float) # 取特征数值列
Y = array[:, 4] # 取类别列
validation_size = 0.20 # 验证集规模
seed = 7
# 分割数据集 测试/验证
X_train, X_validation, Y_train, Y_validation = \
model_selection.train_test_split(X, Y, test_size=validation_size, random_state=seed)
return X_train, X_validation, Y_train, Y_validation
"""第一步：划分样本集"""
# 提取样本 特征
def split_out_attributes(self, X, Y):
# 提取 每个类别的不同特征
# c1 第一类的特征数组
c1_1 = c1_2 = c1_3 = c1_4 = []
c2_1 = c2_2 = c2_3 = c2_4 = []
c3_1 = c3_2 = c3_3 = c3_4 = []
for i in range(len(Y)):
if (Y[i] == 'Iris-setosa'):
c1_1.append(X[i, 0])
c1_2.append(X[i, 1])
c1_3.append(X[i, 2])
c1_4.append(X[i, 3])
elif (Y[i] == 'Iris-versicolor'):
# c2 第二类的特征数组
c2_1.append(X[i, 0])
c2_2.append(X[i, 1])
c2_3.append(X[i, 2])
c2_4.append(X[i, 3])
elif (Y[i] == 'Iris-virginica'):
# c3 第三类的特征数组
c3_1.append(X[i, 0])
c3_2.append(X[i, 1])
c3_3.append(X[i, 2])
c3_4.append(X[i, 3])
else:
pass
return [c1_1, c1_2, c1_3, c1_4,
c2_1, c2_2, c2_3, c2_4,
c3_1, c3_2, c3_3, c3_4]
"""因为符合多变量正态分布，所以需要(μ，∑)两个样本参数"""
"""第二步：计算样本期望μ和样本方差s"""
# 计算样本期望
def cal_mean(self, attributes):
c1_1, c1_2, c1_3, c1_4, c2_1, c2_2, c2_3, c2_4, c3_1, c3_2, c3_3, c3_4 = attributes
# 第一类的期望值μ
e_c1_1 = np.mean(c1_1)
e_c1_2 = np.mean(c1_2)
e_c1_3 = np.mean(c1_3)
e_c1_4 = np.mean(c1_4)
# 第二类的期望值μ
e_c2_1 = np.mean(c2_1)
e_c2_2 = np.mean(c2_2)
e_c2_3 = np.mean(c2_3)
e_c2_4 = np.mean(c2_4)
# 第三类的期望值μ
e_c3_1 = np.mean(c3_1)
e_c3_2 = np.mean(c3_2)
e_c3_3 = np.mean(c3_3)
e_c3_4 = np.mean(c3_4)
return [e_c1_1, e_c1_2, e_c1_3, e_c1_4,
e_c2_1, e_c2_2, e_c2_3, e_c2_4,
e_c3_1, e_c3_2, e_c3_3, e_c3_4]
# 计算样本方差
def cal_var(self, attributes):
c1_1, c1_2, c1_3, c1_4, c2_1, c2_2, c2_3, c2_4, c3_1, c3_2, c3_3, c3_4 = attributes
# 第一类的方差var
var_c1_1 = np.var(c1_1)
var_c1_2 = np.var(c1_2)
var_c1_3 = np.var(c1_3)
var_c1_4 = np.var(c1_4)
# 第二类的方差s
var_c2_1 = np.var(c2_1)
var_c2_2 = np.var(c2_2)
var_c2_3 = np.var(c2_3)
var_c2_4 = np.var(c2_4)
# 第三类的方差s
var_c3_1 = np.var(c3_1)
var_c3_2 = np.var(c3_2)
var_c3_3 = np.var(c3_3)
var_c3_4 = np.var(c3_4)
return [var_c1_1, var_c1_2, var_c1_3, var_c1_4,
var_c2_1, var_c2_2, var_c2_3, var_c2_4,
var_c3_1, var_c3_2, var_c3_3, var_c3_4]
# 计算先验概率P(Y=ck)
def cal_prior_probability(self, Y):
a = b = c = 0
for i in Y:
if (i == 'Iris-setosa'):
a += 1
elif (i == 'Iris-versicolor'):
b += 1
elif (i == 'Iris-virginica'):
c += 1
else:
pass
pa = a / len(Y)
pb = b / len(Y)
pc = c / len(Y)
return pa, pb, pc
# 计算后验概率P(Y=ck|X)=P(X|Y=ck)*P(Y=ck)/∑
def cal_posteriori_probability(self, X, Y, p, means, vars):
pa, pb, pc = p
e_c1_1, e_c1_2, e_c1_3, e_c1_4, e_c2_1, e_c2_2, e_c2_3, e_c2_4, e_c3_1, e_c3_2, e_c3_3, e_c3_4 = means
var_c1_1, var_c1_2, var_c1_3, var_c1_4, var_c2_1, var_c2_2, var_c2_3, var_c2_4, var_c3_1, var_c3_2, var_c3_3, var_c3_4 = vars
print('p:', p)
print('means:', means)
print('vars:', vars)
# 分解四维输入向量X=[X1，X2，X3，X4]为4个一维正态分布函数
X1 = X[:, 0]
X2 = X[:, 1]
X3 = X[:, 2]
X4 = X[:, 3]
# 分类正确数/分类错误数=>计算正确率
true_test = 0
false_test = 0
# 遍历训练整个输入空间，计算后验概率并判决
for i in range(len(X1)):
# 计算后验概率=P(X|Y=C1)P(Y=C1)
P_1 = stats.norm.pdf(X1[i], e_c1_1, var_c1_1) * stats.norm.pdf(X2[i], e_c1_2, var_c1_2) * stats.norm.pdf(
X3[i], e_c1_3,
var_c1_3) * stats.norm.pdf(
X4[i], e_c1_4, var_c1_4) * pa
# 计算后验概率=P(X|Y=C2)P(Y=C2)
P_2 = stats.norm.pdf(X1[i], e_c2_1, var_c2_1) * stats.norm.pdf(X2[i], e_c2_2, var_c2_2) * stats.norm.pdf(
X3[i], e_c2_3,
var_c2_3) * stats.norm.pdf(
X4[i], e_c2_4, var_c2_4) * pb
# 计算后验概率=P(X|Y=C3)P(Y=C3)
P_3 = stats.norm.pdf(X1[i], e_c3_1, var_c3_1) * stats.norm.pdf(X2[i], e_c3_2, var_c3_2) * stats.norm.pdf(
X3[i], e_c3_3,
var_c3_3) * stats.norm.pdf(
X4[i], e_c3_4, var_c3_4) * pc
# 计算判别函数，选取概率最大的类
max_P = max(P_1, P_2, P_3)
# 输出分类结果，并检测正确率
if (max_P == P_1):
if (Y[i] == 'Iris-setosa'):
print('分为第一类，正确')
true_test += 1
else:
print('分为第一类，错误')
false_test += 1
elif (max_P == P_2):
if (Y[i] == 'Iris-versicolor'):
print('分为第二类，正确')
true_test += 1
else:
print('分为第二类，错误')
false_test += 1
elif (max_P == P_3):
if (Y[i] == 'Iris-virginica'):
print('分为第三类，正确')
true_test += 1
else:
print('分为第三类，错误')
false_test += 1
else:
print('未分类')
false_test += 1
# 打印分类正确率
print('训练正确率为:', (true_test / (true_test + false_test)))
# 模板方法对照
def cal_dataset(self, X_train, Y_train):
# Test options and evaluation metric
seed = 7
scoring = 'accuracy'
# Check Algorithms
model = GaussianNB()
name = 'bayes classifier'
# 建立K折交叉验证 10倍
kfold = model_selection.KFold(n_splits=10, random_state=seed)
# cross_val_score() 对数据集进行指定次数的交叉验证并为每次验证效果评测
cv_results = \
model_selection.cross_val_score(model, X_train, Y_train, cv=kfold, scoring=scoring)
results = cv_results
msg = "%s: %f (%f)" % (name + '精度', cv_results.mean(), cv_results.std())
print(msg)
# Show Algorithms
dataresult = pandas.DataFrame(results)
dataresult.plot(title='Bayes accuracy analysis', kind='density', subplots=True, layout=(1, 1), sharex=False,
sharey=False)
dataresult.hist()
plt.show()
bayes = Bayes_Test()
dataset = bayes.load_dataset()
# 划分训练集 测试集
X_train, X_validation, Y_train, Y_validation = bayes.split_out_dataset(dataset)
print('得到的X_train', X_train)
print('得到的Y_train', Y_train)
# 分割属性--训练集
attributes = bayes.split_out_attributes(X_train, Y_train)
print('得到的训练集', attributes)
# 计算期望--训练集
means = bayes.cal_mean(attributes)
print('得到的means', means)
# 计算方差--训练集
vars = bayes.cal_var(attributes)
print('得到的vars', vars)
# 计算先验概率--训练集
prior_p = bayes.cal_prior_probability(Y_train)
# 验证分类准确性--测试集
bayes.cal_posteriori_probability(X_train, Y_train, prior_p, means, vars)
# 模板方法--性能对比
bayes.cal_dataset(X_validation, Y_validation)
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