贝叶斯分类器做文本分类案例

2024-01-22 14:53:28

贝叶斯分类器做文本分类

文本分类是现代机器学习应用中的一大模块，更是自然语言处理的基础之一。我们可以通过将文字数据处理成数字数据，然后使用贝叶斯来帮助我们判断一段话，或者一篇文章中的主题分类，感情倾向，甚至文章体裁。现在，绝大多数社交媒体数据的自动化采集，都是依靠首先将文本编码成数字，然后按分类结果采集需要的信息。虽然现在自然语言处理领域大部分由深度学习所控制，贝叶斯分类器依然是文本分类中的一颗明珠。现在，我们就来学习一下，贝叶斯分类器是怎样实现文本分类的。

文本编码技术简介

单词计数向量

在开始分类之前，我们必须先将文本编码成数字。一种常用的方法是单词计数向量。在这种技术中，一个样本可以包含一段话或一篇文章，这个样本中如果出现了10 个单词，就会有 10个特征
(n=10)，每个特征代表一个单词，特征的取值表示这个单词在这个样本中总共出现了几次，是一个离散的，代表次数的，正整数 。在 sklearn 当中，单词计数向量计数可以通过 feature_extraction.text 模块中的 CountVectorizer 类实现，来看一个简单的例子：

sample = ["Machine learning is fascinating, it is wonderful","Machine learning is a sensational techonology","Elsa is a popular character"]
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
vec = CountVectorizer()
X = vec.fit_transform(sample) 
print(X)#使用接口get_feature_names()调用每个列的名称
import pandas as pd
#注意稀疏矩阵是无法输入pandas的
CVresult = pd.DataFrame(X.toarray(),columns = vec.get_feature_names())
CVresult

结果：

TF-IDF

TF-IDF全称term frequency-inverse document frequency，词频逆文档频率，是通过单词在文档中出现的频率来衡量其权重，也就是说，IDF的大小与一个词的常见程度成反比，这个词越常见，编码后为它设置的权重会倾向于越小，以此来压制频繁出现的一些无意义的词。在sklearn当中，我们使用feature_extraction.text中类TﬁdfVectorizer 来执行这种编码。

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer as TFIDF
vec = TFIDF()
X = vec.fit_transform(sample) 
X

结果：

#同样使用接口get_feature_names()调用每个列的名称
TFIDFresult = pd.DataFrame(X.toarray(),columns=vec.get_feature_names())
TFIDFresult

结果：

#使用TF-IDF编码之后，出现得多的单词的权重被降低了么？
CVresult.sum(axis=0)/CVresult.sum(axis=0).sum()

结果：

character      0.0625
elsa           0.0625
fascinating    0.0625
is             0.2500
it             0.0625
learning       0.1250
machine        0.1250
popular        0.0625
sensational    0.0625
techonology    0.0625
wonderful      0.0625
dtype: float64

TFIDFresult.sum(axis=0) / TFIDFresult.sum(axis=0).sum()

结果：

character      0.083071
elsa           0.083071
fascinating    0.064516
is             0.173225
it             0.064516
learning       0.110815
machine        0.110815
popular        0.083071
sensational    0.081192
techonology    0.081192
wonderful      0.064516
dtype: float64

案例

探索文本数据

在现实中，文本数据的处理是十分耗时耗力的，尤其是不规则的长文本的处理方式，绝对不是一两句话能够说明白的，因此这里我们使用的数据集是sklearn自带的文本数据集fetch_20newsgroup。这个数据集是20个网络新闻组的语料库，其中包含约2万篇新闻，全部以英文显示，如果大家希望使用中文则处理过程会更加困难，会需要自己加载中文的语料库。在这个例子中，主要目的是为大家展示贝叶斯的用法和效果，因此我们就使用英文的语料库。

from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
#初次使用这个数据集的时候，会在实例化的时候开始下载
data = fetch_20newsgroups()
#通常我们使用data来查看data里面到底包含了什么内容，但由于fetch_20newsgourps这个类加载出的数据巨大，数
#据结构中混杂很多文字，因此很难去看清
#不同类型的新闻
data.target_names
#其实fetch_20newsgroups也是一个类，既然是类，应该就有可以调用的参数
#面对简单数据集，我们往往在实例化的过程中什么都不写，但是现在data中数据量太多，不方便探索
#因此我们需要来看看我们的类fetch_20newsgroups都有什么样的参数可以帮助我们

结果：

import numpy as np
import pandas as pd
categories = ["sci.space" #科学技术 - 太空
             ,"rec.sport.hockey" #运动 - 曲棍球
             ,"talk.politics.guns" #政治 - 枪支问题
             ,"talk.politics.mideast"] #政治 - 中东问题
train = fetch_20newsgroups(subset="train",categories = categories)
test = fetch_20newsgroups(subset="test",categories = categories)

#可以观察到，里面依然是类字典结构，我们可以通过使用键的方式来提取内容
train.target_names

结果：

使用TF-IDF将文本数据编码

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer as TFIDF
Xtrain = train.data
Xtest = test.data
Ytrain = train.target
Ytest = test.target

tfidf = TFIDF().fit(Xtrain)
Xtrain_ = tfidf.transform(Xtrain)
Xtest_ = tfidf.transform(Xtest)

Xtrain_

结果：

tosee = pd.DataFrame(Xtrain_.toarray(),columns=tfidf.get_feature_names()) 
tosee.head()

结果：

tosee.shape

结果：

在贝叶斯上分别建模，查看结果

from sklearn.naive_bayes import MultinomialNB, ComplementNB, BernoulliNB
from sklearn.metrics import brier_score_loss as BS
name = ["Multinomial","Complement","Bournulli"] #注意高斯朴素贝叶斯不接受稀疏矩阵
models = [MultinomialNB(),ComplementNB(),BernoulliNB()]
for name,clf in zip(name,models):
    clf.fit(Xtrain_,Ytrain)
    y_pred = clf.predict(Xtest_)
    proba = clf.predict_proba(Xtest_)
    score = clf.score(Xtest_,Ytest)
    print(name)
    #4个不同的标签取值下的布里尔分数
    Bscore = []
    for i in range(len(np.unique(Ytrain))):
        bs = BS(Ytest,proba[:,i],pos_label=i)
        Bscore.append(bs)
        print("\tBrier under {}:{:.3f}".format(train.target_names[i],bs))

    print("\tAverage Brier:{:.3f}".format(np.mean(Bscore)))
    print("\tAccuracy:{:.3f}".format(score))
    print("\n")

结果：

Multinomial
Brier under rec.sport.hockey:0.018
Brier under sci.space:0.033
Brier under talk.politics.guns:0.030
Brier under talk.politics.mideast:0.026
Average Brier: 0.027
Accuracy: 0.975

Complement
Brier under rec.sport.hockey:0.023
Brier under sci.space:0.039
Brier under talk.politics.guns:0.039
Brier under talk.politics.mideast:0.033
Average Brier:0.033
Accuracy: 0.986

Bournulli
Brier under rec.sport.hockey: 0.068
Brier under sci.space:0.025
Brier under talk.politics.guns:0.045
Brier under talk.politics.mideast:0.053
Average Brier: 0.048
Accuracy: 0.902

概率校准

from sklearn.calibration import CalibratedClassifierCV
name = ["Multinomial"
       ,"Multinomial + Isotonic"
       ,"Multinomial + Sigmoid"
       ,"Complement"
       ,"Complement + Isotonic"
       ,"Complement + Sigmoid"
       ,"Bernoulli"
       ,"Bernoulli + Isotonic"
       ,"Bernoulli + Sigmoid"]
models = [MultinomialNB()
         ,CalibratedClassifierCV(MultinomialNB(), cv=2, method='isotonic')
         ,CalibratedClassifierCV(MultinomialNB(), cv=2, method='sigmoid')
         ,ComplementNB()
         ,CalibratedClassifierCV(ComplementNB(), cv=2, method='isotonic')
         ,CalibratedClassifierCV(ComplementNB(), cv=2, method='sigmoid')
         ,BernoulliNB()
         ,CalibratedClassifierCV(BernoulliNB(), cv=2, method='isotonic')
         ,CalibratedClassifierCV(BernoulliNB(), cv=2, method='sigmoid')
         ]
for name,clf in zip(name,models):
    clf.fit(Xtrain_,Ytrain)
    y_pred = clf.predict(Xtest_)
    proba = clf.predict_proba(Xtest_)
    score = clf.score(Xtest_,Ytest)
    print(name)
    Bscore = []
    for i in range(len(np.unique(Ytrain))):
        bs = BS(Ytest,proba[:,i],pos_label=i)
        Bscore.append(bs)
        print("\tBrier under {}:{:.3f}".format(train.target_names[i],bs))
    print("\tAverage Brier:{:.3f}".format(np.mean(Bscore)))
    print("\tAccuracy:{:.3f}".format(score))
    print("\n")

结果：

Multinomial
Brier under rec.sport.hockey: 0.018
Brier under sci.space:0.033
Brier under talk.politics.guns:0.030
Brier under talk.politics.mideast:0.026
Average Brier: 0.027
Accuracy: 0.975

Multinomial + Isotonic
Brier under rec.sport.hockey: 0.006
Brier under sci.space:0.012
Brier under talk.politics.guns: 0.013
Brier under talk.politics.mideast:0.009
Average Brier: 0.010
Accuracy: 0.973

Multinomial + Sigmoid
Brier under rec.sport.hockey: 0.006
Brier under sci.space:0.012
Brier under talk.politics.guns:0.013
Brier under talk.politics.mideast:0.009
Average Brier:0.010
Accuracy: 0.973

Complement
Brier under rec.sport.hockey:0.023
Brier under sci.space:0.039
Brier under talk.politics.guns:0.039
Brier under talk.politics.mideast:0.033
Average Brier: 0.033
Accurary.0.996

Bernoulli
Brier under rec.sport.hockey: 0.068
Brier under sci.space:0.025
Brier under talk.politics.guns:0.045
Brier under talk.politics.mideast:0.053
Average Brier: 0.048
Accuracy: 0.902

Bernoulli + Isotonic
Brier under rec.sport.hockey: 0.016
Brier under sci. space: 0. 014
Brier under talk.politics.guns:0.034
Brier under talk.politics.mideast:0.033
Average Brier: 0.024
Accuracy: 0.952

Complement + Isotonic
Brier under rec.sport.hockey: 0.004
Brier
under sci.space:0.}e7
Brier under talk.politics.guns:0.009
Brier under talk.politics.mideast:0.006
Average Brier:0.006
Accuracy: 0.985

Complement + Sigmoid
Brier under rec.sport.hockey: 0.004
Brier under
sci.space:0.009
Brier under talk.politics.guns:0.010
Brier under talk.politics.mideast:0.007
Average Brier: 0.097
Accuracy:0.986

可以观察到，多项式分布下无论如何调整，算法的效果都不如补集朴素贝叶斯来得好。因此我们在分类的时候，应该选择补集朴素贝叶斯。对于补集朴素贝叶斯来说，使用Sigmoid 进行概率校准的模型综合最优秀：准确率最高，对数损失和布里尔分数都在0.1 以下，可以说是非常理想的模型了。对于机器学习而言，朴素贝叶斯也许不是最常用的分类算法，但作为概率预测算法中唯一一个真正依赖概率来进行计算，并且简单快捷的算法，朴素贝叶斯还是常常被人们提起。并且，朴素贝叶斯在文本分类上的效果的确非常优秀。由此可见，只要我们能够提供足够的数据，合理利用高维数据进行训练，朴素贝叶斯就可以为我们提供意想不到的效果。

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