京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
分类算法之贝叶斯网络(Bayesian networks)
在上一篇文章中我们讨论了朴素贝叶斯分类。朴素贝叶斯分类有一个限制条件,就是特征属性必须有条件独立或基本独立(实际上在现实应用中几乎不可能做到完全独立)。当这个条件成立时,朴素贝叶斯分类法的准确率是最高的,但不幸的是,现实中各个特征属性间往往并不条件独立,而是具有较强的相关性,这样就限制了朴素贝叶斯分类的能力。这一篇文章中,我们接着上一篇文章的例子,讨论贝叶斯分类中更高级、应用范围更广的一种算法——贝叶斯网络(又称贝叶斯信念网络或信念网络)。
2.2、重新考虑上一篇的例子
上一篇文章我们使用朴素贝叶斯分类实现了SNS社区中不真实账号的检测。在那个解决方案中,我做了如下假设:
i、真实账号比非真实账号平均具有更大的日志密度、各大的好友密度以及更多的使用真实头像。
ii、日志密度、好友密度和是否使用真实头像在账号真实性给定的条件下是独立的。
但是,上述第二条假设很可能并不成立。一般来说,好友密度除了与账号是否真实有关,还与是否有真实头像有关,因为真实的头像会吸引更多人加其为好友。因此,我们为了获取更准确的分类,可以将假设修改如下:
i、真实账号比非真实账号平均具有更大的日志密度、各大的好友密度以及更多的使用真实头像。
ii、日志密度与好友密度、日志密度与是否使用真实头像在账号真实性给定的条件下是独立的。
iii、使用真实头像的用户比使用非真实头像的用户平均有更大的好友密度。
上述假设更接近实际情况,但问题随之也来了,由于特征属性间存在依赖关系,使得朴素贝叶斯分类不适用了。既然这样,我去寻找另外的解决方案。
下图表示特征属性之间的关联:
上图是一个有向无环图,其中每个节点代表一个随机变量,而弧则表示两个随机变量之间的联系,表示指向结点影响被指向结点。不过仅有这个图的话,只能定性给出随机变量间的关系,如果要定量,还需要一些数据,这些数据就是每个节点对其直接前驱节点的条件概率,而没有前驱节点的节点则使用先验概率表示。
例如,通过对训练数据集的统计,得到下表(R表示账号真实性,H表示头像真实性):
纵向表头表示条件变量,横向表头表示随机变量。上表为真实账号和非真实账号的概率,而下表为头像真实性对于账号真实性的概率。这两张表分别为“账号是否真实”和“头像是否真实”的条件概率表。有了这些数据,不但能顺向推断,还能通过贝叶斯定理进行逆向推断。例如,现随机抽取一个账户,已知其头像为假,求其账号也为假的概率:
也就是说,在仅知道头像为假的情况下,有大约35.7%的概率此账户也为假。如果觉得阅读上述推导有困难,请复习概率论中的条件概率、贝叶斯定理及全概率公式。如果给出所有节点的条件概率表,则可以在观察值不完备的情况下对任意随机变量进行统计推断。上述方法就是使用了贝叶斯网络。
2.3、贝叶斯网络的定义及性质
有了上述铺垫,我们就可以正式定义贝叶斯网络了。
一个贝叶斯网络定义包括一个有向无环图(DAG)和一个条件概率表集合。DAG中每一个节点表示一个随机变量,可以是可直接观测变量或隐藏变量,而有向边表示随机变量间的条件依赖;条件概率表中的每一个元素对应DAG中唯一的节点,存储此节点对于其所有直接前驱节点的联合条件概率。
贝叶斯网络有一条极为重要的性质,就是我们断言每一个节点在其直接前驱节点的值制定后,这个节点条件独立于其所有非直接前驱前辈节点。
这个性质很类似Markov过程。其实,贝叶斯网络可以看做是Markov链的非线性扩展。这条特性的重要意义在于明确了贝叶斯网络可以方便计算联合概率分布。一般情况先,多变量非独立联合条件概率分布有如下求取公式:
而在贝叶斯网络中,由于存在前述性质,任意随机变量组合的联合条件概率分布被化简成
其中Parents表示xi的直接前驱节点的联合,概率值可以从相应条件概率表中查到。
贝叶斯网络比朴素贝叶斯更复杂,而想构造和训练出一个好的贝叶斯网络更是异常艰难。但是贝叶斯网络是模拟人的认知思维推理模式,用一组条件概率函数以及有向无环图对不确定性的因果推理关系建模,因此其具有更高的实用价值。
2.4、贝叶斯网络的构造及学习
构造与训练贝叶斯网络分为以下两步:
1、确定随机变量间的拓扑关系,形成DAG。这一步通常需要领域专家完成,而想要建立一个好的拓扑结构,通常需要不断迭代和改进才可以。
2、训练贝叶斯网络。这一步也就是要完成条件概率表的构造,如果每个随机变量的值都是可以直接观察的,像我们上面的例子,那么这一步的训练是直观的,方法类似于朴素贝叶斯分类。但是通常贝叶斯网络的中存在隐藏变量节点,那么训练方法就是比较复杂,例如使用梯度下降法。由于这些内容过于晦涩以及牵扯到较深入的数学知识,在此不再赘述,有兴趣的朋友可以查阅相关文献。
2.5、贝叶斯网络的应用及示例
贝叶斯网络作为一种不确定性的因果推理模型,其应用范围非常广,在医疗诊断、信息检索、电子技术与工业工程等诸多方面发挥重要作用,而与其相关的一些问题也是近来的热点研究课题。例如,Google就在诸多服务中使用了贝叶斯网络。
就使用方法来说,贝叶斯网络主要用于概率推理及决策,具体来说,就是在信息不完备的情况下通过可以观察随机变量推断不可观察的随机变量,并且不可观察随机变量可以多于以一个,一般初期将不可观察变量置为随机值,然后进行概率推理。下面举一个例子。
还是SNS社区中不真实账号检测的例子,我们的模型中存在四个随机变量:账号真实性R,头像真实性H,日志密度L,好友密度F。其中H,L,F是可以观察到的值,而我们最关系的R是无法直接观察的。这个问题就划归为通过H,L,F的观察值对R进行概率推理。推理过程可以如下表示:
1、使用观察值实例化H,L和F,把随机值赋给R。
2、计算。其中相应概率值可以查条件概率表。
由于上述例子只有一个未知随机变量,所以不用迭代。更一般得,使用贝叶斯网络进行推理的步骤可如下描述:
1、对所有可观察随机变量节点用观察值实例化;对不可观察节点实例化为随机值。
2、对DAG进行遍历,对每一个不可观察节点y,计算,其中wi表示除y以外的其它所有节点,a为正规化因子,sj表示y的第j个子节点。
3、使用第三步计算出的各个y作为未知节点的新值进行实例化,重复第二步,直到结果充分收敛。
4、将收敛结果作为推断值。
以上只是贝叶斯网络推理的算法之一,另外还有其它算法,这里不再详述。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在数字化商业环境中,数据已成为企业优化运营、抢占市场、规避风险的核心资产。但商业数据分析绝非“堆砌数据、生成报表”的简单 ...
2026-01-20定量报告的核心价值是传递数据洞察,但密密麻麻的表格、复杂的计算公式、晦涩的数值罗列,往往让读者望而却步,导致核心信息被淹 ...
2026-01-20在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的工作场景中,“精准分类与回归预测”是高频核心需求——比如预测用户是否流失、判 ...
2026-01-20在建筑工程造价工作中,清单汇总分类是核心环节之一,尤其是针对楼梯、楼梯间这类包含多个分项工程(如混凝土浇筑、钢筋制作、扶 ...
2026-01-19数据清洗是数据分析的“前置必修课”,其核心目标是剔除无效信息、修正错误数据,让原始数据具备准确性、一致性与可用性。在实际 ...
2026-01-19在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的日常工作中,常面临“无标签高维数据难以归类、群体规律模糊”的痛点——比如海量 ...
2026-01-19在数据仓库与数据分析体系中,维度表与事实表是构建结构化数据模型的核心组件,二者如同“骨架”与“血肉”,协同支撑起各类业务 ...
2026-01-16在游戏行业“存量竞争”的当下,玩家留存率直接决定游戏的生命周期与商业价值。一款游戏即便拥有出色的画面与玩法,若无法精准识 ...
2026-01-16为配合CDA考试中心的 2025 版 CDA Level III 认证新大纲落地,CDA 网校正式推出新大纲更新后的第一套官方模拟题。该模拟题严格遵 ...
2026-01-16在数据驱动决策的时代,数据分析已成为企业运营、产品优化、业务增长的核心工具。但实际工作中,很多数据分析项目看似流程完整, ...
2026-01-15在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的日常工作中,“高维数据处理”是高频痛点——比如用户画像包含“浏览次数、停留时 ...
2026-01-15在教育测量与评价领域,百分制考试成绩的分布规律是评估教学效果、优化命题设计的核心依据,而正态分布则是其中最具代表性的分布 ...
2026-01-15在用户从“接触产品”到“完成核心目标”的全链路中,流失是必然存在的——电商用户可能“浏览商品却未下单”,APP新用户可能“ ...
2026-01-14在产品增长的核心指标体系中,次日留存率是当之无愧的“入门级关键指标”——它直接反映用户对产品的首次体验反馈,是判断产品是 ...
2026-01-14在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的业务实操中,“分类预测”是高频核心需求——比如“预测用户是否会购买商品”“判 ...
2026-01-14在数字化时代,用户的每一次操作——无论是电商平台的“浏览-加购-下单”、APP的“登录-点击-留存”,还是金融产品的“注册-实名 ...
2026-01-13在数据驱动决策的时代,“数据质量决定分析价值”已成为行业共识。数据库、日志系统、第三方平台等渠道采集的原始数据,往往存在 ...
2026-01-13在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的核心能力体系中,“通过数据建立模型、实现预测与归因”是进阶关键——比如“预测 ...
2026-01-13在企业数字化转型过程中,业务模型与数据模型是两大核心支撑体系:业务模型承载“业务应该如何运转”的逻辑,数据模型解决“数据 ...
2026-01-12当前手游市场进入存量竞争时代,“拉新难、留存更难”成为行业普遍痛点。对于手游产品而言,用户留存率不仅直接决定产品的生命周 ...
2026-01-12