什么是贝叶斯推断

贝叶斯推断(Bayesian inference)是一种统计学方法,用来估计统计量的某种性质。

它是贝叶斯定理(Bayes’ theorem)的应用。

英国数学家托马斯·贝叶斯(Thomas Bayes)在1763年发表的一篇论文中,首先提出了这个定理。

贝叶斯推断与其他统计学推断方法截然不同。它建立在主观判断的基础上,也就是说,你可以不需要客观证据,先估计一个值,然后根据实际结果不断修正。正是因为它的主观性太强,曾经遭到许多统计学家的诟病。

贝叶斯推断需要大量的计算,因此历史上很长一段时间,无法得到广泛应用。只有计算机诞生以后,它才获得真正的重视。人们发现,

许多统计量是无法事先进行客观判断的,而互联网时代出现的大型数据集,再加上高速运算能力,为验证这些统计量提供了方便,也为应用贝叶斯推断创造了条件,它的威力正在日益显现。

贝叶斯定理

要理解贝叶斯推断,必须先理解贝叶斯定理。后者实际上就是计算”条件概率”的公式。

所谓”条件概率”(Conditional probability),就是指在事件B发生的情况下,事件A发生的概率,用 P(A|B) 来表示。

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根据文氏图,可以很清楚地看到在事件B发生的情况下,事件A发生的概率就是P(A∩B)除以P(B)。

∵ P(A|B) = P(A∩B)/P(B)
∴ P(A∩B) = P(A|B)P(B)
同理
P(A∩B) = P(B|A)P(A)
∴ P(A|B)P(B) = P(B|A)P(A)
即
P(A|B) = P(B|A)P(A)/P(B)

全概率公式

由于后面要用到,所以除了条件概率以外,这里还要推导全概率公式。

假定样本空间S,是两个事件A与A’的和。

all

上图中,红色部分是事件A,绿色部分是事件A’,它们共同构成了样本空间S。

在这种情况下,事件B可以划分成两个部分。

all-b

P(B) = P(B∩A) +P(B∩A')
∵ P(B∩A) = P(B|A)P(A)
∴ P(B) = P(B|A)P(A) + P(B|A')P(A')

这就是全概率公式。

它的含义是,如果A和A’构成样本空间的一个划分,那么事件B的概率,就等于A和A’的概率分别乘以B对这两个事件的条件概率之和。

将这个公式带入上一节的条件概率公式,就得到:

all-3

贝叶斯推断的含义

对条件概率公式进行变形,可以得到如下形式:

P(A|B) = P(A)·P(B|A)/P(B)

我们把P(A)称为”先验概率”(Prior probability),即在B事件发生之前,我们对A事件概率的一个判断。

P(A|B) 称为”后验概率”(Posterior probability),即在B事件发生之后,我们对A事件概率的重新评估。

P(B|A)/P(B) 称为”可能性函数”(Likelyhood),这是一个调整因子,使得预估概率更接近真实概率。

所以,条件概率可以理解成下面的式子:

后验概率 = 先验概率 x 调整因子

这就是贝叶斯推断的含义。我们先预估一个”先验概率”,然后加入实验结果,看这个实验到底是增强还是削弱了”先验概率”,由此得到更接近事实的”后验概率”。

在这里,如果”可能性函数” P(B|A)/P(B)>1,意味着”先验概率”被增强,事件A的发生的可能性变大;

如果”可能性函数”=1,意味着B事件无助于判断事件A的可能性;如果”可能性函数”<1,意味着”先验概率”被削弱,事件A的可能性变小。

例子-01-水果糖

问题

两个一模一样的碗,一号碗有30颗水果糖和10颗巧克力糖,二号碗有水果糖和巧克力糖各20颗。现在随机选择一个碗,从中摸出一颗糖,发现是水果糖。请问这颗水果糖来自一号碗的概率有多大?

分析

我们假定,H1表示一号碗,H2表示二号碗。由于这两个碗是一样的,所以P(H1)=P(H2),也就是说,在取出水果糖之前,这两个碗被选中的概率相同。

因此,P(H1)=0.5,我们把这个概率就叫做"先验概率",即没有做实验之前,来自一号碗的概率是0.5。

再假定,E表示水果糖,所以问题就变成了在已知E的情况下,来自一号碗的概率有多大,即求 P(H1|E)。

我们把这个概率叫做"后验概率",即在E事件发生之后,对P(H1)的修正。

根据贝叶斯条件概率公式,得到

P(H1|E) = P(H1)·P(E|H1)/P(E)

已知,P(H1)等于0.5,P(E|H1)为一号碗中取出水果糖的概率,等于0.75,那么求出P(E)就可以得到答案。

根据全概率公式,

P(E) = P(E|H1)P(H1) + P(E|H2)P(H2)

∴ P(E) = 0.75×0.5 + 0.5×0.5 = 0.625;

将数字带入原方程:

P(H1|E) = 0.5×0.75/0.625 = 0.6

这表明,来自一号碗的概率是0.6。

也就是说,取出水果糖之后,H1事件的可能性得到了增强。

什么是贝叶斯过滤器?

垃圾邮件是一种令人头痛的顽症,困扰着所有的互联网用户。

正确识别垃圾邮件的技术难度非常大。传统的垃圾邮件过滤方法,主要有”关键词法”和”校验码法”等。

前者的过滤依据是特定的词语;后者则是计算邮件文本的校验码,再与已知的垃圾邮件进行对比。它们的识别效果都不理想,而且很容易规避。

2002年,Paul Graham提出使用”贝叶斯推断”过滤垃圾邮件。他说,这样做的效果,好得不可思议。1000封垃圾邮件可以过滤掉995封,且没有一个误判。

另外,这种过滤器还具有自我学习的功能,会根据新收到的邮件,不断调整。收到的垃圾邮件越多,它的准确率就越高。

建立历史资料库

贝叶斯过滤器是一种统计学过滤器,建立在已有的统计结果之上。所以,我们必须预先提供两组已经识别好的邮件,一组是正常邮件,另一组是垃圾邮件。

我们用这两组邮件,对过滤器进行”训练”。这两组邮件的规模越大,训练效果就越好。Paul Graham使用的邮件规模,是正常邮件和垃圾邮件各4000封。

“训练”过程很简单。首先,解析所有邮件,提取每一个词。然后,计算每个词语在正常邮件和垃圾邮件中的出现频率。比如,我们假定”sex”这个词,在4000封垃圾邮件中,有200封包含这个词,那么它的出现频率就是5%;而在4000封正常邮件中,只有2封包含这个词,那么出现频率就是0.05%。(【注释】如果某个词只出现在垃圾邮件中,Paul Graham就假定,它在正常邮件的出现频率是1%,反之亦然。这样做是为了避免概率为0。随着邮件数量的增加,计算结果会自动调整。)

有了这个初步的统计结果,过滤器就可以投入使用了。

贝叶斯过滤器的使用过程

现在,我们收到了一封新邮件。在未经统计分析之前,我们假定它是垃圾邮件的概率为50%。(【注释】有研究表明,用户收到的电子邮件中,80%是垃圾邮件。但是,这里仍然假定垃圾邮件的”先验概率”为50%。)

我们用S表示垃圾邮件(spam),H表示正常邮件(healthy)。因此,P(S)和P(H)的先验概率,都是50%。

然后,对这封邮件进行解析,发现其中包含了sex这个词,请问这封邮件属于垃圾邮件的概率有多高?

我们用W表示”sex”这个词,那么问题就变成了如何计算 P(S|W) 的值,即在某个词语(W)已经存在的条件下,垃圾邮件(S)的概率有多大。

根据条件概率公式,马上可以写出

P(S|W) = P(W|S)P(S) / P(W|S)P(S) + P(W|H)P(H)
公式中,P(W S)和P(W H)的含义是,这个词语在垃圾邮件和正常邮件中,分别出现的概率。这两个值可以从历史资料库中得到,对sex这个词来说,上文假定它们分别等于5%和0.05%。另外,P(S)和P(H)的值,前面说过都等于50%。

所以,马上可以计算 P(S|W) 的值:

带入计算:

P(S|W) = 5%×50% / 5%×50% + 0.05%×50% = 99%

因此,这封新邮件是垃圾邮件的概率等于99%。

这说明,sex这个词的推断能力很强,将50%的”先验概率”一下子提高到了99%的”后验概率”。

联合概率的计算

做完上面一步,请问我们能否得出结论,这封新邮件就是垃圾邮件?

回答是不能。因为一封邮件包含很多词语,一些词语(比如sex)说这是垃圾邮件,另一些说这不是。你怎么知道以哪个词为准?

Paul Graham的做法是,选出这封信中 P(S|W) 最高的15个词,计算它们的联合概率。(【注释】如果有的词是第一次出现,无法计算P(S W),Paul Graham就假定这个值等于0.4。因为垃圾邮件用的往往都是某些固定的词语,所以如果你从来没见过某个词,它多半是一个正常的词。)

所谓联合概率,就是指在多个事件发生的情况下,另一个事件发生概率有多大。比如,已知W1和W2是两个不同的词语,它们都出现在某封电子邮件之中,那么这封邮件是垃圾邮件的概率,就是联合概率。

在已知W1和W2的情况下,无非就是两种结果:垃圾邮件(事件E1)或正常邮件(事件E2)。

可以参考 这里

最终的计算公式

将上面的公式扩展到15个词的情况,就得到了最终的概率计算公式:

final

一封邮件是不是垃圾邮件,就用这个式子进行计算。这时我们还需要一个用于比较的门槛值。Paul Graham的门槛值是0.9,概率大于0.9,表示15个词联合认定,这封邮件有90%以上的可能属于垃圾邮件;概率小于0.9,就表示是正常邮件。

有了这个公式以后,一封正常的信件即使出现sex这个词,也不会被认定为垃圾邮件了。

参考资料

贝叶斯推断及其互联网应用(一):定理简介

贝叶斯推断及其互联网应用(二):过滤垃圾邮件