? ? ? 本文簡單整理了以下內容：

（一）貝葉斯決策論：最小錯誤率決策、最小風險決策；經驗風險與結構風險

（二）判別函數；生成式模型；多元高斯密度下的判別函數：線性判別函數LDF、二次判別函數QDF

（三）貝葉斯錯誤率

（四）生成式模型的參數估計：貝葉斯學派與頻率學派；極大似然估計、最大后驗概率估計、貝葉斯估計；多元高斯密度下的參數估計

（五）樸素貝葉斯與文本分類（挪到了下一篇博客）

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（一）貝葉斯決策論：最小風險決策（Minimum risk decision）

? ? ? 貝葉斯決策論（Bayesian decision theory）假設模式分類的決策可由概率形式描述，并假設問題的概率結構已知。規定以下記號：類別有 $c$ 個，為 $\omega_1,\omega_2,...,\omega_c$ ；樣本的特征矢量 $\textbf x\in\mathbb R^d$ ；類別 $\omega_i$ 的先驗概率為 $P(\omega_i)$ （prior），且 $\sum_{i=1}^cP(\omega_i)=1$ ；類別?$\omega_i$ 對樣本的類條件概率密度為 $p(\textbf x|\omega_i)$ ，稱為似然（likelihood）；那么，已知樣本?$\textbf x$ ，其屬于類別?$\omega_i$ 的后驗概率 $P(\omega_i|\textbf x)$?（posterior）就可以用貝葉斯公式來描述（假設為連續特征）：

$$P(\omega_i|\textbf x)=\frac{p(\textbf x|\omega_i)P(\omega_i)}{p(\textbf x)}=\frac{p(\textbf x|\omega_i)P(\omega_i)}{\sum_{j=1}^cp(\textbf x|\omega_j)P(\omega_j)}$$

? ? ? 分母被稱為證據因子（evidence）。后驗概率當然也滿足和為1，$\sum_{j=1}^cP(\omega_j|\textbf x)=1$?。如果是離散特征，將概率密度函數（PDF）$p(\cdot)$ 替換為概率質量函數（PMF）$P(\cdot)$ 。

? ? ? 所以，當類條件概率密度、先驗概率已知時，可以用最大后驗概率決策（Maximum a posteriori decision），將樣本的類別判為后驗概率最大的那一類。決策規則為：

$$\arg\max_iP(\omega_i|\textbf x)$$

也就是說，如果樣本 $\textbf x$ 屬于類別 $\omega_i$ 的后驗概率 $P(\omega_i|\textbf x)$ 大于其它任一類別的后驗概率 $P(\omega_j|\textbf x)(j\in\{1,...,c\}\setminus \{i\})$ ，則將該樣本分類為類別 $\omega_i$。

?? ? ?一、最小錯誤率決策：等價于最大后驗概率決策

? ? ? 從平均錯誤率（平均誤差概率） $P(error)$ 最小的角度出發，討論模型如何來對樣本的類別進行決策。平均錯誤率的表達式為

$$P(error)=\int p(error,\textbf x)\text d\textbf x = \int P(error|\textbf x)p(\textbf x)\text d\textbf x$$

可以看出，如果對于每個樣本 $\textbf x$ ，保證 $P(error|\textbf x)$ 盡可能小，那么平均錯誤率就可以最小。$P(error|\textbf x)$ 的表達式為

$$P(error|\textbf x)=1-P(\omega_i|\textbf x), \text{ if we decide }\omega_i$$

從這個表達式可以知道，最小錯誤率決策（Minimum error rate decision）等價于最大后驗概率決策。

? ? ? 二、最小風險決策：期望風險最小化。最小錯誤率決策的推廣

? ? ? 這里定義一個新的量：風險（risk）。首先介紹損失（loss）或稱為代價（cost）的概念。

? ? ? 對于一個 $\omega_j$ 類的樣本 $\textbf x$ ，如果分類器 $\alpha(\textbf x)$ 將其分類為?$\omega_i$ 類，則記損失（loss）或稱為代價（cost）為?$\lambda_{ij}$ 。顯然，當 $j=i$ 時，$\lambda_{ij}=0$ 。

? ? ? 下面介紹幾種常用的損失函數。首先規定一下記號：

? ? ? 將樣本?$\textbf x$ 的真實類別記作 $y\in\{1,2,...,c\}$ ，并引入其one-hot表示 $\textbf y=(0,0,...,0,1,0,...,0)^{\top}\in\mathbb R^c$（只有真實類別的那一維是1即 $\textbf y_y=1$ ，其他維均是0）；

? ? ? 將分類器的輸出類別記為?$\alpha(\textbf x)\in\{1,2,...,c\}$ ，而分類器認為樣本屬于 $\omega_j $ 類的后驗概率為??$\alpha_j(\textbf x)$ ，并將所有類別的后驗概率組成向量 $\boldsymbol\alpha(\textbf x)\in\mathbb R^c$ ；

? ? ? 記損失函數（loss function）為 $L(y,\alpha(\textbf x))=\lambda_{\alpha(\textbf x),y}$ ，可以定義如下幾種損失函數：

? ? ? i. ?0-1損失函數：

$$L(y,\alpha(\textbf x))=1,\text{ ?if ?}y\not=\alpha(\textbf x)\text{ ?else ?}0$$

也可用示性函數表示為 $I(y\not=\alpha(\textbf x))$ ；

? ? ? ii. ?平方(quadratic)損失函數（回歸問題也適用）：

$$L(y,\alpha(\textbf x))=(y-\alpha(\textbf x))^2$$

? ? ? iii. ?交叉熵(cross entropy)損失函數：

$$L(y,\alpha(\textbf x))=-\sum_{j=1}^c\textbf y_j\log\alpha_j(\textbf x)=-\textbf y^{\top}\log\boldsymbol\alpha(\textbf x)$$

對于現在所討論的單標簽問題實際上就是對數損失函數 $L(y,\alpha(\textbf x))=-\log\alpha_y(\textbf x)$ ；

? ? ? iv. ?合頁(hinge)損失函數：對于二類問題，令標簽只可能取-1或1兩值，那么

$$ L(y,\alpha(\textbf x))=\max\{0,1-y\alpha(\textbf x)\}$$

? ? ? 回到主題。

? ? ? 首先我們引出期望風險（expected risk）的概念：

$$R_{\text{exp}}(\alpha)=\mathbb E[L(y,\alpha(\textbf x))]=\int_{\mathcal X\times\mathcal Y} L(y,\alpha(\textbf x))p(\textbf x,y)\text d\textbf x\text dy$$

也就是說樣本損失的期望。當然，這個值是求不出來的，因為假如說可以求出來，就相當于知道了樣本和類別標記的聯合分布 $p(\textbf x,y)$，那就不需要學習了。這個量的意義在于指導我們進行最小風險決策。順著往下推：

$$\begin{aligned}R_{\text{exp}}(\alpha)&=\int_{\mathcal X\times\mathcal Y} L(y,\alpha(\textbf x))P(y|\textbf x)p(\textbf x)\text d\textbf x\text d y\\&=\int \biggl(\int L(y,\alpha(\textbf x))P(y|\textbf x)\text dy\biggr)p(\textbf x)\text d\textbf x\\&=\int \biggl(\sum_{y=1}^cL(y,\alpha(\textbf x))P(y|\textbf x)\biggr)p(\textbf x)\text d\textbf x\\&=\int R(\alpha(\textbf x)|\textbf x)p(\textbf x)\text d\textbf x\end{aligned}$$

我們關注這個最后這個形式：

$$R_{\text{exp}}(\alpha)=\int R(\alpha(\textbf x)|\textbf x)p(\textbf x)\text d\textbf x$$

? ? ? 下面引出條件風險的概念：將一個樣本?$\textbf x$?分類為?$\omega_i$ 類的條件風險定義如下：

$$R(\alpha_i|\textbf x)=\sum_{j=1}^c\lambda_{ij}P(\omega_j|\textbf x)$$

這個式子很好理解，樣本?$\textbf x$ 屬于類別?$\omega_j(j\in 1,2,...,c)$ 的后驗概率是 $P(\omega_j|\textbf x)$，那么取遍每一個可能的類別，用損失進行加權就可以。

? ? ? 有了一個樣本的表達式，就可以換個角度來看期望風險的表達式了：它實際上就是如下的期望的形式

$$R_{\text{exp}}(\alpha)=\mathbb E[L(y,\alpha(\textbf x))]=\mathbb E_{\textbf x}[R(\alpha(\textbf x)|\textbf x)]$$

? ? ? 所謂的“條件風險”跟此前的錯誤率有什么聯系？為了看得清楚一點，對比一下上面那個平均錯誤率的式子

$$R_{\text{exp}}(\alpha)=\int R(\alpha(\textbf x)|\textbf x)p(\textbf x)\text d\textbf x$$

$$P(error)= \int P(error|\textbf x)p(\textbf x)\text d\textbf x$$

可以很直接地看出來：風險在這里起到的作用和錯誤率在之前起到的作用相同，因此風險是錯誤率的一個替代品，一種推廣。

? ? ? 類似之前的分析，選擇對于每個樣本都保證條件風險盡可能小的分類規則 $\alpha(\textbf x)$，將使期望風險最小化。

? ? ? 由此可得，最小風險決策的決策規則為：

$$\arg\min_iR(\alpha_i|\textbf x)$$

? ? ? 我這里的順序和 [1] 有點不一樣，[1] 是先定義了條件風險 $R(\alpha(\textbf x)|\textbf x)$ ，再按期望的定義得到期望風險 $R_{\text{exp}}(\alpha)$ ； 我這里則是倒過來，從期望風險的直觀定義出發，導出了期望風險如何寫成條件風險的期望的形式，自然地引出了條件風險的定義。

? ? ? 如果將損失取成0-1損失，即當 $j\not=i$ 時 $\lambda_{ij}=1$ ，可以推導出條件風險為

$$R(\alpha_i|\textbf x)=\sum_{j=1}^c\lambda_{ij}P(\omega_j|\textbf x)=\sum_{j\not=i}P(\omega_j|\textbf x)=1-P(\omega_i|\textbf x)$$

顯然這個形式和最小錯誤率決策的式子一模一樣。因此，在使用0-1損失的時候，最小風險決策退化為最小錯誤率決策。

? ? ? 另外，很容易意識到的一個事實是：使用0-1損失函數時，如果把一個本應是 $\omega_i$ 類的樣本錯分成了?$\omega_j$ 類，與把一個本應是 $\omega_j$ 類的樣本錯分成了?$\omega_i$ 類，這兩種情況下的代價是相等的（只要分錯類，代價都是1）。實際上，這種情況在許多場景下是不合理的：例如考慮一個二分類任務，其中有一類的訓練樣本極少，稱為少數類，那么在訓練過程中，如果把少數類樣本錯分為多數類，那么這種決策行為的代價顯然應該大于把多數類樣本錯分為少數類 —— 即使分類器將全部訓練樣本都分到多數類，那么訓練集上的錯誤率會很低，但是分類器不能識別出任何少數類樣本。至于如何解決類不平衡問題，這又是一個新的話題了，之前寫過一篇博客簡單摘抄了一點。

? ? ??三、學習準則：經驗風險最小化與結構風險最小化

? ? ? 剛才提到，我們學習的目標是使期望風險最小；但實際上，期望風險無法求出。給定含 $N$ 個樣本的訓練集，模型關于訓練集的平均損失（訓練誤差）定義為經驗風險（empirical risk）：

$$R_{\text{emp}}(\alpha)=\frac1N\sum_{i=1}^NL(y_i,\textbf x_i)$$

根據大數定律，當樣本數趨于無窮時，經驗風險趨于期望風險。所以一種學習策略是經驗風險最小化（empirical risk minimum，ERM），在樣本量足夠大的情況下可以有比較好的效果。當模型直接輸出后驗概率分布、使用對數損失函數時，經驗風險最小化等價于極大似然估計（一個非常典型的推導：Logistic回歸的推導過程）。

? ? ? 如果使用0-1損失函數，則經驗風險就是訓練集上的錯誤率；如果使用平方損失函數，則經驗風險就是訓練集上的均方誤差（MSE）：

$$R_{\text{emp}}(\alpha)=\frac1N\sum_{i=1}^NI(y_i\not=\alpha(\textbf x_i))$$

$$R_{\text{emp}}(\alpha)=\frac1N\sum_{i=1}^N(y_i-\alpha(\textbf x_i))^2$$

? ? ? 但是樣本量不足時，這樣的做法容易招致過擬合（overfitting），因為評價模型是看它的泛化性能，需要其在測試集上有較好的效果，而模型在學習過程中由于過度追求在訓練集上的高正確性，可能將學習出非常復雜的模型。因此，另一種策略是結構風險最小化（structural risk minimum，SRM），結構風險是在經驗風險的基礎上加上一個懲罰項（正則化項），來懲罰模型的復雜度：

$$R_{\text{srm}}(\alpha)=\frac1N\sum_{i=1}^NL(y_i,\textbf x_i)+C J(\alpha)$$

當模型直接輸出后驗概率分布、使用對數損失函數、模型復雜度由模型的先驗概率表示時，結構風險最小化等價于最大后驗概率估計。

? ? ? 四、引入拒識的決策

? ? ? 在必要情況下，分類器對于某些樣本可以拒絕給出一個輸出結果（后面可以轉交給人工處理）。

? ? ? 在引入拒識（reject）的情況下，分類器可以拒絕將樣本判為 $c$ 個類別中的任何一類。具體來說，損失的定義如下：

$$\lambda_{ij}=\begin{cases} 0 & i=j;\\ \lambda_s?& i\not=j;?\\?\lambda_r\quad(\lambda_r<\lambda_s) & reject.\end{cases}$$

這里必須有拒識代價小于錯分代價，否則就永遠都不會對樣本拒識了。在這種情況下，條件風險的表達式為

$$R(\alpha_i|\textbf x)=\begin{cases} \lambda_s(1-P(\omega_i|\textbf x)) & i=1,2,...,c;\\?\lambda_r & reject.\end{cases}$$

所以在引入拒識的情況下，最小風險決策為

$$\arg\min_iR(\alpha_i|\textbf x)=\begin{cases} \arg\max_iP(\omega_i|\textbf x) & \text{if}\quad \max_iP(\omega_i|\textbf x)>1-\frac{\lambda_r}{\lambda_s};\\?reject & otherwise.\end{cases}$$

? ? ? 這里有一個提法：最小風險決策所決定出的貝葉斯分類器被稱為貝葉斯最優分類器，相應地，風險被稱為貝葉斯風險。但是需要注意，它成為最優分類器的條件是概率密度函數可以被準確地估計。而實際中，這很困難，因為估計概率密度函數的兩種方法——參數方法、非參數方法都是貝葉斯分類器的近似。

（二）判別函數（Discriminant function）

? ? ? 一、判別函數

? ? ? 判別函數 $g_i(\textbf x)$ 是對分類器的一種描述。分類規則可以描述為：

$$\arg\max_ig_i(\textbf x)$$

也就是說，選擇如果樣本 $\textbf x$ 使得類別 $\omega_i$ 的判別函數 $g_i(\textbf x)$?的值最大，大于其他任一類別的判別函數值 $g_j(\textbf x)(j\in\{1,...,c\}\setminus\{i\})$?，則將它判為 $\omega_i$?類，這個類別的決策區域記為 $\mathcal R_i$ 。

? ? ? 特別地，考慮二類分類問題，可得到兩個類別的決策面(判別邊界)方程為：$g_1(\textbf x)=g_2(\textbf x)$ 。

? ? ? 對于貝葉斯分類器來說，判別函數的形式可以有多種選擇：最小風險決策對應于?$g_i(\textbf x)=-R(\alpha_i|\textbf x)$ ；最小錯誤率決策對應于?$g_i(\textbf x)=P(\omega_i|\textbf x)$ ，當然還可簡化為?$g_i(\textbf x)=p(\textbf x|\omega_i)P(\omega_i)$?，或者取對數后成為?

$$g_i(\textbf x)=\ln p(\textbf x|\omega_i)+\ln P(\omega_i)$$

? ? ? 二、多元高斯密度下的判別函數

? ? ? 對于生成式模型（Generative model），思路在于表征類別內部的特征分布，建模路線是：$\textbf x\rightarrow p(\textbf x|\omega_i)\rightarrow g_i(\textbf x)$ 。這其中的關鍵就是如何根據樣本來估計 $?p(\textbf x|\omega_i)$ 。有兩種估計方法：參數方法和非參數方法（高絲混合模型則介于二者之間）。下面就開始先介紹多元高斯密度下的判別函數，再介紹此情形下的參數估計；后面的博客會簡單介紹非參數方法。

? ? ? 參數方法將類條件概率密度 $p(\textbf x|\omega_i)$ 指定為一個顯式表示的函數（比如多元高斯密度），然后將估計類條件概率密度轉化為了估計函數的參數（比如多元高斯密度的均值向量和協方差矩陣）。

? ? ? 對于生成式模型來說，由于是不同的類別 $\omega_i$ 的樣本是分開學習的，每個類別都有自己的判別函數 $g_i(\textbf x)$ ，不關心彼此之間的區別（相比之下，判別式模型則是所有類別的樣本放在一起學習，直接從樣本學習判別函數，目的就是區分各個類別），所以下面的討論中將省略類別信息?$\omega_i$ ，因為每個類別都是一樣的過程。

? ? ? 假設樣本?$\textbf x\in\mathbb R^d$?的類條件概率密度服從多元高斯密度 $p(\textbf x)\sim N(\boldsymbol\mu,\varSigma)$ ，即

$$p(\textbf x)=\frac{1}{(2\pi)^{\frac d2}|\varSigma|^{\frac12}}\exp(-\frac12(\textbf x-\boldsymbol\mu)^{\top}\varSigma^{-1}(\textbf x-\boldsymbol\mu))$$

其中均值向量和協方差矩陣分別為（后面的討論里，限定協方差矩陣為正定矩陣，從而其行列式為正）

$$\boldsymbol\mu=\mathbb E[\textbf x]=\int\textbf xp(\textbf x)\text d\textbf x$$

$$\varSigma=\mathbb E[(\textbf x-\boldsymbol\mu)(\textbf x-\boldsymbol\mu)^{\top}]=\int(\textbf x-\boldsymbol\mu)(\textbf x-\boldsymbol\mu)^{\top}p(\textbf x)\text d\textbf x$$

分量形式可寫為

$$\mu_i=\mathbb E[x_i],\quad \varSigma_{ij}=\mathbb E[(x_i-\mu_i)(x_j-\mu_j)]$$

? ? ? 協方差矩陣的對角線元素表示各維的方差，非對角線元素表明兩維之間的協方差。對于高斯分布來說，獨立等價于不相關，所以如果某兩維統計獨立，則 $\varSigma_{ij}=0$ 。

? ? ? （1）多元高斯分布有線性不變性：令 $\textbf y=A^{\top}\textbf x\in\mathbb R^k$ ，則 $p(\textbf y)\sim N(A^{\top}\boldsymbol\mu,A^{\top}\varSigma A)$?。這個結論可以很輕易的從特征函數（ $\phi(\textbf x)$ ）的角度來證明。

? ? ? （2）協方差矩陣的對角化 / 單位化：根據代數的知識我們知道，對于實對稱矩陣?$\varSigma$?，一定可以找到一個正交矩陣 $\varPhi$ ，使特征值分解后成為對角矩陣 $\varLambda$ ：

$$\varSigma\varPhi=\varPhi\varLambda$$

$$\varLambda=\varPhi^{-1}\varSigma\varPhi=\varPhi^{\top}\varSigma\varPhi$$

寫成分量形式就是熟悉的特征值分解 $\varSigma\phi_i=\lambda_i\phi_i$，其中 $\varPhi=(\phi_1,...,\phi_d)$ 是各特征向量 $\phi_i\in\mathbb R^d,\quad i\in\{1,...,d\}$ 構成的正交矩陣（ $\varPhi^{\top}\varPhi=I$ ），每個特征向量自身做內積時值為1：$\phi_i^{\top}\phi_i=1$ ，任兩個特征向量做內積時值為0：$\phi_i^{\top}\phi_j=0$ ；$\varLambda=\text{diag} (\lambda_1,...,\lambda_d)$ 是各特征值作為對角線元素的對角矩陣。

? ? ? 基于以上兩點，

? ? ? i. 可以通過線性變換?$\textbf y=\varPhi^{\top}\textbf x$，將協方差矩陣對角化：$p(\textbf y)\sim N(\varPhi^{\top}\boldsymbol\mu,\varLambda)$ ，值得注意的是主成分分析就是將協方差矩陣對角化的過程，見本系列博客的第四篇；

? ? ? ii. 也可以通過白化變換（Whitening transform）$A=\varPhi\varLambda^{-\frac12}$ ，將協方差矩陣單位化（注：在《模式分類》英文版的勘誤表上，將這個式子更正為$A=\varPhi\varLambda^{-\frac12}\varPhi^{\top}$ ，但是課后習題有一道涉及白化變換的題目則沒有被勘誤；這兩種形式下都可推出變換后的協方差矩陣 $A^{\top}\varSigma A=I$ 是單位矩陣，所以我也不太清楚到底哪個是對的）。

? ? ? 下面開始介紹多元高斯密度下的判別函數。我們直接將多元高斯密度的表達式代入?$g_i(\textbf x)=\ln p(\textbf x|\omega_i)+\ln P(\omega_i)$ ，可得到如下的二次判別函數（Quadratic discriminant function）：

$$g_i(\textbf{x})=-\frac12(\textbf{x}-\boldsymbol{\mu}_i)^{\top}\varSigma_i^{-1}(\textbf{x}-\boldsymbol{\mu}_i)-\frac12\ln |\varSigma_i|+\ln P(\omega_i)\underset{\text{與}i\text{無關，可以去掉}}{\underline{-\frac d2\ln2\pi}}$$

在二類情況下，決策面是超二次曲面。

? ? ? 如果做一定的簡化，認為各個類別的協方差矩陣都相等 $\varSigma_i=\varSigma$ ，將上式展開化簡，可得到線性判別函數（Linear discriminant function）：

$$g_i(\textbf{x})=(\boldsymbol{\mu}_i^{\top}\varSigma^{-1})\textbf{x}-\frac12\boldsymbol{\mu}_i^{\top}\varSigma^{-1}\boldsymbol{\mu}_i+\ln P(\omega_i)$$

在這種情況下，二類分類的決策面是超平面。

? ? ? 這里有個坑，就是當協方差矩陣是奇異矩陣，導致其逆矩陣無法計算（MNIST數據集就存在這種情況）。除了降維之外，我認為還可以利用以下兩種方法來規避這個問題：

? ? ? （1）求偽逆矩陣 $\varSigma^\dagger=(\varSigma^{\top}\varSigma)^{-1}\varSigma^{\top}$?來代替逆矩陣，偽逆矩陣也滿足 $\varSigma^\dagger\varSigma=I$?。當然了，有可能偽逆也是求不出來的，因為中間也有求逆操作。

? ? ? （2）使用Shrinkage策略（正則判別分析），將各個類的協方差矩陣向同一矩陣縮并，還可把矩陣再向單位矩陣縮并：

$$\varSigma_i(\alpha)=\frac{(1-\alpha)n_i\varSigma_i+\alpha n\varSigma}{(1-\alpha)n_i+\alpha n},\quad 0<\alpha<1$$

$$\varSigma(\beta)=(1-\beta)\varSigma+\beta I,\quad 0<\beta<1$$

第二個式子單拿出來看的話，可以認為是對LDF做正則（但由于LDF本身就比較簡單，所以該方法過于簡單了），第一個式子可以認為是對QDF做正則。這種策略也可以用來緩解過擬合。

? ? ? 其實吧也不用搞這么復雜，每個類的協方差矩陣都像第二個式子那樣，加個很小的擾動就行了。

? ? ? 這里附上sklearn庫中對LDF、QDF以及Shrinkage的介紹：1.2. Linear and Quadratic Discriminant Analysis ，其接口的調用方式無非還是那幾行代碼，初始化一個類的實例，fit()方法來訓練，predict()方法來測試。。。我在上學期實現過（因為第一周課的作業是這個，［逃。。。），QDF在調了Shrinkage那個參數之后（取0.05步長直接搜索調的）在MNIST數據集上降維到500、200、100這三個維度上的accuracy和sklearn庫是一樣的，當然速度就慢了不止一點半點了哈。下面附上784維時我實現的LDF、QDF在驗證集的調參圖（降維之后的調參圖就不貼了哈太多了），LDF不加正則的效果是最好的，QDF則需要加正則：

?

（三）貝葉斯錯誤率?

? ? ? 考慮二類的情況，錯誤率 $P(error)$ ：

$$\begin{aligned}P(error)=&P(\textbf?x\in\mathcal R_2,\omega_1)+P(\textbf?x\in\mathcal R_1,\omega_2)\\=&P(\textbf?x\in\mathcal R_2|\omega_1)P(\omega_1)+P(\textbf?x\in\mathcal R_1|\omega_2)P(\omega_2)\\=&\int_{\mathcal R_2}p(\textbf?x|\omega_1)P(\omega_1)\textze8trgl8bvbq\textbf?x+\int_{\mathcal R_1}p(\textbf?x|\omega_2)P(\omega_2)\textze8trgl8bvbq\textbf?x\end{aligned}$$

? ? ??對于一維特征的特殊情況，如下圖所示，分類錯誤率就是陰影面積。而三角形那部分可以去掉從而使錯誤率最小，什么樣的決策規則可以去掉它？當然是?$\arg\max_ip(x|\omega_i)P(\omega_i)$ ，而這正是貝葉斯判決的最小錯誤率決策。

? ? ? 這里有個結論（是 [1] 的一道課后習題）：對于一個兩類問題，設兩類的類條件概率密度都服從多元高斯密度，且兩類先驗概率相等、協方差矩陣相等，那么貝葉斯錯誤率為

$$P(error)=\dfrac1{\sqrt{2\pi}}\int_{\frac r2}^{\infty}\exp(-\dfrac{u^2}2)\textze8trgl8bvbqu$$

其中平方馬氏距離 $r^2=(\boldsymbol{\mu}_1-\boldsymbol{\mu}_2)^{\top}\varSigma^{-1}(\boldsymbol{\mu}_1-\boldsymbol{\mu}_2)$ ，如果能讓這個值增大，那么錯誤率就會減小。考慮協方差矩陣是對角矩陣的情況，可以進一步得到 $r^2=\sum_{i=1}^d(\frac{\mu_{i1}-\mu_{i2}}{\varSigma_i})^2$ ，其中 $\mu_{i1}$ 表示第一類樣本的第 $i$ 維特征的均值。可見，如果某一維特征在兩類樣本上的均值不同，那么它就是有用的；另外，可以通過增加特征的方式，來增加 $r^2$ ，減小錯誤率。

? ? ? 但是還是要注意，以上分析的前提是概率密度可以被精確估計。實際上，樣本量有限，無法準確估計概率密度。另外，特征增加當然可能使錯誤率反而增加，除了因為估計不準確之外，還可能是高斯密度這個前提本身就是不準的。而且，樣本量小而特征很多，無疑會帶來很多麻煩，比如過擬合等。

（四）生成式模型的參數估計

? ? ? 一、參數估計

? ? ??數理統計的基本問題就是根據樣本所提供的信息，對總體的分布或者分布的數字特征作出統計推斷。所謂總體就是一個具有確定分布的隨機變量，參數估計問題就是總體所服從的分布類型已知，但某些參數未知。

? ? ? 統計學中的兩大學派，貝葉斯學派（Bayesian）和頻率學派（Frequentist）對于參數估計的看法是不同的。頻率學派是直接估計參數的具體值；貝葉斯學派則將參數視作隨機變量，估計其分布。極大似然估計（Maximum likelihood estimation，MLE）屬于頻率學派，貝葉斯參數估計（Bayesian estimation）則屬于貝葉斯學派。

? ? ? 二者有沒有聯系？有。比如說一維特征的情況，假設類條件概率密度的形式為高斯密度且未知參數為均值（方差已知），參數的先驗密度已知為高斯密度：當樣本量無窮大時，貝葉斯估計出的均值趨近于MLE估計的均值（這個例子取自[1]）。

? ? ? 既然說到了參數估計，不妨就總結一下三種估計方法：極大似然估計、最大后驗概率估計（Maximum a posteriori，MAP）、貝葉斯估計。

? ? ? 設要估計的參數為 $\theta$ ，隨機變量 $\boldsymbol X$ 的 $n$ 個觀測值為 $x_1,...,x_n$ （iid樣本，它們整體用 $X$ 代表，可以認為觀測數據就是訓練集）。首先還是擺上貝葉斯公式，后驗等于似然乘先驗除以證據：

$$p(\theta |X)=\frac{p(X|\theta)p(\theta)}{p(X)}=\frac{p(X|\theta)p(\theta)}{\int p(X|\theta)p(\theta)\text d\theta}$$

? ? ? 1. 極大似然估計

? ? ? 極大似然估計是一種基于觀測數據，“概率最大的則最有可能發生”的思路，將似然最大化：

$$\hat\theta_{MLE}=\arg\max_{\theta}p(X|\theta)=\arg\max_{\theta}\prod_{i=1}^np(x_i|\theta)$$

式中 $\prod_{i=1}^np(x_i|\theta)$ 被稱為似然函數。通常將其取對數得到對數似然函數，再通過求偏導等于零這個方程來求極大值。式中的 $p(\cdot)$ 是PDF，如果是離散型隨機變量需要替換為PMF（ $P(\cdot)$ ）。

? ? ? 舉個例子，拋硬幣10次，有3次正面朝上，估計拋一次硬幣時正面朝上的概率。在這個例子里，$\boldsymbol X$ 服從二項分布，PMF為： $P(\boldsymbol X=1|\theta)=\theta$ 、$P(\boldsymbol X=0|\theta)=1-\theta$ ，所以

$$\hat\theta_{MLE}=\arg\max_{\theta}\theta^3(1-\theta)^7=0.3$$

? ? ? 2. 最大后驗概率估計

? ? ? 最大后驗概率估計則是將后驗最大化。從下面的推導可以看出，它不光依賴觀測數據，還引入了對于參數的先驗知識，這對于觀測數據有問題（比如，觀測值太少）的情況很有利，因為先驗可以認為是“已經知道它大概是什么樣的”：

$$\hat\theta_{MAP}=\arg\max_{\theta}p(\theta |X)=\arg\max_{\theta}p(X|\theta)p(\theta)$$

優化目標的第一項因子就是似然。當參數的先驗分布是均勻分布時，MLE和MAP等價。

? ? ? 還是上面的例子，設先驗為 $\theta\sim N(0.5,1)$ ，即 $p(\theta)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\exp(-\frac{(\theta-0.5)^2}{2})$ ，那么

$$\hat\theta_{MAP}=\arg\max_{\theta}\theta^3(1-\theta)^7\cdot \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\exp(-\frac{(\theta-0.5)^2}{2})$$

? ? ? 3. 貝葉斯估計（這部分寫得很亂，不要看了。。。）

? ? ? 貝葉斯估計則是將參數看作隨機變量，估計其后驗密度 $p(\theta |X)$ ，并希望它在真實值 $\theta$ 附近有顯著尖峰：

$$p(\theta |X)=\frac{p(X|\theta)p(\theta)}{\int p(X|\theta)p(\theta)\text d\theta}$$

其中?$p(X|\theta)=\prod_{i=1}^np(x_i|\theta)$ 。對于測試樣本 $x$ ，可以得到概率密度：

$$p(x|X)=\int p(x,\theta |X)\text d\theta=\int p(x|\theta ,X)p(\theta |X)\text d\theta$$

因為測試樣本和訓練集無關，所以

$$p(x|X)=\int p(x|\theta)p(\theta|X)\text d\theta$$

通過這個式子，概率密度 $p(x|X)$?和參數的后驗密度 $p(\theta|X)$ 被聯系起來（注意 $X$ 的分布形式已知，所以 $p(x|\theta)$ 的形式已知），說明參數的后驗分布可以對概率密度的估計產生影響。

? ? ? 在實際使用中，有以下幾種情況：

? ? ? (1) 如果參數的后驗密度?$p(\theta |X)$ 在值 $\hat\theta$ 處也有顯著尖峰，那么概率密度 $p(x|X)\approx p(x|\hat\theta)$ 。換句話說，取 $\hat\theta$ 作為參數的估計值。實際上就是MAP。

? ? ? (2) 如果對參數的真實值沒有把握，上式說明 $p(x|X)$ 應該是 $p(x|\theta)$ 對所有可能的 $\theta$ 取平均值。所以另外一種做法是，求得參數的后驗密度?$p(\theta |X)$ 之后，進行 $M$ 次采樣，得到一系列 $\theta_i\sim p(\theta |X)$ ，從而取平均值：$p(x|X)\approx\dfrac1M\sum_{i=1}^Mp(x|\theta_i)$ 。

? ? ? 二、多元高斯密度下的參數估計

? ? ? 這里直接上結論了：使用MLE估計多元高斯密度的均值向量和協方差矩陣，其估計結果將是下面的形式（從協方差的分母知道，它是有偏的）：

$$\hat{\boldsymbol\mu}=\dfrac1n\sum_{k=1}^n\textbf x_k$$

$$\hat\varSigma=\dfrac1n\sum_{k=1}^n(\textbf x_k-\hat{\boldsymbol\mu})(\textbf x_k-\hat{\boldsymbol\mu})^{\top}$$

? ? ? 如果要使用無偏估計，則需要把第二個式子中的分母改成 $n-1$ ，減去1的意義是自由度減少了1，因為用來估計了均值。

? ? ? 以下迭代公式提供了在線更新均值向量和協方差矩陣的方式（也是課后習題）：每當新來一個樣本 $\textbf x_{n+1}$，均值向量和協方差矩陣的估計值可更新為

$$\hat{\boldsymbol\mu}^{(n+1)}=\hat{\boldsymbol\mu}+\frac{1}{n+1}(\textbf x_{n+1}-\hat{\boldsymbol\mu})$$

$$\hat\varSigma^{(n+1)}=\frac{n-1}{n}\hat\varSigma+\frac{1}{n+1}(\textbf x_{n+1}-\hat{\boldsymbol\mu})(\textbf x_{n+1}-\hat{\boldsymbol\mu})^{\top}$$

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參考資料：

[1] 《模式分類》及slides

[2] 《統計學習方法》

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轉載于:https://www.cnblogs.com/Determined22/p/6347778.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的机器学习 —— 基础整理（一）贝叶斯决策论；二次判别函数；贝叶斯错误率；生成式模型的参数方法...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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