第七章：朴素贝叶斯和文本数据
非结构化文本的分类算法
在前几个章节中，我们学习了如何使用人们对物品的评价(五星、顶和踩)来进行推荐;还使用了他们的隐式评价——买过什么，点击过什么;我们利用特征来进行分类，如身高、体重、对法案的投票等。这些数据有一个共性——能用表格来展现：
因此这类数据我们称为“结构化数据”——数据集中的每条数据(上表中的一行)由多个特征进行描述(上表中的列)。而非结构化的数据指的是诸如电子邮件文本、推特信息、博客、新闻等。这些数据至少第一眼看起来是无法用一张表格来展现的。
举个例子，我们想从推特信息中获取用户对各种电影的评价：
可以看到，Andy Gavin喜欢看地心引力，因为他的消息中有“不寒而栗”、“演的太棒了”之类的文本。而Debra Murphy则不太喜欢这部电影，因为她说“还是省下看这部电影的钱吧”。如果有人说“我太想看这部电影了，都兴奋坏了!”，我们可以看出她是喜欢这部电影的，即使信息中有“坏”这个字。
我在逛超市时看到一种叫Chobani的酸奶，名字挺有趣的，但真的好吃吗?于是我掏出iPhone，谷歌了一把，看到一篇名为“女人不能只吃面包”的博客：
无糖酸奶品评
你喝过Chobani酸奶吗?如果没有，就赶紧拿起钥匙出门去买吧!虽然它是脱脂原味的，但喝起来和酸奶的口感很像，致使我每次喝都有负罪感，因为这分明就是在喝全脂酸奶啊!原味的感觉很酸很够味，你也可以尝试一下蜂蜜口味的。我承认，虽然我在减肥期间不该吃蜂蜜的，但如果我有一天心情很糟想吃甜食，我就会在原味酸奶里舀一勺蜂蜜，太值得了!至于那些水果味的，应该都有糖分在里面，但其实酸奶本身就已经很美味了，水果只是点缀。如果你家附近没有Chobani，也可以试试Fage，同样好吃。
虽然需要花上一美元不到，而且还会增加20卡路里，但还是很值得的，毕竟我已经一下午没吃东西了! >
这是一篇正面评价吗?从第二句就可以看出，作者非常鼓励我去买。她还用了“够味”、“美味”等词汇，这些都是正面的评价。所以，让我先去吃会儿……
自动判别文本中的感情色彩
约翰，这条推文应该是称赞地心引力的!
假设我们要构建一个自动判别文本感情色彩的系统，它有什么作用呢?比如说有家公司是售卖健康检测设备的，他们想要知道人们对这款产品的反响如何。他们投放了很多广告，顾客是喜欢(我好想买一台)还是讨厌(看起来很糟糕)呢?再比如苹果公司召开了一次新闻发布会，讨论iPhone现有的问题，结果是正面的还是负面的呢?一位参议会议员对某个法案做了一次公开演讲，那些政治评论家的反应如何?看来这个系统还是有些作用的。
那要怎样构建一套这样的系统呢?
假设我要从文本中区分顾客对某些食品的喜好，可能就会列出一些表达喜欢的词语，以及表达厌恶的词：
表达喜欢的词：美味、好吃、不错、喜欢、可口
表达厌恶的词：糟糕、难吃、不好、讨厌、恶心
比如我们想知道某篇评论对Chobani酸奶的评价是正面的还是负面的，我们可以去统计评论中表达喜欢和厌恶的词的数量，看哪种类型出现的频率高。这种方法也可以应用到其他分类中，比如判断某个人是否支持堕胎，如果他的言论中经常出现“未出生的小孩”，那他很可能是反堕胎的;如果言论中出现“胎儿”这个词比较多，那有可能是支持堕胎的。其实，用词语出现的数量来进行分类还是很容易想到的。
我们可以使用朴素贝叶斯算法来进行分类，而不是一般的计数。先来回忆一下公式：
argmax表示选取概率最大的分类;h∈H表示计算每个事件的概率;P(D|h)表示在给定h的条件下，D发生的概率(如给定某类文章，这类文章中特定单词出现的概率);P(h)则指事件h发生的概率。
我们的训练集是一组文本，又称为语料库。每个文本(即每条记录)是一则140字左右的推文，并被标记为喜欢和讨厌两类。P(h)表示的就是喜欢和讨厌出现的概率。我们的训练集中有1000条记录，喜欢和讨厌各有500条，因此它们的概率是：
P(喜欢) = 0.5
P(讨厌) = 0.5
当我们使用已经标记好分类的数据集进行训练时，这种类型的机器学习称为“监督式学习”。文本分类就是监督式学习的一种。
如果训练集没有标好分类，那就称为“非监督式学习”，聚类就是一种非监督式学习，我们将在下一章讲解。
还有一些算法结合了监督式和非监督式，通常是在初始化阶段使用分类好的数据，之后再使用未分类的数据进行学习。
让我们回到上面的公式，首先来看P(D|h)要如何计算——在正面评价中，单词D出现的概率。比如说“Puts the Thrill back in Trhiller”这句话，我们可以统计所有表达“喜欢”的文章中第一个单词是“Puts”的概率，第二个单词是“the”的概率，以此类推。接着我们再计算表达“讨厌”的文章中第一个单词是“Puts”的概率，第二个单词是“the”的概率等等。
谷歌曾统计过英语中大约有一百万的词汇，如果一条推文中有14个单词，那我们就需要计算1,000,00014个概率了，显然是不现实的。
的确，这种方法并不可行。我们可以简化一下，不考虑文本中单词的顺序，仅统计表达“喜欢”的文章中某个单词出现的概率。以下是统计方法。
训练阶段
首先，我们统计所有文本中一共出现了多少个不同的单词，记作“|Vocabulary|”(总词汇表)。对于每个单词wk，我们将计算P(wk|hi)，每个hi(喜欢和讨厌两种)的计算步骤如下：
将该分类下的所有文章合并到一起;
统计每个单词出现的数量，记为n;
对于总词汇表中的单词wk，统计他们在本类文章中出现的次数nk：
最后应用下方的公式：
使用朴素贝叶斯进行分类
分类阶段比较简单，直接应用贝叶斯公式就可以了，让我们试试吧!
通过训练，我们得到以下概率结果：
比如下面这句话，要如何判断它是正面还是负面的呢?
I am stunned by the hype over gravity.
我们需要计算的是下面两个概率，并选取较高的结果：
因此分类的结果是“讨厌”。
提示 结果中的6.22E-22是科学计数法，等价于6.22×10-22。
哇，这个概率也太小了吧!
是的，如果文本中有100个单词，那乘出来的概率就会更小。
但是Python不能处理那么小的小数，最后都会变成零的。
没错，因此我们要用对数来算——将每个概率的对数相加!
假设一个包含100字的文本中，每个单词的概率是0.0001，那么计算结果是：
如果我们用对数相加来运算的话：
提示
bn = x 可以转换为 logbx = n
log10(ab) = log10(a) + log10(b)
新闻组语料库
我们下面要处理的数据集是新闻，这些新闻可以分为不同的新闻组，我们会构造一个分类器来判断某则新闻是属于哪个新闻组的：
比如下面这则新闻是属于rec.motorcycles组的：
注意到这则新闻中还有一些拼写错误(如accesories、ussually等)，这对分类器是一个不小的挑战。
这些数据集都来自 http://qwone.com/~jason/20Newsgroups/ (我们使用的是20news-bydate数据集)，你也可以从 这里 获得。这个数据集包含18,846个文档，并将训练集(60%)和测试集放在了不同的目录中，每个子目录都是一个新闻组，目录中的文件即新闻文本。
把不要的东西丢掉!
比如我们要对下面这篇新闻做分类：
让我们看看哪些单词是比较重要的：
(helpful – 重要，not helpful – 不重要)
如果我们将英语中最常用的200个单词剔除掉，这篇新闻就成了这样：
去除掉这些单词后，新闻就只剩下一半大小了。而且，这些单词看上去并不会对分类结果产生影响。H.P. Luhn在他的论文中说“这些组成语法结构的单词是没有意义的，反而会产生很多噪音”。也就是说，将这些“噪音”单词去除后是会提升分类正确率的。我们将这些单词称为“停词”，有专门的停词表可供使用。去除这些词的理由是：
能够减少需要处理的数据量;
这些词的存在会对分类效果产生负面影响。
常用词和停词
虽然像the、a这种单词的确没有意义，但有些常用词如work、write、school等在某些场合下还是有作用的，如果将他们也列进停词表里可能会有问题。
年轻人，那些常用词是不能随便丢弃的!
因此在定制停词表时还是需要做些考虑的。比如要判别阿拉伯语文档是在哪个地区书写的，可以只看文章中最常出现的词(和上面的方式相反)。如果你有兴趣，可以到我的 个人网站 上看看这篇论文。而在分析聊天记录时，强奸犯会使用更多I、me、you这样的词汇，如果在分析前将这些单词去除了，效果就会变差。
编写Python代码
首先让我们实现朴素贝叶斯分类器的训练部分。训练集的格式是这样的：
最上层的目录是训练集(20news-bydate-train)，其下的子目录代表不同的新闻组(如alt.atheism)，子目录中有多个文本文件，即新闻内容。测试集的目录结构也是相同的。因此，分类器的初始化代码要完成以下工作：
读取停词列表;
获取训练集中各目录(分类)的名称;
对于各个分类，调用train方法，统计单词出现的次数;
计算下面的公式：
训练结果存储在一个名为prop的字典里，字典的键是分类，值是另一个字典——键是单词，值是概率。
god这个词在rec.motorcycles新闻组中出现的概率是0.00013，而在soc.religion.christian新闻组中出现的概率是0.00424。
训练阶段的另一个产物是分类列表：
训练结束了，下面让我们开始进行文本分类吧。
请尝试编写一个分类器，达成以下效果：
最后我们编写一个函数对测试集中的所有文档进行分类，并计算准确率：
在不使用停词列表的情况下，这个分类器的效果是：
准确率77.77%，看起来很不错。如果用了停词列表效果会如何呢?
那让我们来测试一下吧!
请自行到网络上查找一些停词列表，并填写以下表格：
我找到了两个停词列表，分别是包含25个词 和174个词 的列表，结果如下：
看来第二个停词列表能提升2%的效果，你的结果如何?
朴素贝叶斯与情感分析
情感分析的目的是判断作者的态度或意见：
情感分析的例子之一是判断一篇评论是正面的还是反面的，我们可以用朴素贝叶斯算法来实现。我们可以用Pang&Lee 2004的影评数据来测试，这份数据集包含1000个正面和1000个负面的评价，以下是一些示例：
本月第二部连环杀人犯电影实在太糟糕了!虽然开头的故事情节和场景布置还可以，但后面就……
当我听说罗密欧与朱丽叶又出了一部改编电影后，心想莎士比亚的经典又要被糟蹋了。不过我错了，Baz Luhrman导演的水平还是高的……
你可以从 http://www.cs.cornell.edu/People/pabo/movie-review-data/ 上下载这个数据集，并整理成以下形式：
你也可以从这里下载整理好的数据。
动手实践
你可以为上文的朴素贝叶斯分类器增加十折交叉验证的逻辑吗?它的输出结果应该是如下形式：
另外，请计算Kappa指标。
再次声明：只看不练是不行的，就好比你不可能通过阅读乐谱就学会弹奏钢琴。
解答
这是我得到的结果：
Kappa指标则是：
所以我们的分类算法效果是不错的。
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