【模式识别与机器学习】L8 基于统计决策的概率分类方法
一、概念厘清
| 概念 | 定义 / 公式 | 关键用途 |
|---|---|---|
| 先验概率 P(ωi) | 无样本观测时,类ωi出现的概率(如 “学校 60% 是男生”) | 贝叶斯公式的初始输入 |
| 后验概率 P(ωi∣x) | 已知样本 x 时,x 来自类ωi的概率 | 决策的直接依据(后验概率最大化) |
| 类概密 p(x∣ωi) | 类ωi条件下,样本 x 的概率密度(连续型) | 描述类内样本分布规律 |
| 似然函数 p(x∣ωi) | 固定 x 时,随ωi变化的函数(与类概密数学形式相同,视角不同) | 似然比决策的核心组件 |
| 证据因子 p(x) | 全概率公式计算的 “样本 x 出现的总概率”,p(x)=∑jP(ωj)p(x∣ωj) | 贝叶斯公式的分母(归一化项) |
| 条件风险 R(αi∣x) | 决策αi(判 x 为ωi)的期望损失,R(αi∣x)=∑jλ(αi,ωj)P(ωj∣x) | 最小风险决策的依据 |
贝叶斯公式:已知先验概率和全概率,求后验概率(用于决策)
全概率公式:当x可能来自多个类时,计算x的总出现概率
二、三大核心决策方法
(一)最小错误率贝叶斯决策:整体平均错误率最小
若P(ωi∣x)=maxjP(ωj∣x)P(ω_i∣x)=max_jP(ω_j∣x)P(ωi∣x)=maxjP(ωj∣x),则x∈ωix∈ω_ix∈ωi
等价形式(两分类)
①似然比:p(x∣ω1)/p(x∣ω2)>P(ω2)/P(ω1)p(x∣ω_1)/p(x∣ω_2)>P(ω_2)/P(ω_1)p(x∣ω1)/p(x∣ω2)>P(ω2)/P(ω1)(判ω1ω_1ω1)
②对数似然比:化简计算,避免小数乘法
(二)最小风险贝叶斯决策:考虑损失
引入损失函数λ(αi,ωj)λ(α_i,ω_j)λ(αi,ωj),条件风险R(αi∣x)=∑R(α_i∣x)=∑R(αi∣x)=∑jjjλ(αi,ωj)P(ωj∣x)λ(α_i,ω_j)P(ω_j∣x)λ(αi,ωj)P(ωj∣x),x归类于R(αi∣x)最小
与最小错误率的关系:最小错误率是最小风险的特例:当采用 “0-1 损失函数”时等价。
(三)Neyman-Pearson决策:限制关键错误
步骤:
- 指定需限制的错误率
- 通过拉格朗日乘数法,推导似然比阈值λ
- 通过数值方法调整λ,使限制的错误率恰好等于ε0(因为一般无法得到解析解)
ROC曲线:比较不同分类器性能 横轴:假阳性率 纵轴:真阳性率
关键指标:AUC——ROC曲线下面积 AUC越大,分类器性能越好
三、正态分布的统计决策
1)单变量正态分布
概率密度函数:p(x)∼N(μ,σ2)p(x)∼N(μ,σ^2)p(x)∼N(μ,σ2),p(x)=12πσexp[−12(x−μσ)2]\frac{1}{\sqrt{2\pi}σ}exp[−\frac{1}{2}(\frac{x-\mu}{\sigma})^2]2πσ1exp[−21(σx−μ)2]
2)多元正态分布
概率密度函数:p(x)∼N(μ,Σ)p(x)∼N(μ,Σ)p(x)∼N(μ,Σ) p(x)=1(2π)d/2∣Σ∣1/2exp[−12(x−μ)TΣ−1(x−μ)]\frac{1}{(2π)^{d/2}|Σ|^{1/2}}exp[−\frac{1}{2}(x-\mu)^T\Sigma^{-1}(x-\mu)](2π)d/2∣Σ∣1/21exp[−21(x−μ)TΣ−1(x−μ)]
其中,μ:d 维均值向量;Σ:d×d 协方差矩阵(对称正定)
性质:
- 等概率密度轨迹:(x−μ)TΣ−1(x−μ)(x-\mu)^T\Sigma^{-1}(x-\mu)(x−μ)TΣ−1(x−μ)=常数,对应超椭球面(中心为μ,形状由Σ决定)。
- 不相关性 = 独立性:若两个分量xix_ixi,xjx_jxj不相关(协方差σijσ_{ij}σij=0),则它们独立(仅正态分布满足)。
- 边缘 / 条件分布正态性:多元正态分布的边缘分布(单个分量)和条件分布(给定部分分量)仍为正态分布。
3)正态分布下的决策面分布
| 协方差矩阵情况 | 决策面类型 | 核心判别依据 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 1. Σ1Σ_1Σ1=Σ2Σ_2Σ2=σ2σ^2σ2I(对角阵,方差相同) | 线性超平面 | 欧氏距离:∥x−μi∥2∥x−μ_i∥^2∥x−μi∥2 | 样本各特征独立,分散程度相同 |
| 2. Σ1=Σ2=ΣΣ_1=Σ_2=ΣΣ1=Σ2=Σ(非对角阵,协方差相同) | 线性超平面 | 马氏距离平方:(x−μi)TΣ−1(x−μi)(x−μ_i)^TΣ^{−1}(x−μ_i)(x−μi)TΣ−1(x−μi) | 样本特征相关,分散形状 / 大小相同 |
| 3. Σ1≠Σ2Σ_1≠Σ_2Σ1=Σ2(协方差不同) | 二次超曲面(超椭圆、双曲线等) | 二次判别函数:含xTWxx^TWxxTWx项 | 样本分散形状 / 大小不同 |
分类器的错误率
仅当类概密为正态分布且协方差矩阵相等时,可通过马氏距离计算错误率:

(通过标准正态分布函数Φ查表或近似计算)
写在结尾:最后公式懒得打就放图了哈哈哈 另外,这个专栏马上就到尾声了,大家后面想看什么内容?欢迎留言~
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