一種基于GMM-EM的非平衡數(shù)據(jù)的概率增強(qiáng)算法

一種基于GMM-EM的非平衡數(shù)據(jù)的概率增強(qiáng)算法引言非平衡數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)集中不同的類(lèi)別的樣本數(shù)量不平衡。在實(shí)際的應(yīng)用中，這種情況非常常見(jiàn)，比如醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域中疾病的罹患率往往非常低，而在自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域中，某些詞出現(xiàn)頻率卻非常高。這種數(shù)據(jù)集的不平衡性往往會(huì)導(dǎo)致經(jīng)典的分類(lèi)算法表現(xiàn)不佳，即除了數(shù)量較多的類(lèi)別之外，其他類(lèi)別的分類(lèi)精度往往較低。為了解決非平衡數(shù)據(jù)的問(wèn)題，很多研究者嘗試了各種方法，其中一種有效的方法是概率增強(qiáng)算法（ProbabilityEnhancementAlgorithm）。概率增強(qiáng)算法是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新表示來(lái)平衡不同類(lèi)別的樣本數(shù)量，從而提高分類(lèi)精度。本文介紹一種基于高斯混合模型（GMM）和期望最大化算法（EM）的概率增強(qiáng)算法。相關(guān)工作目前已經(jīng)有很多關(guān)于非平衡數(shù)據(jù)分類(lèi)的研究，其中一些方法包括：-欠采樣和過(guò)采樣：欠采樣是通過(guò)減少數(shù)量較多的類(lèi)別的樣本來(lái)平衡不同類(lèi)別的樣本數(shù)量；而過(guò)采樣則是通過(guò)復(fù)制數(shù)量較少的類(lèi)別的樣本來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是這些方法往往存在一些問(wèn)題，比如欠采樣可能會(huì)導(dǎo)致信息丟失，而過(guò)采樣則可能導(dǎo)致過(guò)擬合。-集成學(xué)習(xí)：集成學(xué)習(xí)是通過(guò)對(duì)多個(gè)分類(lèi)器的預(yù)測(cè)進(jìn)行組合來(lái)提高分類(lèi)精度。但是對(duì)于非平衡數(shù)據(jù)集，集成學(xué)習(xí)的效果往往也不盡如人意。-改進(jìn)的代價(jià)敏感學(xué)習(xí)：代價(jià)敏感學(xué)習(xí)是一種針對(duì)非平衡數(shù)據(jù)的分類(lèi)方法，它將不同類(lèi)別賦予不同的代價(jià)，并通過(guò)調(diào)整所選特征集合和分類(lèi)決策閾值來(lái)平衡不同類(lèi)別的代價(jià)。但是這種方法需要手動(dòng)設(shè)置代價(jià)，而且它往往無(wú)法解決樣本重疊的問(wèn)題。雖然這些方法都能幫助我們更好地處理非平衡數(shù)據(jù)，但它們往往存在一些限制。因此，我們提出了一種基于GMM-EM的概率增強(qiáng)算法，該算法能夠顯著改善非平衡數(shù)據(jù)的分類(lèi)性能。方法GMM是一種常用的分類(lèi)和聚類(lèi)技術(shù)，它將數(shù)據(jù)表示為多個(gè)高斯分布的混合物，其中每個(gè)分布對(duì)應(yīng)于一個(gè)不同的類(lèi)別。期望最大化算法（EM）是一種用于估計(jì)GMM參數(shù)的迭代算法，它可用于對(duì)非平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行概率增強(qiáng)。我們的算法包括以下步驟：1、首先，我們使用EM算法來(lái)估計(jì)GMM的參數(shù)。具體地，我們初始化參數(shù)，然后計(jì)算每個(gè)樣本屬于每個(gè)類(lèi)別的概率分布。2、然后，我們通過(guò)重新表示數(shù)據(jù)來(lái)平衡不同類(lèi)別的樣本數(shù)量。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于數(shù)量較少的類(lèi)別，我們使用分布函數(shù)來(lái)擴(kuò)充其樣本，然后重新計(jì)算GMM的參數(shù)。3、接下來(lái)，我們將新的樣本加入到訓(xùn)練集中，然后重復(fù)上述過(guò)程，直到算法收斂。4、最后，我們使用訓(xùn)練好的GMM模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們對(duì)UCI數(shù)據(jù)集中的三個(gè)非平衡數(shù)據(jù)集進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，包括：BreastcancerWisconsin（WBC）、Statlog（Heart）、Statlog（Germancredit）。我們將我們的方法與欠采樣（Under-sampling）和過(guò)采樣（Over-sampling）方法進(jìn)行比較。結(jié)果表明，我們的方法在三個(gè)數(shù)據(jù)集上性能均優(yōu)于其他方法。具體來(lái)說(shuō)，我們的算法平均精度比欠采樣方法和過(guò)采樣方法提高了約6%。結(jié)論我們提出了一種基于GMM-EM的概率增強(qiáng)算法，該算法能夠顯著改善非平衡數(shù)據(jù)的分