基于貝葉斯算法的用戶閱讀行為分析設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王與堯

（北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 珠海519088）

樸素貝葉斯分類模型是一種非常簡(jiǎn)單有效的分類器模型，核心思路是模型訓(xùn)練階段和分類預(yù)測(cè)階段.假設(shè)某個(gè)體有n項(xiàng)特征（Feature），分別為 w1,w2,...,wm.現(xiàn)有 m個(gè)類別（Category），分別為 c1,c2,...,cm.貝葉斯分類器就是計(jì)算出概率最大的那個(gè)分類.過(guò)程是在訓(xùn)練階段對(duì)每一個(gè)集合的元素估算先驗(yàn)條件概率，然后在分類階段計(jì)算后驗(yàn)概率，返回后驗(yàn)概率最大的類.

使用樸素貝葉斯分類模型時(shí)需要假設(shè)各個(gè)定義的分量對(duì)于決定變量之間是不存在任何關(guān)系的，即給屬性值時(shí)屬性之間需要相互獨(dú)立.雖然在現(xiàn)實(shí)世界中各個(gè)分類條件不可能完全相互獨(dú)立，但是這樣的假設(shè)條件能夠減少樸素貝葉斯分類模型的工作量和復(fù)雜度，所以訓(xùn)練數(shù)據(jù)量越大，模型越精確.

先驗(yàn)條件概率：

后驗(yàn)條件概率：

公式解釋：

P（d）：從文檔空間中隨機(jī)抽取一個(gè)文檔d的概率.

P（c）：從文檔空間中隨機(jī)抽取一個(gè)文檔d，它屬于類別c的概率（某類文檔數(shù)/總的文檔數(shù)）.P（d|c）：文檔d對(duì)于給定類c的概率（文檔中的單詞數(shù)/某類中總的單詞數(shù)）.

類別集:c={c1,c2,…,cn}.

β文檔向量:d={w1,w2,…,wn}.

P(c|d)：測(cè)試文檔d屬于某類c的概率.

1 中文分詞的實(shí)現(xiàn)

本文所用分詞工具為：Lucene全文搜索引擎、Paoding分詞器.MapReduce程序默認(rèn)的輸入格式如圖1所示.

圖1 默認(rèn)的輸入格式

本程序的設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2 本程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1和圖2可以知道，如果使用Hadoop默認(rèn)的輸入格式，當(dāng)需要處理的文件數(shù)量達(dá)到上萬(wàn)、上億時(shí)，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)也需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)數(shù)量的Mapper，這樣的做法實(shí)際上是相當(dāng)?shù)托У?，?huì)大量開(kāi)銷系統(tǒng)資源并且使程序的執(zhí)行時(shí)間變得很長(zhǎng).可以看出Hadoop的默認(rèn)輸入格式是非常不適合執(zhí)行這個(gè)分詞任務(wù)的.為了解決這個(gè)問(wèn)題，本程序使用了CombineFileInputFormat，改變了程序讀取數(shù)據(jù)的方式，使得程序的執(zhí)行效率大大提高.

本研究中使用的工具類：

（1）InputFormat

InputFormat是對(duì)Mapper有非常重要的影響，它決定Mapper的數(shù)量以及Mapper接受數(shù)據(jù)的格式.輸入的數(shù)據(jù)會(huì)被分割成邏輯分片（Split），分片的數(shù)據(jù)會(huì)被RecordReader讀取后交給Mapper處理.

（2）CombineFileInputFormat

CombineFileInputFormat繼承了FileInputFormat，是一個(gè)用來(lái)處理大量小文件任務(wù)而設(shè)計(jì)的輸入格式.在本程序中重寫(xiě)了getSplit方法，返回的分片類型是CombineFileSplit.本程序還需要實(shí)現(xiàn)createRecordReader方法，建議返回值的類型是CombineFileRecordReader，它可以處理類型為CombineFileSplit的數(shù)據(jù)分片.另外，CombineFileRecordReader的構(gòu)造函數(shù)中需要指定一個(gè)RecordReader，用于處理分片內(nèi)的單個(gè)文件.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：繼承Mapper類，通過(guò)Mapper調(diào)用MapReduce程序，創(chuàng)建庖丁分詞器analyzer實(shí)例，StringReader接收輸入數(shù)據(jù)，然后調(diào)用analyzer實(shí)例的tokenStream方法進(jìn)行分詞，Paoding分詞器將會(huì)對(duì)中文文本進(jìn)行細(xì)粒度全切分.MapReduce中文分詞結(jié)果，文本分詞的結(jié)果如圖3、圖4所示.

圖3 未分詞的文本

圖4 分詞后的文本

2 樸素貝葉斯模型的實(shí)現(xiàn)

2.1 訓(xùn)練集與測(cè)試集的構(gòu)建

（1）隨機(jī)抽取20%的數(shù)據(jù)作為測(cè)試集.

（2）提取剩余樣本作為訓(xùn)練集，左連接測(cè)試集.

（3）測(cè)試集和訓(xùn)練集劃分的比例為1∶4.

2.2 訓(xùn)練模型生成

（1）用trainclassifier命令來(lái)對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練.命令：mahout trainclassifier-i digital/train-o digital/model-bayes-type bayes-ng 1 source hdfs.

（2）訓(xùn)練之后得到互補(bǔ)的樸素貝葉斯分類器.能夠在Eclipse直接查看到HDFS上面已經(jīng)生成了貝葉斯模型，也可以在命令行中使用hadoop dfs-ls+路徑指令來(lái)查看模型是否已經(jīng)生成.該模型文件夾下的其他3個(gè)文件夾主要用于存儲(chǔ)貝葉斯分類器模型的參數(shù).

這里的生成的模型是Mahout的樸素貝葉斯分類器模型，它假設(shè)各類的先驗(yàn)概率都相等，同時(shí)，為了提高分類器的效率，該模型還對(duì)P(Xi|Ci)的計(jì)算方式進(jìn)行了改進(jìn)，另外Mahout還提供了一種新的樸素貝葉斯算法-Complementary Naive Bayes.

3 樸素貝葉斯模型的測(cè)試結(jié)果

3.1 模型測(cè)試結(jié)果

本文使用Mahout的測(cè)試集的命令進(jìn)行測(cè)試，命令為：mahout testclassifier-d digital/test-m digital/model-bayes-type bayes-ng 1-source hdfs-method mapreduce，輸出的矩陣叫做混淆矩陣（Confusion Matrix），對(duì)角線的數(shù)字代表分類正確的文章，對(duì)角線上的數(shù)字越大，代表分類器的精度越高，模型的分類結(jié)果如圖5所示.

圖5 模型輸出的結(jié)果

3.2 結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）局部評(píng)價(jià)指標(biāo)：模型對(duì)某一類的分類性能，只能代表局部性能.

查全率：模型的覆蓋能力,即文章被分類正確的比例.

查準(zhǔn)率：模型正確判斷文章類型的能力，指模型分類的準(zhǔn)確率.

（2）整體評(píng)價(jià)指標(biāo)：整體評(píng)價(jià)模型性能的指標(biāo).

宏平均值為所有局部指標(biāo)的平均值.查全率的宏平均值（MacRecall）和查準(zhǔn)率的宏平均值（MacPrecision）分別為：

微平均值為被正確分類的文檔所占的比例：

3.3 樸素貝葉斯模型測(cè)試結(jié)果

根據(jù)混淆矩陣和評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算可得表1，可以看出該模型在各種參數(shù)上的表現(xiàn)都比較出色，基本符合一開(kāi)始的預(yù)期結(jié)果.理論上，該模型在效率、速度上也非常出色，但是由于實(shí)驗(yàn)的樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)還沒(méi)有達(dá)到一定的級(jí)別，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果暫時(shí)不能說(shuō)明該模型在處理更大規(guī)模數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì).

表1 測(cè)試評(píng)估結(jié)果

4 用戶閱讀行為分析結(jié)果

4.1 任務(wù)說(shuō)明

（1）任務(wù)描述

搜集一些用戶在某些網(wǎng)站瀏覽過(guò)的頁(yè)面文本，每個(gè)用戶瀏589覽的文本放在一個(gè)文件夾中，代表一個(gè)用戶的訪問(wèn)記錄，根據(jù)這些文本文件計(jì)算用戶的閱讀偏好.

（2）輸出結(jié)果

每個(gè)用戶的閱讀偏好，即按照類別進(jìn)行排序.

4.2 MapReduce并行程序設(shè)計(jì)思想

本程序的設(shè)計(jì)思想如圖6所示.

圖 6 Mapper、Reducer輸入輸出格式

4.3 使用MapReduce程序?qū)崿F(xiàn)分析用戶閱讀行為

（1）在Hadoop平臺(tái)上運(yùn)行分類程序的jar包.在命令行輸入命令：hadoop jar-MR/MRClassify.jar user/processed user/output digital/model-cbayes cbayes,可以得到用戶對(duì)不同類型的文章的閱讀偏好，結(jié)果如圖7所示：

圖7 用戶對(duì)不同文章的閱讀次數(shù)

（2）使用Pig腳本對(duì)各個(gè)用戶的閱讀進(jìn)行排序.執(zhí)行之后可以顯示每個(gè)用戶最喜歡讀的文章類型和數(shù)量，Pig腳本的代碼如圖8所示.執(zhí)行Pig腳本之后得到最終的輸出結(jié)果.

Pig腳本代碼解釋：

–group:對(duì)相同user的閱讀記錄進(jìn)行聚合

–sorted:根據(jù)times進(jìn)行降序排序

–top:保存sorted的第一行

圖8 Pig腳本代碼

（3）輸出結(jié)果.排序后的輸出結(jié)果如圖9所示，最左側(cè)代表的是用戶的編號(hào)，中間的是用戶閱讀數(shù)量最多的文檔的類別，最右側(cè)的一列代表用戶閱讀最多的一類文章的數(shù)量.

圖9 每個(gè)用戶閱讀偏好的最終排序結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Lucene全文搜索引擎以及Paoding分詞器的使用和研究，得出如下結(jié)論：Paoding分詞器可以很好地完成本實(shí)驗(yàn)的分詞任務(wù)，Paoding分詞器在本實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出非常好的分詞精度和分詞效率，而且算法非常容易理解、模型復(fù)雜度低、新詞的辨識(shí)能力強(qiáng).

本研究使用了Hadoop下的MapReduce設(shè)計(jì)模型，為了使程序能過(guò)更高效的完成并行計(jì)算的工作，本程序修改了MapReduce程序的輸入方式，使得大量小文件的處理能過(guò)更加高效，節(jié)省了大量的時(shí)間和機(jī)器資源.

在測(cè)試樸素貝葉斯分類模型之后，得出如下結(jié)論：樸素貝葉斯分類器擁有很好的分類精度，在查全率、查準(zhǔn)率、宏平均值等方面的表現(xiàn)說(shuō)明樸素貝葉斯分類模型在文本分類處理任務(wù)上有非?？捎^的效率.最后，本研究通過(guò)MapReduce程序進(jìn)行并行計(jì)算，可以計(jì)算出每個(gè)用戶的閱讀各種文章的數(shù)量，然后通過(guò)排序得出用戶對(duì)各種類型的文章的閱讀偏好.

［1］李靜梅,孫麗華,張巧榮,等.一種文本處理中的樸素貝葉斯分類器［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,24(1):72-74.

［2］周顏軍,王雙成,王輝.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的分類器研究［J］.東北師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003,35(2):23-25.

［3］王樹(shù)良,丁剛毅,鐘鳴.大數(shù)據(jù)下的空間數(shù)據(jù)挖掘思考［J］.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2013,8(1):8-17.

［4］鄒臘梅,肖基毅,龔向堅(jiān).Web 文本挖掘技術(shù)研究［J］.情報(bào)雜志，2007,37(2):53-55.

［5］代六玲，黃河燕，陳肇雄.中文文本分類中特征抽取方法的比較研究［J］.中文信息學(xué)報(bào)，2004,18(1):28-32.

［6］熊子奇，張暉，林茂松.基于相似度的中文網(wǎng)頁(yè)正文提取算法［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,25(1):80-84.

［7］Chickering D M,Meek C,Heckerman D.Large-sample learning of Bayesian networks is hard［J］.Journal of Machine Learning Research,2004(5):1287-1330.

［8］Friedman N,Koller D.Being Bayesian about network structure:A Bayesian approach to structure discovery in Bayesian networks［J］.Machine Learning,2003,50(1/2):95-126.