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Cirrus83
@@ -0,0 +1,195 @@
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title: "朴素贝叶斯算法 讲解及示例（课程作业）"
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date: 2026-04-12T22:10:40+08:00
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- '书房'
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comments: false
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### 朴素贝叶斯算法
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#### 1.简介
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朴素贝叶斯算法的原理，是通过贝叶斯公式$$\underbrace{P(Y|X)}_{{后验}} = \frac{\overbrace{P(X|Y)}^{{似然}}\cdot\overbrace{P(Y)}^{先验}}{\underbrace{P(X)}_{证据}}$$由
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- “先验”$P(Y_j)$（样本中目标事件$Y_j$的发生频率）
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- “似然”$P(X_i|Y_j)$（样本中目标事件$Y_j$发生时，各“证据”$X_i$的出现频率）
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计算得到“后验”$P(Y_j|X_i)$（给定待判断的“证据”$X_i$，该“证据”出现的情况下目标事件$Y_j$的发生概率），通过比较后验的大小，来判断该“证据”出现的情况下最可能发生什么事件。
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由于$P(X_i)$固定，实际上只需要计算固定$i$下的$P(Y_jX_i)$（被称为“联合概率”）并比较大小，最大的$P(Y_jX_i)$对应的$Y_j$即为判断结果。
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#### 2.“朴素”的理解
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“朴素”的含义，是各个“证据”$X_i$的发生是相互“条件独立”事件。也就是说，在“条件”事件$Y_j$发生下，各个“证据”$X_i$的发生是相互独立事件。公式为： $$P(X_mX_n|Y_j)=P(X_m|Y_j)\cdot P(X_n|Y_j)$$
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这直接决定了给定多个待判断的“证据”$x_1,x_2,\cdots,x_n$时，“后验”$P(Y_j|x_1x_2\cdots x_n)$的计算公式：$$
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P(Y_j|x_1x_2\cdots x_n)=P(Y_j)\cdot\frac{\Pi_{k=1}^nP(x_k|Y_j)}{P(x_1\cdots x_n)}
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$$
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（本文以“多项式”朴素贝叶斯算法为例，其它类别还有“高斯”（“证据”在区间内连续分布）以及“伯努利”（“证据”只有0和1））
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实际上只需要计算“联合概率”$P(Y_j)\cdot\Pi_{k=1}^nP(x_k|Y_j)$。
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由于计算机的浮点数精度误差，为了防止过多连乘把上述结果约成0，一般取对数，比较不同$Y_j$下$\ln P(Y_j)+\Sigma_{k=1}^n\ln P(x_k|Y_j)$的大小，来判断给定证据$x_1,x_2,\cdots,x_n$下最可能出现哪个$Y_j$。
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简单来说，“朴素”决定多“证据”下“后验”的计算公式。
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#### 3.“似然”的计算讲解
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由于“先验”$P(Y_j)$可以直接通过统计得到，“后验”$P(Y_j|X_i)$由上述公式计算而得，因此算法的技术主要在于“似然”$P(X_i|Y_j)$的计算。
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一个比较常用的技术是：**拉普拉斯平滑**。这个技术被用来解决某个$P(X_i|Y_j)=0$的情况，也就是在样本中，某个事件$Y_j$下，某个“证据”$X_i$从未出现过的情况。
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若放任$P(X_i|Y_j)=0$，可能会在给出待判断“证据”$X_i$时，$\ln P(X_i|Y_j)$不存在，以及所有的$P(Y_jX_i)=0$，无法通过比较得出目标$Y_j$。
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为了解决这个问题，在计算“似然”$P(X_i|Y_j)$时，将每个$X_i$的出现频数增加1（被称为$\alpha=1$的拉普拉斯平滑，最为常用），得到新的“似然”计算公式：$$
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P(X_i|Y_j)=\frac{N(X_i|Y_j)+1}{N(Y_j)+m}
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$$
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其中$m$表示所有会出现的“证据”$X_i$的种类数。
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#### 4.示例与相关代码
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问题：判断一封邮件是**垃圾邮件（Spam）**，还是**正常邮件（Ham）**。
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已知的样本数据：
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| 邮件 | 类别 | 包含的单词 |
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|------|------|-----------|
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| 邮件1 | Spam | 免费，优惠 |
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| 邮件2 | Spam | 免费 |
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| 邮件3 | Ham | 你好 |
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| 邮件4 | Ham | 优惠，你好 |
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所有“证据”：**免费、优惠、你好**$\to m=3$
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1. 计算先验$P(Y_j)$
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根据样本数据：$P(Spam)=\frac{1}{2},P(Ham)=\frac{1}{2}$。
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2. 计算似然$P(X_i|Y_j)$（使用$\alpha=1$的拉普拉斯平滑）：
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**Spam**：
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$$\begin{align*}
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P(免费|Spam)=\frac{2+1}{3+3}&=\frac{1}{2}\\
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||||
P(优惠|Spam)=\frac{1+1}{3+3}&=\frac{1}{3}\\
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||||
P(你好|Spam)=\frac{0+1}{3+3}&=\frac{1}{6}
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||||
\end{align*}
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$$
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**Ham**：
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$$\begin{align*}
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||||
P(免费|Ham)=\frac{0+1}{3+3}&=\frac{1}{6}\\
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||||
P(优惠|Ham)=\frac{1+1}{3+3}&=\frac{1}{3}\\
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||||
P(你好|Ham)=\frac{2+1}{3+3}&=\frac{1}{2}
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||||
\end{align*}
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$$
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1. 用“朴素”条件独立假设计算后验
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1. 示例邮件：包含“证据”：**免费、你好**
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首先计算每个事件对应的“联合概率”$P(Y_j)\cdot\Pi_{k=1}^n(x_k|Y_j)$
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**Spam**事件：$$\begin{align*}
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&P(Spam)P(免费|Spam)P(你好|Spam)\\
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&=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{6}\\
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||||
&=\frac{1}{24}
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||||
\end{align*}
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$$
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（使用对数：$\ln P(Spam)+\ln P(免费|Spam)+\ln P(你好|Spam)=-\ln24$）
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**Ham**事件：$$\begin{align*}
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&P(Ham)P(免费|Ham)P(你好|Ham)\\
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||||
&=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{6}\cdot\frac{1}{2}\\
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||||
&=\frac{1}{24}
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||||
\end{align*}
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$$
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||||
（使用对数：$\ln P(Ham)+\ln P(免费|Ham)+\ln P(你好|Ham)=-\ln24$）
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两者相等，说明有相等把握认为该邮件为Spam或Ham。
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2. 示例邮件：包含“证据”：**免费、优惠**
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首先计算每个事件对应的“联合概率”$P(Y_j)\cdot\Pi_{k=1}^n(x_k|Y_j)$
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**Spam**事件：$$\begin{align*}
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&P(Spam)P(免费|Spam)P(优惠|Spam)\\
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||||
&=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{3}\\
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||||
&=\frac{1}{12}
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||||
\end{align*}
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||||
$$
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||||
（使用对数：$\ln P(Spam)+\ln P(免费|Spam)+\ln P(优惠|Spam)=-\ln12$）
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**Ham**事件：$$\begin{align*}
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||||
&P(Ham)P(免费|Ham)P(优惠|Ham)\\
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||||
&=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{6}\cdot\frac{1}{3}\\
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||||
&=\frac{1}{36}
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||||
\end{align*}
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$$
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（使用对数：$\ln P(Ham)+\ln P(免费|Ham)+\ln P(优惠|Ham)=-\ln36$）
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$\frac{1}{12}>\frac{1}{36}$或$-\ln12>-\ln36$，表明最有可能是Spam。
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示例代码：
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```matlab
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X_train=[ % 训练样本（每行代表一封邮件，每列代表一个关键词）
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1, 1, 0; % Spam
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1, 0, 0; % Spam
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0, 0, 1; % Ham
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0, 1, 1; % Ham
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];%“免费” “优惠” “你好”
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y_train=[1,1,0,0]'; % 标签：1表示垃圾邮件，0表示正常邮件
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n_samples=length(y_train);
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n_spam=sum(y_train==1);
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n_ham=sum(y_train==0); % 计算先验概率
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P_spam=n_spam/n_samples; % P(Spam)
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P_ham=n_ham/n_samples; % P(Ham)
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alpha=1,m=3; % 拉普拉斯平滑法计算似然概率
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% 分别统计 Spam 和 Ham 类中每个特征的出现次数
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spam_samples = X_train(y_train == 1, :); % Spam类样本
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ham_samples = X_train(y_train == 0, :); % Ham类样本
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% 计算各类别的总词数（分母 N(Y_j)）
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N_spam = sum(sum(spam_samples)); % Spam类总词数 = 3
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N_ham = sum(sum(ham_samples)); % Ham类总词数 = 3
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% 计算每个特征在各类别中出现的次数（分子 N(X_i|Y_j)）
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N_feat_spam = sum(spam_samples, 1); % [2, 1, 0]
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N_feat_ham = sum(ham_samples, 1); % [0, 1, 2]
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% 应用拉普拉斯平滑公式：P(X_i|Y_j) = (N(X_i|Y_j) + alpha) / (N(Y_j) + alpha*m)
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P_feat_spam = (N_feat_spam + alpha) / (N_spam + alpha * m); % [0.5, 0.333, 0.167]
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P_feat_ham = (N_feat_ham + alpha) / (N_ham + alpha * m); % [0.167, 0.333, 0.5]
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% 测试邮件1：包含 [免费, 你好]
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test_mail_1 = [1, 0, 1]; % 免费=是，优惠=否，你好=是
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fprintf('测试邮件1：[免费, 你好]\n');
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||||
% 计算联合概率（非对数形式）
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joint_spam_1 = P_spam * prod(P_feat_spam(test_mail_1 == 1));
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joint_ham_1 = P_ham * prod(P_feat_ham(test_mail_1 == 1));
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||||
% 计算对数形式（防止数值下溢）
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log_joint_spam_1 = log(P_spam) + sum(log(P_feat_spam(test_mail_1 == 1)));
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log_joint_ham_1 = log(P_ham) + sum(log(P_feat_ham(test_mail_1 == 1)));
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||||
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||||
fprintf(' 联合概率: Spam=%.4f, Ham=%.4f\n', joint_spam_1, joint_ham_1);
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||||
fprintf(' 对数形式: Spam=%.4f, Ham=%.4f\n', log_joint_spam_1, log_joint_ham_1);
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||||
if joint_spam_1 > joint_ham_1
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||||
fprintf(' → 预测结果: 垃圾邮件(Spam)\n');
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elseif joint_spam_1 < joint_ham_1
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||||
fprintf(' → 预测结果: 正常邮件(Ham)\n');
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||||
else
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||||
fprintf(' → 预测结果: 无法判断（概率相等）\n');
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||||
end
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fprintf('\n');
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||||
% 测试邮件2：包含 [免费, 优惠]
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test_mail_2 = [1, 1, 0]; % 免费=是，优惠=是，你好=否
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fprintf('测试邮件2：[免费, 优惠]\n');
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||||
joint_spam_2 = P_spam * prod(P_feat_spam(test_mail_2 == 1));
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joint_ham_2 = P_ham * prod(P_feat_ham(test_mail_2 == 1));
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log_joint_spam_2 = log(P_spam) + sum(log(P_feat_spam(test_mail_2 == 1)));
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log_joint_ham_2 = log(P_ham) + sum(log(P_feat_ham(test_mail_2 == 1)));
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||||
fprintf(' 联合概率: Spam=%.4f, Ham=%.4f\n', joint_spam_2, joint_ham_2);
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||||
fprintf(' 对数形式: Spam=%.4f, Ham=%.4f\n', log_joint_spam_2, log_joint_ham_2);
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||||
if joint_spam_2 > joint_ham_2
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||||
fprintf(' → 预测结果: 垃圾邮件(Spam)\n');
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||||
elseif joint_spam_2 < joint_ham_2
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||||
fprintf(' → 预测结果: 正常邮件(Ham)\n');
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||||
else
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||||
fprintf(' → 预测结果: 无法判断（概率相等）\n');
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||||
end
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```
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运行结果：
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```
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测试邮件1：[免费, 你好]
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联合概率: Spam=0.0417, Ham=0.0417
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对数形式: Spam=-3.1781, Ham=-3.1781
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→ 预测结果: 无法判断（概率相等）
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测试邮件2：[免费, 优惠]
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联合概率: Spam=0.0833, Ham=0.0278
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对数形式: Spam=-2.4849, Ham=-3.5835
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→ 预测结果: 垃圾邮件(Spam)
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```
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与手动计算相吻合。
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#### 5.应用场景
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- 文本分类：垃圾邮件识别、情感分析、新闻分类
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- 推荐系统：基于用户行为的兴趣分类
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- 医疗诊断：根据症状初步判断疾病
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- 信用评估：判断用户是否会违约
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