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predict

単純ベイズ分類器の使用による観測値の分類

説明

label = predict(Mdl,X) は、学習済みの単純ベイズ分類モデル Mdl に基づいて、テーブルまたは行列 X 内の予測子データに対する予測クラス ラベルのベクトルを返します。学習済みの単純ベイズ モデルは、完全でもコンパクトでもかまいません。

[label,Posterior,Cost] = predict(Mdl,X) はさらに、事後確率 (Posterior) と、Mdl.X の観測値 (行) に対応する予測 (推定) 誤分類コスト (Cost) を返します。X 内の各観測値について、予測クラス ラベルは、すべてのクラスの中で最小の予測分類コストに対応します。

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fisheriris データセットを読み込みます。150 本のアヤメについて 4 つの花弁の測定値が含まれる数値行列 X を作成します。対応するアヤメの種類が含まれる文字ベクトルの cell 配列 Y を作成します。

load fisheriris
X = meas;
Y = species;
rng('default')  % for reproducibility

Y のクラス情報を使用して、観測値を階層的に学習セットとテスト セットに無作為に分割します。テスト用の 30% のホールドアウト標本を指定します。

cv = cvpartition(Y,'HoldOut',0.30);

学習インデックスとテスト インデックスを抽出します。

trainInds = training(cv);
testInds = test(cv);

学習データ セットとテスト データ セットを指定します。

XTrain = X(trainInds,:);
YTrain = Y(trainInds);
XTest = X(testInds,:);
YTest = Y(testInds);

予測子 XTrain とクラス ラベル YTrain を使用して、単純ベイズ分類器に学習させます。クラス名を指定することが推奨されます。fitcnb は、各予測子が条件付き正規分布に従うと仮定しています。

Mdl = fitcnb(XTrain,YTrain,'ClassNames',{'setosa','versicolor','virginica'})
Mdl = 
  ClassificationNaiveBayes
              ResponseName: 'Y'
     CategoricalPredictors: []
                ClassNames: {'setosa'  'versicolor'  'virginica'}
            ScoreTransform: 'none'
           NumObservations: 105
         DistributionNames: {'normal'  'normal'  'normal'  'normal'}
    DistributionParameters: {3x4 cell}


Mdl は学習させた ClassificationNaiveBayes 分類器です。

テスト標本のラベルを予測します。

idx = randsample(sum(testInds),10);
label = predict(Mdl,XTest);

テスト標本にある 10 件の観測値の無作為なセットについて結果を表示します。

table(YTest(idx),label(idx),'VariableNames',...
    {'TrueLabel','PredictedLabel'})
ans=10×2 table
      TrueLabel       PredictedLabel
    ______________    ______________

    {'virginica' }    {'virginica' }
    {'versicolor'}    {'versicolor'}
    {'versicolor'}    {'versicolor'}
    {'virginica' }    {'virginica' }
    {'setosa'    }    {'setosa'    }
    {'virginica' }    {'virginica' }
    {'setosa'    }    {'setosa'    }
    {'versicolor'}    {'versicolor'}
    {'versicolor'}    {'virginica' }
    {'versicolor'}    {'versicolor'}

真のラベル YTest と予測ラベル label から混同チャートを作成します。

cm = confusionchart(YTest,label);

Figure contains an object of type ConfusionMatrixChart.

単純ベイズ分類器を使用して、新しい観測値の事後確率と誤分類コストを推定します。メモリ効率の高い事前学習済みの分類器を使用して、新しい観測値を分類します。

fisheriris データセットを読み込みます。150 本のアヤメについて 4 つの花弁の測定値が含まれる数値行列 X を作成します。対応するアヤメの種類が含まれる文字ベクトルの cell 配列 Y を作成します。

load fisheriris
X = meas;
Y = species;
rng('default')  % for reproducibility

データ セットを 2 つのセットに分割します。1 つは学習セットを含め、もう 1 つは新しい未観測のデータを含めます。新しいデータセットの 10 件の観測値を保持します。

n = size(X,1);
newInds = randsample(n,10);
inds = ~ismember(1:n,newInds);
XNew = X(newInds,:);
YNew = Y(newInds);

予測子 X とクラス ラベル Y を使用して、単純ベイズ分類器に学習させます。クラス名を指定することが推奨されます。fitcnb は、各予測子が条件付き正規分布に従うと仮定しています。

Mdl = fitcnb(X(inds,:),Y(inds),...
    'ClassNames',{'setosa','versicolor','virginica'});

Mdl は学習させた ClassificationNaiveBayes 分類器です。

学習させた単純ベイズ分類器のサイズを減らし、メモリの消費量を抑えます。

CMdl = compact(Mdl);
whos('Mdl','CMdl')
  Name      Size            Bytes  Class                                                        Attributes

  CMdl      1x1              5575  classreg.learning.classif.CompactClassificationNaiveBayes              
  Mdl       1x1             12900  ClassificationNaiveBayes                                               

CMdlCompactClassificationNaiveBayes 分類器です。Mdl はデータを格納しているため、Mdl よりメモリ使用量が少なくなります。

ドット表記を使用して、CMdl のクラス名を表示します。

CMdl.ClassNames
ans = 3x1 cell
    {'setosa'    }
    {'versicolor'}
    {'virginica' }

ラベルを予測します。事後確率と予測クラスの誤分類コストを推定します。

[labels,PostProbs,MisClassCost] = predict(CMdl,XNew);

真のラベルを予測ラベルと比較します。

table(YNew,labels,PostProbs,MisClassCost,'VariableNames',...
    {'TrueLabels','PredictedLabels',...
    'PosteriorProbabilities','MisclassificationCosts'})
ans=10×4 table
      TrueLabels      PredictedLabels             PosteriorProbabilities                      MisclassificationCosts        
    ______________    _______________    _________________________________________    ______________________________________

    {'virginica' }    {'virginica' }     4.0832e-268     4.6422e-09              1             1             1    4.6422e-09
    {'setosa'    }    {'setosa'    }               1     3.0706e-18     4.6719e-25    3.0706e-18             1             1
    {'virginica' }    {'virginica' }     1.0007e-246     5.8758e-10              1             1             1    5.8758e-10
    {'versicolor'}    {'versicolor'}      1.2022e-61        0.99995     4.9859e-05             1    4.9859e-05       0.99995
    {'virginica' }    {'virginica' }      2.687e-226     1.7905e-08              1             1             1    1.7905e-08
    {'versicolor'}    {'versicolor'}      3.3431e-76        0.99971     0.00028983             1    0.00028983       0.99971
    {'virginica' }    {'virginica' }       4.05e-166      0.0028527        0.99715             1       0.99715     0.0028527
    {'setosa'    }    {'setosa'    }               1     1.1272e-14     2.0308e-23    1.1272e-14             1             1
    {'virginica' }    {'virginica' }     1.3292e-228     8.3604e-10              1             1             1    8.3604e-10
    {'setosa'    }    {'setosa'    }               1     4.5023e-17     2.1724e-24    4.5023e-17             1             1

PostProbsMisClassCost103 列の数値行列で、各行は新しい観測値に、各列はクラスに対応します。列の順序は CMdl.ClassNames の順序に対応します。

fisheriris データセットを読み込みます。150 本のアヤメについての花弁の長さと幅の測定値が含まれる数値行列 X を作成します。対応するアヤメの種類が含まれる文字ベクトルの cell 配列 Y を作成します。

load fisheriris
X = meas(:,3:4);
Y = species;

予測子 X とクラス ラベル Y を使用して、単純ベイズ分類器に学習させます。クラス名を指定することが推奨されます。fitcnb は、各予測子が条件付き正規分布に従うと仮定しています。

Mdl = fitcnb(X,Y,'ClassNames',{'setosa','versicolor','virginica'});

Mdl は学習させた ClassificationNaiveBayes 分類器です。

観測された予測子領域の値のグリッドを定義します。

xMax = max(X);
xMin = min(X);
h = 0.01;
[x1Grid,x2Grid] = meshgrid(xMin(1):h:xMax(1),xMin(2):h:xMax(2));

グリッド内の各インスタンスの事後確率を予測します。

[~,PosteriorRegion] = predict(Mdl,[x1Grid(:),x2Grid(:)]);

事後確率領域と学習データをプロットします。

h = scatter(x1Grid(:),x2Grid(:),1,PosteriorRegion);
h.MarkerEdgeAlpha = 0.3;

データをプロットする。

hold on
gh = gscatter(X(:,1),X(:,2),Y,'k','dx*');
title 'Iris Petal Measurements and Posterior Probabilities';
xlabel 'Petal length (cm)';
ylabel 'Petal width (cm)';
axis tight
legend(gh,'Location','Best')
hold off

Figure contains an axes object. The axes object with title Iris Petal Measurements and Posterior Probabilities, xlabel Petal length (cm), ylabel Petal width (cm) contains 4 objects of type scatter, line. One or more of the lines displays its values using only markers These objects represent setosa, versicolor, virginica.

入力引数

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単純ベイズ分類モデル。fitcnb によって返される ClassificationNaiveBayes モデル オブジェクト、または compact によって返される CompactClassificationNaiveBayes モデル オブジェクトとして指定します。

分類対象の予測子データ。数値行列またはテーブルを指定します。

X の各行は 1 つの観測値に対応し、各列は 1 つの変数に対応します。

  • 数値行列の場合

    • X の列を構成する変数の順序は、Mdl に学習させた予測子変数の順序と同じでなければなりません。

    • テーブル (たとえば Tbl) を使用して Mdl に学習させる場合、Tbl に含まれている予測子変数が数値変数のみであれば、X を数値行列にすることができます。学習時に Tbl 内の数値予測子をカテゴリカルとして扱うには、fitcnb の名前と値のペアの引数 'CategoricalPredictors' を使用してカテゴリカル予測子を同定します。Tbl に種類の異なる予測子変数 (数値および categorical データ型など) が混在し、X が数値行列である場合、predict でエラーがスローされます。

  • テーブルの場合

    • predict は、文字ベクトルの cell 配列ではない cell 配列や複数列の変数をサポートしません。

    • テーブル (たとえば Tbl) を使用して Mdl に学習をさせた場合、X 内のすべての予測子変数は変数名およびデータ型が、Mdl に学習させた (Mdl.PredictorNames に格納されている) 変数と同じでなければなりません。ただし、X の列の順序が Tbl の列の順序に対応する必要はありません。TblX に追加の変数 (応答変数や観測値の重みなど) を含めることができますが、predict はこれらを無視します。

    • 数値行列を使用して Mdl に学習をさせる場合、Mdl.PredictorNames 内の予測子名と X 内の対応する予測子変数名が同じでなければなりません。学習時に予測子の名前を指定するには、fitcnb の名前と値のペアの引数 'PredictorNames' を使用します。X 内の予測子変数はすべて数値ベクトルでなければなりません。X に追加の変数 (応答変数や観測値の重みなど) を含めることができますが、predict はこれらを無視します。

データ型: table | double | single

メモ:

  • Mdl.DistributionNames'mn' の場合、少なくとも 1 つの NaN を含む X の行に対応する NaN が返されます。

  • Mdl.DistributionNames'mn' 以外の場合、誤分類コストと事後確率を推定するときに NaN の値は無視されます。特に、欠損する予測子値に対応する要因を除外することで、クラスの与えられた予測子の条件付き密度が計算されます。

  • 予測子の分布として 'mvmn' を指定した場合、X に含まれるレベルが学習データに示されていない (つまり、その予測子に対する Mdl.CategoricalLevels にない) と、指定クラスに対する予測子の条件付き密度は 0 になります。このような観測値の場合、対応する Posterior の値として NaN が返されます。Mdl.Prior に格納されたクラス事前確率を使用して、観測のクラス ラベルが決定されます。

出力引数

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予測クラス ラベル。categorical ベクトル、文字配列、logical ベクトル、数値ベクトル、または文字ベクトルの cell 配列として返されます。

予測クラス ラベルは以下をもちます。

  • 観測されたクラス ラベル (Mdl.Y) と同じデータ型 (string 配列は文字ベクトルの cell 配列として扱われます)。

  • Mdl.X の行数と等しい長さ。

  • 予測誤分類コスト (Cost) が最低になるクラス。

クラスの事後確率。数値行列として返されます。Posterior は、Mdl.X の行数に等しい行と、学習データ (size(Mdl.ClassNames,1)) の個々のクラスの数に等しい列をもちます。

Posterior(j,k) は、Mdl.X の行 j の観測が与えられたクラス k (クラス Mdl.ClassNames(k) 内) の予測事後確率です。

予測誤分類コスト。数値行列として返されます。Cost は、Mdl.X の行数に等しい行と、学習データ (size(Mdl.ClassNames,1)) の個々のクラスの数に等しい列をもちます。

Cost(j,k) はクラス k (クラス Mdl.ClassNames(k) 内) で予測される Mdl.X の行 j の観測値の予測誤分類コストです。

詳細

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誤分類コスト

"誤分類コスト" は、観測を誤ったクラスにラベル付けする分類器の相対的な重大度です。

誤分類コストには、真と予測の 2 種類があります。K をクラスの数と仮定します。

  • "真の誤分類コスト" — K 行 K 列の行列で、要素 (i,j) は、真のクラスが i である場合に観測値をクラス j に分類するコストを示します。誤分類コストはプロパティ Mdl.Cost に格納され、計算に使用されます。既定の設定では、ij の場合に Mdl.Cost(i,j) = 1 で、i = j の場合Mdl.Cost(i,j) = 0 です。つまり、正しい分類のコストは 0 で、誤った分類では 1 です。

  • "予測誤分類コスト" — K 次元のベクトルで、要素 k は、観測値をクラス k に分類するクラス事後確率で重み付けされた加重平均コストです。

    ck=j=1KP^(Y=j|x1,...,xP)Costjk.

    つまり、観測値は予測誤分類コストが最も低いクラスに分類されます。

事後確率

"事後確率" はデータが与えられる場合に、観測値が特定のクラスに属している確率です。

単純ベイズの場合、与えられた観測値 (x1,...,xP) の分類が k になる事後確率は次のようになります。

P^(Y=k|x1,..,xP)=P(X1,...,XP|y=k)π(Y=k)P(X1,...,XP),

ここで

  • P(X1,...,XP|y=k) は、予測子がクラス k に含まれる場合の条件付き同時密度です。予測子の分布名は Mdl.DistributionNames に格納します。

  • π(Y = k) はクラスの事前確率の分布です。Mdl.Prior は事前分布を保存します。

  • P(X1,..,XP) は予測子の同時密度です。各クラスは離散的なので、次のようになります。P(X1,...,XP)=k=1KP(X1,...,XP|y=k)π(Y=k).

事前確率

クラスの "事前確率" は、母集団内でそのクラスの観測値が出現すると考えられる相対頻度です。

代替機能

Simulink ブロック

Simulink® に単純ベイズ分類モデルの予測を統合するには、Statistics and Machine Learning Toolbox™ ライブラリにある ClassificationNaiveBayes Predict ブロックを使用するか、MATLAB® Function ブロックを関数 predict と共に使用します。例については、Predict Class Labels Using ClassificationNaiveBayes Predict BlockMATLAB Function ブロックの使用によるクラス ラベルの予測を参照してください。

使用するアプローチを判断する際は、以下を考慮してください。

  • Statistics and Machine Learning Toolbox ライブラリ ブロックを使用する場合、固定小数点ツール (Fixed-Point Designer)を使用して浮動小数点モデルを固定小数点に変換できます。

  • MATLAB Function ブロックを関数 predict と共に使用する場合は、可変サイズの配列に対するサポートを有効にしなければなりません。

  • MATLAB Function ブロックを使用する場合、予測の前処理や後処理のために、同じ MATLAB Function ブロック内で MATLAB 関数を使用することができます。

拡張機能

バージョン履歴

R2014b で導入