演算法十經

1. 數據挖掘十大經典演算法（1）——樸素貝葉斯(Naive Bayes)

在此推出一個演算法系列的科普文章。我們大家在平時埋頭工程類工作之餘，也可以抽身對一些常見演算法進行了解，這不僅可以幫助我們拓寬思路，從另一個維度加深對計算機技術領域的理解，做到觸類旁通，同時也可以讓我們搞清楚一些既熟悉又陌生的領域——比如數據挖掘、大數據、機器學習——的基本原理，揭開它們的神秘面紗，了解到其實很多看似高深的領域，其實背後依據的基礎和原理也並不復雜。而且，掌握各類演算法的特點、優劣和適用場景，是真正從事數據挖掘工作的重中之重。只有熟悉演算法，才可能對紛繁復雜的現實問題合理建模，達到最佳預期效果。

本系列文章的目的是力求用最干練而生動的講述方式，為大家講解由國際權威的學術組織the IEEE International Conference on Data Mining (ICDM) 於2006年12月評選出的數據挖掘領域的十大經典演算法。它們包括：

本文作為本系列的第一篇，在介紹具體演算法之前，先簡單為大家鋪墊幾個數據挖掘領域的常見概念：

在數據挖掘領域，按照演算法本身的行為模式和使用目的，主要可以分為分類(classification)，聚類(clustering)和回歸(regression)幾種，其中：

打幾個不恰當的比方 ：

另外，還有一個經常有人問起的問題，就是 數據挖掘 和 機器學習 這兩個概念的區別，這里一句話闡明我自己的認識：機器學習是基礎，數據挖掘是應用。機器學習研製出各種各樣的演算法，數據挖掘根據應用場景把這些演算法合理運用起來，目的是達到最好的挖掘效果。

當然，以上的簡單總結一定不夠准確和嚴謹，更多的是為了方便大家理解打的比方。如果大家有更精當的理解，歡迎補充和交流。

好了，鋪墊了這么多，現在終於進入正題！
作為本系列入門的第一篇，先為大家介紹一個容易理解又很有趣的演算法—— 樸素貝葉斯 。

先站好隊，樸素貝葉斯是一個典型的 有監督的分類演算法 。

光從名字也可以想到，要想了解樸素貝葉斯，先要從 貝葉斯定理 說起。
貝葉斯定理是我們高中時代學過的一條概率學基礎定理，它描述了條件概率的計算方式。不要怕已經把這些知識還給了體育老師，相信你一看公式就能想起來。

P(A|B)表示事件B已經發生的前提下，事件A發生的概率，叫做事件B發生下事件A的條件概率。其基本求解公式為：

其中，P(AB)表示A和B同時發生的概率，P(B)標識B事件本身的概率。

貝葉斯定理之所以有用，是因為我們在生活中經常遇到這種情況：我們可以很容易直接得出P(A|B)，P(B|A)則很難直接得出，但我們更關心P(B|A)。

而貝葉斯定理就為我們打通從P(A|B)獲得P(B|A)的道路。
下面不加證明地直接給出貝葉斯定理：

有了貝葉斯定理這個基礎，下面來看看樸素貝葉斯演算法的基本思路。

你看，其思想就是這么的樸素。那麼，屬於每個分類的概率該怎麼計算呢？下面我們先祭出形式化語言！

那麼現在的關鍵就是如何計算第3步中的各個條件概率。我們可以這么做：

因為分母對於所有類別為常數，因為我們只要將分子最大化皆可。又因為各特徵屬性是條件獨立的，所以有：

如果你也跟我一樣，對形式化語言有嚴重生理反應，不要怕，直接跳過前面這一坨，我們通過一個鮮活的例子，用人類的語言再解釋一遍這個過程。

某個醫院早上收了六個門診病人，如下表。

現在又來了第七個病人，是一個打噴嚏的建築工人。請問他最有可能患有何種疾病？

本質上，這就是一個典型的分類問題， 症狀 和 職業 是特徵屬性， 疾病種類 是目標類別

根據 貝葉斯定理

可得

假定"打噴嚏"和"建築工人"這兩個特徵是獨立的，因此，上面的等式就變成了

這是可以計算的。

因此，這個打噴嚏的建築工人，有66%的概率是得了感冒。同理，可以計算這個病人患上過敏或腦震盪的概率。比較這幾個概率，就可以知道他最可能得什麼病。

接下來，我們再舉一個樸素貝葉斯演算法在實際中經常被使用的場景的例子—— 文本分類器 ，通常會用來識別垃圾郵件。
首先，我們可以把一封郵件的內容抽象為由若干關鍵片語成的集合，這樣是否包含每種關鍵詞就成了一封郵件的特徵值，而目標類別就是 屬於垃圾郵件 或 不屬於垃圾郵件

假設每個關鍵詞在一封郵件里出現與否的概率相互之間是獨立的，那麼只要我們有若干已經標記為垃圾郵件和非垃圾郵件的樣本作為訓練集，那麼就可以得出，在全部垃圾郵件（記為Trash）出現某個關鍵詞Wi的概率，即 P(Wi|Trash)

而我們最重要回答的問題是，給定一封郵件內容M，它屬於垃圾郵件的概率是多大，即 P(Trash|M)

根據貝葉斯定理，有

我們先來看分子：
P(M|Trash) 可以理解為在垃圾郵件這個范疇中遇見郵件M的概率，而一封郵件M是由若干單詞Wi獨立匯聚組成的，只要我們所掌握的單詞樣本足夠多，因此就可以得到

這些值我們之前已經可以得到了。

再來看分子里的另一部分 P(Trash) ，這個值也就是垃圾郵件的總體概率，這個值顯然很容易得到，用訓練集中垃圾郵件數除以總數即可。

而對於分母來說，我們雖然也可以去計算它，但實際上已經沒有必要了，因為我們要比較的 P(Trash|M) 和 P(non-Trash|M) 的分母都是一樣的，因此只需要比較分子大小即可。

這樣一來，我們就可以通過簡單的計算，比較郵件M屬於垃圾還是非垃圾二者誰的概率更大了。

樸素貝葉斯的英文叫做 Naive Bayes ，直譯過來其實是 天真的貝葉斯 ，那麼他到底天真在哪了呢？

這主要是因為樸素貝葉斯的基本假設是所有特徵值之間都是相互獨立的，這才使得概率直接相乘這種簡單計算方式得以實現。然而在現實生活中，各個特徵值之間往往存在一些關聯，比如上面的例子，一篇文章中不同單詞之間一定是有關聯的，比如有些詞總是容易同時出現。

因此，在經典樸素貝葉斯的基礎上，還有更為靈活的建模方式—— 貝葉斯網路（Bayesian Belief Networks, BBN） ，可以單獨指定特徵值之間的是否獨立。這里就不展開了，有興趣的同學們可以做進一步了解。

最後我們來對這個經典演算法做個點評：

優點：

缺點：

好了，對於 樸素貝葉斯 的介紹就到這里，不知道各位看完之後是否會對數據挖掘這個領域產生了一點興趣了呢？

2. "算經十書"是誰的著作

《周髀算鄭攔經》。從它的成書時間來看,它並非一人一時之作,而是對先秦數學成就的總結,是集體智慧的結晶。

<九章算術>
西漢早期的著名數學家張蒼（前201—前152）、耿壽昌等人都曾經對它進行過增訂刪補

《孫子算經》的作者與編纂年代史書沒有確實的記載.大約在公元四,五世紀,成書於祖沖之以前

《五曹算經》北周甄鸞

《夏侯陽算經》作者夏侯陽,史家大多同意其為晉朝人

《張丘建算經》張丘建

<海島算經》三國時期劉徽（約225—約295）所作

《綴術》是南北朝時期著名數學家祖沖之的著作

《五經算術》一般認為是甄鸞所作 但亦有數學史家認為沒有根據 ，目的是對《尚書》、《詩經》、《周易》、《周官》、《禮記》、《論清叢返語》等古代經籍，有需要用數學知識或計算技能的地方，都作了詳細的註解。

這十部算書，以《周髀算經》為最早，不知道它的作者是誰，據考證，它成書的年代當不晚於西漢後期（公元前一世紀）。《周髀算經》不僅是數學著作，更確切地說，它是講述當時的一派天文學學說——「蓋天說」的天文著作。就其中的數學內容來說，書中答飢記載了用勾股定理來進行的天文計算，還有比較復雜的分數計算。當然不能說這兩項演算法都是到公元前一世紀才為人們所掌握，它僅僅說明在現在已經知道的資料中，《周髀算經》是比較早的記載。

3. 面試官常問十大經典演算法排序（用python實現）

演算法是一種與語言無關的東西，更確切地說就算解決問題的思路，就是一個通用的思想的問題。代碼本身不重要，演算法思想才是重中之重

我們在面試的時候總會被問到一下演算法，雖然演算法是一些基礎知識，但是難起來也會讓人非常頭疼。

排序演算法應該算是一些簡單且基礎的演算法，但是我們可以從簡單的演算法排序鍛煉我們的演算法思維。這里我就介紹經典十大演算法用python是怎麼實現的。

十大經典演算法可以分為兩大類：

比較排序： 通過對數組中的元素進行比較來實現排序。

非比較排序： 不通過比較來決定元素間的相對次序。

演算法復雜度

冒泡排序比較簡單，幾乎所有語言演算法都會涉及的冒泡演算法。

基本原理是兩兩比較待排序數據的大小 ，當兩個數據的次序不滿足順序條件時即進行交換，反之，則保持不變。

每次選擇一個最小（大）的，直到所有元素都被輸出。

將第一個元素逐個插入到前面的有序數中，直到插完所有元素為止。

從大范圍到小范圍進行比較-交換，是插入排序的一種，它是針對直接插入排序演算法的改進。先對數據進行預處理，使其基本有序，然後再用直接插入的排序演算法排序。

該演算法是採用 分治法 對集合進行排序。

把長度為n的輸入序列分成兩個長度為n/2的子序列，對這兩個子序列分別採用歸並排序，最終合並成序列。

選取一個基準值，小數在左大數在在右。

利用堆這種數據結構所設計的一種排序演算法。

堆是一個近似完全二叉樹的結構，並同時滿足堆積的性質：即子結點的鍵值或索引總是小於（或者大於）它的父節點。利用最大堆和最小堆的特性。

採用字典計數-還原的方法，找出待排序的數組中最大和最小的元素，統計數組中每個值為i的元素出現的次數，對所有的計數累加，將每個元素放在新數組依次排序。

設置一個定量的數組當作空桶；遍歷輸入數據，並且把數據一個一個放到對應的桶里去；對每個不是空的桶進行排序；從不是空的桶里把排好序的數據拼接起來。

元素分布在桶中：

然後，元素在每個桶中排序：

取得數組中的最大數，並取得位數；從最低位開始取每個位組成新的數組；然後進行計數排序。

上面就是我整理的十大排序演算法，希望能幫助大家在演算法方面知識的提升。看懂之後可以去試著自己到電腦上運行一遍。最後說一下每個排序是沒有調用數據的，大家記得實操的時候要調用。

參考地址：https://www.runoob.com/w3cnote/ten-sorting-algorithm.html

4. 十大經典演算法之動圖演示

前面好奇心已經帶大家從 冒泡排序 開始，一直到 基數排序 ，從頭過了一遍，那麼這里歸納一下，將 十個經典演算法 的 演示圖 都放出來，供大家對比參考學習。

每張圖都會附帶詳細 解說鏈接 ，有需要的同學可以 點擊詳細了解學習 。

Python 實現經典演算法之冒泡排序

Python 實現經典演算法之選擇排序

Python 實現經典演算法之插入排序

Python 實現經典演算法之希爾排序

Python 實現經典演算法之歸並排序

Python 實現經典演算法之堆排序

Python 實現經典演算法之快速排序

Python 實現經典演算法之計數排序

Python 實現經典演算法之桶排序

Python 實現經典演算法之基數排序

好了，上面就是 經典十大排序演算法 的圖片演示了，我 盡可能 的都是放了動圖。

部分文章裡面可能不止一張圖片，我這里礙於篇幅和排版，就沒放。有需要的同學也可以 點擊 附帶的 鏈接 詳細 學習

5. 數據挖掘的十大經典演算法，總算是講清楚了，想提升自己的趕快收藏

一個優秀的數據分析師，除了要掌握基本的統計學、數據分析思維、數據分析工具之外，還需要掌握基本的數據挖掘思想，幫助我們挖掘出有價值的數據，這也是數據分析專家和一般數據分析師的差距所在。

國際權威的學術組織the IEEE International Conference on Data Mining (ICDM) 評選出了數據挖掘領域的十大經典演算法：C4.5, k-Means, SVM, Apriori, EM, PageRank, AdaBoost, kNN, Naive Bayes, and CART.

不僅僅是選中的十大演算法，其實參加評選的18種演算法，實際上隨便拿出一種來都可以稱得上是經典演算法，它們在數據挖掘領域都產生了極為深遠的影響。今天主要分享其中10種經典演算法，內容較干，建議收藏備用學習。

1. C4.5

C4.5演算法是機器學習演算法中的一種分類決策樹演算法,其核心演算法是ID3演算法. C4.5演算法繼承了ID3演算法的優點，並在以下幾方面對ID3演算法進行了改進：

1) 用信息增益率來選擇屬性，克服了用信息增益選擇屬性時偏向選擇取值多的屬性的不足；

2) 在樹構造過程中進行剪枝；

3) 能夠完成對連續屬性的離散化處理；

4) 能夠對不完整數據進行處理。

C4.5演算法有如下優點：產生的分類規則易於理解，准確率較高。其缺點是：在構造樹的過程中，需要對數據集進行多次的順序掃描和排序，因而導致演算法的低效（相對的CART演算法只需要掃描兩次數據集，以下僅為決策樹優缺點）。

2. The k-means algorithm 即K-Means演算法

k-means algorithm演算法是一個聚類演算法，把n的對象根據他們的屬性分為k個分割，k < n。它與處理混合正態分布的最大期望演算法很相似，因為他們都試圖找到數據中自然聚類的中心。它假設對象屬性來自於空間向量，並且目標是使各個群組內部的均 方誤差總和最小。

3. Support vector machines

支持向量機，英文為Support Vector Machine，簡稱SV機（論文中一般簡稱SVM）。它是一種監督式學習的方法，它廣泛的應用於統計分類以及回歸分析中。支持向量機將向量映射到一個更 高維的空間里，在這個空間里建立有一個最大間隔超平面。在分開數據的超平面的兩邊建有兩個互相平行的超平面。分隔超平面使兩個平行超平面的距離最大化。假定平行超平面間的距離或差距越大，分類器的總誤差越小。一個極好的指南是C.J.C Burges的《模式識別支持向量機指南》。van der Walt 和 Barnard 將支持向量機和其他分類器進行了比較。

4. The Apriori algorithm

Apriori演算法是一種最有影響的挖掘布爾關聯規則頻繁項集的演算法。其核心是基於兩階段頻集思想的遞推演算法。該關聯規則在分類上屬於單維、單層、布爾關聯規則。在這里，所有支持度大於最小支持度的項集稱為頻繁項集，簡稱頻集。

5. 最大期望(EM)演算法

在統計計算中，最大期望（EM，Expectation–Maximization）演算法是在概率（probabilistic）模型中尋找參數最大似然 估計的演算法，其中概率模型依賴於無法觀測的隱藏變數（Latent Variabl）。最大期望經常用在機器學習和計算機視覺的數據集聚（Data Clustering）領域。

6. PageRank

PageRank是Google演算法的重要內容。2001年9月被授予美國專利，專利人是Google創始人之一拉里·佩奇（Larry Page）。因此，PageRank里的page不是指網頁，而是指佩奇，即這個等級方法是以佩奇來命名的。

PageRank根據網站的外部鏈接和內部鏈接的數量和質量倆衡量網站的價值。PageRank背後的概念是，每個到頁面的鏈接都是對該頁面的一次投票， 被鏈接的越多，就意味著被其他網站投票越多。這個就是所謂的「鏈接流行度」——衡量多少人願意將他們的網站和你的網站掛鉤。PageRank這個概念引自 學術中一篇論文的被引述的頻度——即被別人引述的次數越多，一般判斷這篇論文的權威性就越高。

7. AdaBoost

Adaboost是一種迭代演算法，其核心思想是針對同一個訓練集訓練不同的分類器(弱分類器)，然後把這些弱分類器集合起來，構成一個更強的最終分類器 (強分類器)。其演算法本身是通過改變數據分布來實現的，它根據每次訓練集之中每個樣本的分類是否正確，以及上次的總體分類的准確率，來確定每個樣本的權 值。將修改過權值的新數據集送給下層分類器進行訓練，最後將每次訓練得到的分類器最後融合起來，作為最後的決策分類器。

8. kNN: k-nearest neighbor classification

K最近鄰(k-Nearest Neighbor，KNN)分類演算法，是一個理論上比較成熟的方法，也是最簡單的機器學習演算法之一。該方法的思路是：如果一個樣本在特徵空間中的k個最相似(即特徵空間中最鄰近)的樣本中的大多數屬於某一個類別，則該樣本也屬於這個類別。

9. Naive Bayes

在眾多的分類模型中，應用最為廣泛的兩種分類模型是決策樹模型(Decision Tree Model)和樸素貝葉斯模型（Naive Bayesian Model，NBC）。 樸素貝葉斯模型發源於古典數學理論，有著堅實的數學基礎，以及穩定的分類效率。

同時，NBC模型所需估計的參數很少，對缺失數據不太敏感，演算法也比較簡單。理論上，NBC模型與其他分類方法相比具有最小的誤差率。 但是實際上並非總是如此，這是因為NBC模型假設屬性之間相互獨立，這個假設在實際應用中往往是不成立的，這給NBC模型的正確分類帶來了一定影響。在屬 性個數比較多或者屬性之間相關性較大時，NBC模型的分類效率比不上決策樹模型。而在屬性相關性較小時，NBC模型的性能最為良好。

10. CART: 分類與回歸樹

CART, Classification and Regression Trees。 在分類樹下面有兩個關鍵的思想。第一個是關於遞歸地劃分自變數空間的想法（二元切分法）；第二個想法是用驗證數據進行剪枝（預剪枝、後剪枝）。在回歸樹的基礎上的模型樹構建難度可能增加了，但同時其分類效果也有提升。

參考書籍：《機器學習實戰》