机器学习——决策树模型

决策树原理

算法概述

从根节点开始一步步走到叶子节点（决策）

所有数据最终都会落到叶子节点，既可以做分类也可以做回归

例如上例，输入一个数据后，先判断他的年龄，然后再判断性别

在决策树中，根节点的决策效果较强——即能够明显的将数据划分（分类的效果最好）

因此，对于每个节点特征的选取，为决策树需要解决的核心内容

树的组成

根节点：第一个选择点

叶子节点：最终的决策结果

非叶子节点与分支：中间过程

决策树的训练与测试阶段

训练阶段：从给定的训练集中构造出一棵树。从根结点开始选择特征，如何进行特征切分，最终形成决策树的过程（核心部分）

测试阶段：根据构造出的树模型从上到下走一遍

熵

熵表示随机变量不确定性的度量，是一种衡量标准，通过熵来计算不同特征进行分治选择后的分类情况，从而找出来最好的那个当成根节点，以此类推

当物体内部越混乱时，即不确定性越强时，熵值越高

例如：

A集合 $[1,1,1,1,1,2,2]$

B集合 $[1,2,3,5,4,4,6]$

显然A集合的熵值更低，因为A里面的种类较少，相对更稳定一点，而B中的种类较多，熵值就比较大

熵的公式
$$H(X)=-\sum _{i=1}^n{p}_i\log p_i$$
其中，$p_i$ 表示第 $i$ 中物品在集合中出现的概率

由于乘上了一个对数函数，而 $p_i$ 的取值范围为 $[0,1]$，因此，当出现概率越大（越接近于1）时，$H(X)$越小，即表明了，内部越稳定，熵值越低

信息增益：表示特征 $X$ 使得类 $Y$ 的不确定性减少的程度

决策树基于信息增益进行模型的构建与训练

决策树构造实例

根据数据特征数量，确定决策树节点数量

例如该数据，共有四种特征，因此需要四种划分方式，即：

• 基于天气的划分
• 基于温度的划分
• 基于湿度的划分
• 基于有风的划分

然后，分别计算每种划分的信息增益（划分后的熵值减去划分前的熵值）

例如，对于天气的划分，如下：

计算三种熵值：

• sunny，熵值为0.971
• overcast，熵值为0
• rainy，熵值为0.971

然后，由于三种取值的概率不一样，因此需要对三种熵值进行线性加权，最终得到天气划分的熵值为0.693

而划分之前数据的熵值为0.940，最终得到信息增益为 $0.940-0.693=0.247$

运用同样方法，对特征进行遍历，依次算出其他划分情况的信息增益，选择最大的信息增益，作为根节点。

在选取完根节点的情况下，再对特征进行遍历计算信息增益，选择下一节点 $\dots$

信息增益率

如果我们存在类似于 id 的特征，即每个样本的该特征都是独一无二的，对于该特征的划分，划分之后数据的熵为0。如果使用信息增益的话，会把 id 作为根节点，但实际情况中，当种类很多时，这种类似 id 的特征对我们最后的任务没有很大的作用。因此，使用信息增益的话就会出现很大的问题，即信息增益不适合解决具有非常稀疏的特征的样本集

为了解决该问题，可以使用信息增益率，即考虑自身熵

GINI系数

GINI系数和熵类似，都是一种衡量标准，但计算方式不同

GINI系数公式
$$Gini(p)=\sum _{k=1}^K{p}_k(1-p_k)=1-\sum _{k-1}^K{p}_k^2$$
其中，$p_k$ 代表出现的概率

剪枝策略

决策树过拟合风险很大，因为理论上决策树可以做的无限的庞大，可以完全分得开数据，因此需要对建立的决策树进行剪枝操作，防止过拟合

预剪枝

边建立决策树边进行剪枝，是最实用的方法

预剪枝方法：

• 限制决策树深度
• 限制叶子节点个数
• 规定叶子节点样本最低数目
• 规定信息增益最低值

即，在建立决策树的同时，设置一些参数，防止决策树过于庞大，但这些参数还需要根据实际情况具体设定（实验交叉验证观察哪个参数值效果好）

后剪枝

当建立完决策树后再进行剪枝操作

后剪枝方法

通过一定的衡量标准去指定后剪枝方法：
$$C_{\alpha }(T)=C(T)+\alpha |T_{leaf}|$$
其中，$C(T)$ 为当前节点的信息熵值，$T_{leaf}$是叶子节点个数

上述公式表明，叶子节点越多，损失越大

决策树代码实现（基于sklearn）

决策树算法整体流程：

• 构建数据集
• 选取根节点
• 依次向下选取其他节点——分支（递归方法创建）

导入相应的包

import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import datasets
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.tree import plot_tree

• matplotlib.pyplot 用于画图，可视化数据
• datasets 用于下载sklearn里自带的数据集（这里使用鸢尾花数据）
• DecisionTreeClassifier 为sklearn中决策树模块
• plot_tree 用于最后树模型可视化

数据集

基于sklearn中的鸢尾花数据集

iris = datasets.load_iris()
# print(iris.data)
X = iris.data[:, 2:]
y = iris.target

通过打印y的信息，发现最终的分类只有三类，将数据可视化，观察其空间分布，如下：

plt.scatter(X[y == 0, 0], X[y == 0, 1])
plt.scatter(X[y == 1, 0], X[y == 1, 1])
plt.scatter(X[y == 2, 0], X[y == 2, 1])
plt.show()

由此，我们可以大致确定决策树的层次为二层

决策树模型建立

sklearn中决策树模型

• DecisionTreeClassifier 主要用于分类
• DecisionTreeRegression 主要用于回归

在这里我们采用分类树

模型建立

tree = DecisionTreeClassifier(max_depth=2, criterion='entropy')

• max_depth 指定树的深度
• criterion 指定损失函数

模型训练

tree.fit(X, y)

树模型可视化

plot_tree(tree, filled=True)
plt.show()