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机器学习之随机森林算法实现和特征重要性排名可视化

article 2025/1/9 7:00:21

随机森林算法实现和特征重要性排名可视化

1 随机森林算法

1.1 概念

是一种基于树模型的集成学习方法，它通过在训练过程中构建多棵决策树，并对这些树的预测结果进行投票或平均，从而提高预测的准确性和稳定性。

1.2 主要特点

集成学习：随机森林通过组合多棵决策树来提高预测性能。每棵树都是一个弱学习器，随机森林将这些弱学习器集成为一个强学习器。
随机性：在构建每棵树时，随机森林采用了两种随机性：
- 样本随机性：从原始数据集中随机有放回地抽取一定比例的样本（通常为全部样本的约63.2%）来训练每棵树。
- 特征随机性：在每棵树的节点分裂时，从所有特征中随机选择一部分特征进行考虑。
抗过拟合：由于随机森林在构建每棵树时引入了随机性，使得模型具有很好的抗过拟合能力。
泛化能力：随机森林在很多问题上都有很好的表现，适用于分类和回归任务。
特征重要性评估：随机森林可以提供特征重要性的评估，有助于理解数据特征对模型预测的影响。

1.3 优缺点

优点
- 准确率高，抗噪声能力强
- 能处理高维度数据
缺点
- 对时间空间有一定要求
- 对解释型模型判断不准确

1.4 步骤

从原始数据集中随机有放回地抽取N个样本。
在每个节点分裂时，从所有特征中随机选择k个特征，然后选择最优的特征和分裂点。
重复步骤1和步骤2，直到达到预设的树的数量或深度。
对于分类问题，采用多数投票法来确定最终类别；对于回归问题，采用平均值来确定最终预测值。

1.5 函数及参数

1.5.1 函数导入

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

1.5.2 参数

n_estimators: 决策树的数量，默认为100。增加数量可以提高性能，但也会使训练时间增加。
criterion: 衡量分裂质量的函数。默认是“gini”用于基尼不纯度，另一个选项是“entropy”用于信息增益。
max_depth: 树的最大深度。如果为None，则节点会扩展直到所有叶子都是纯的或者直到所有叶子包含小于min_samples_split个样本。限制树深度可以防止过拟合。
min_samples_split: 内部节点再划分所需的最小样本数，默认为2。
min_samples_leaf: 叶子节点最少样本数，默认为1。
min_weight_fraction_leaf: 叶子节点最小的权重分数，默认为0，即不考虑权重。
max_features: 寻找最佳分割时要考虑的特征数量。可以是特征数量的整数，或者小数表示的百分比，或者“auto”（特征数量的平方根），“sqrt”，“log2”。
max_leaf_nodes: 以最优的方式使用最大叶子节点数来增长树。如果为None，则叶子节点数量不受限制。
bootstrap: 是否在构建树时使用放回抽样，默认为True。
oob_score: 是否使用袋外样本来估计泛化精度，默认为False。
n_jobs: 并行运行工作的数量。如果为-1，则使用所有处理器。
random_state: 控制构建树时随机性的种子（用于 reproducibility）。
verbose: 控制树构建过程的冗余度。
warm_start: 当设置为True时，重用之前的解决方案以适应新数据，并在增加新的树时保留现有的树。
class_weight: 用于标定不同类别的权重，可以是一个字典或者“balanced”，默认为None。

这些参数中，n_estimators, max_depth, min_samples_split, min_samples_leaf, 和 max_features 是最常调整的超参数，以优化随机森林模型的表现。在使用随机森林时，通常需要通过交叉验证来选择这些参数的最佳值。

1.6 特征重要性排名

RandomForestClassifier().feature_importances_，返回值为ndarray数组

2 实际代码测试

数据：

在这里插入图片描述

可以看到各个率都很高
代码展示：

import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn import metrics
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.metrics import confusion_matrix
from pylab import mpl
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

data = pd.read_csv('creditcard.csv')
a = data[['Amount']]
b = data['Amount']
# z标准化处理Amount，再存Amount中
scaler = StandardScaler()
data['Amount'] = scaler.fit_transform(data[['Amount']])
# 删除time列
data = data.drop(['Time'],axis=1)
# 特征数据x,删除class列
x = data.drop(['Class'],axis=1)
# class为标签结果列
y = data.Class

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=120,max_features=0.8,random_state=314,n_jobs=-1)
x_tr,x_te,y_tr,y_te = \
    train_test_split(x, y, test_size=0.2,random_state=314)
np.random.seed(seed=4)
# 随机种子
x_tr['Class'] = y_tr
data_tr = x_tr
pt_eg = data_tr[data_tr['Class'] == 0]
ng_eg = data_tr[data_tr['Class'] == 1]
pt_eg = pt_eg.sample(len(ng_eg))
data_c = pd.concat([pt_eg,ng_eg])
x_data_c = data_c.drop(['Class'],axis=1)
y_data_c = data_c['Class']
rfc.fit(x_data_c,y_data_c)
x_tr_pr = rfc.predict(x_data_c)
print(metrics.classification_report(y_data_c ,x_tr_pr))
x_te_pr = rfc.predict(x_te)
print(metrics.classification_report(y_te,x_te_pr))
# 排名
importances = rfc.feature_importances_
im = pd.DataFrame(importances,columns=['importances'])
clos = data.columns
clos_1 = clos.values
clos_2 = clos_1.tolist()
clos = clos_2[0:-1]
im['clos'] = clos
im = im.sort_values(by=['importances'],ascending=False)[:10]
# 中文
mpl.rcParams["font.sans-serif"] = ['Microsoft YaHei']
mpl.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
index = range(len(im))
plt.yticks(index,im.clos)
plt.barh(index,im["importances"])
plt.show()