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如何构建多层决策树

article 2025/1/9 13:42:55

构建一颗多层的决策树时，通过递归选择最佳划分特征（依据 信息增益 或 基尼系数）对数据集进行划分，直到满足停止条件（例如叶节点纯度达到要求或树的深度限制）。以下是基于 信息增益 和 基尼系数 的递推公式和推导过程：

信息增益的目标是选择能够 最大化信息增益 的特征 $X_j$ 和对应的分割点 t ，划分数据集 D 为 $D_{\text{left}}$ 和 $D_{\text{right}}$ 。

信息增益定义为划分前后的信息熵差值：

$IG(D, X_j, t) = H(D) - H(D|X_j, t)$

对于一个数据集 D（含 n 个样本，类别数为 k ），信息熵定义为：

$H(D) = -\sum_{i=1}^k p(y_i) \log_2 p(y_i)$

其中， $p(y_i) = \frac{n(y_i)}{n}$ ，即类别 $y_i$ 的样本数占总样本数的比例。

数据集 D 按特征 $X_j$ 和分割点 t 划分后：

条件熵为：

$H(D|X_j, t) = p_{\text{left}} H(D_{\text{left}}) + p_{\text{right}} H(D_{\text{right}})$

其中：

$p_{\text{left}} = \frac{|D_{\text{left}}|}{|D|}, \quad p_{\text{right}} = \frac{|D_{\text{right}}|}{|D|}$

初始化根节点：
- 输入初始数据集 D 。
- 计算信息熵 H(D) 。
选择划分特征和分割点：
- 对每个特征 $X_j$ 和可能的分割点 t，计算信息增益 $IG(D, X_j, t)$ ： $IG(D, X_j, t) = H(D) - \left(p_{\text{left}} H(D_{\text{left}}) + p_{\text{right}} H(D_{\text{right}})\right)$
- 遍历所有特征和分割点，选择 $G(D, X_j, t)$ 最大的 $X_j$ 和 t 。
递归划分：
- 使用最优特征和分割点 t 划分数据集：
  - 左子集 $D_{\text{left}}$
  - 右子集 $D_{\text{right}}$
- 对 $D_{\text{left}}$ 和 $D_{\text{right}}$ 重复上述过程，直到满足停止条件。

CART 决策树使用 基尼指数 作为划分标准。目标是选择使 加权基尼系数最小 的特征 XjX_jXj 和分割点 t 。

对于数据集 D ，基尼系数定义为：

$Gini(D) = 1 - \sum_{i=1}^k p(y_i)^2$

其中， $p(y_i) = \frac{n(y_i)}{n}$ 。

数据集 D 按特征 $X_j$ 和分割点 t 划分后，计算加权基尼指数：

$Gini(D|X_j, t) = p_{\text{left}} Gini(D_{\text{left}}) + p_{\text{right}} Gini(D_{\text{right}})$

其中：

$p_{\text{left}} = \frac{|D_{\text{left}}|}{|D|}, \quad p_{\text{right}} = \frac{|D_{\text{right}}|}{|D|}$

初始化根节点：
- 输入初始数据集 D 。
- 计算基尼系数 Gini(D) 。
选择划分特征和分割点：
- 对每个特征 $X_j$ 和可能的分割点 t ，计算加权基尼指数： $Gini(D|X_j, t) = p_{\text{left}} Gini(D_{\text{left}}) + p_{\text{right}} Gini(D_{\text{right}})$
- 遍历所有特征和分割点，选择使 $Gini(D|X_j, t)$ 最小的 $X_j$ 和 t 。
递归划分：
- 使用最优特征和分割点 t 划分数据集：
  - 左子集 $D_{\text{left}}$
  - 右子集 $D_{\text{right}}$
- 对 $D_{\text{left}}$ 和 $D_{\text{right}}$ 重复上述过程，直到满足停止条件。