机器学习-决策树算法

date: 2019-04-07 00:48

一、基本流程

• 1、初始化属性集合和数据集合
• 2、从数据集中选择最优划分属性，并以该属性为当前决策节点
• 3、更新数据集合和属性集合（删除掉上一步中使用的属性，并按照属性值来划分不同分支的数据集合）
• 4、依次对每种取值情况下的子集重复第2步
• 5、若子集只包含单一属性，则为分支为叶子节点，根据其属性值标记。
• 6、完成所有属性集合的划分

决策树生成过程是一个递归的过程，以下三种情况会导致递归停止：

• 1.当前节点包含的样本全部属于同一类别，无需划分
• 2.当前属性集为空，或是所有样本在所有属性上取值相同，无法划分
• 3.当前节点包含的样本集合为空，不能划分

从决策树生成的整个过程来看，其中最核心的应该是第2步：选择最优划分属性，这也是不同决策树算法之间的区别，下文讲解如何选择的。

二、划分选择

随着划分过程的不断进行，决策树的分支节点所包含的样本尽可能属于同一类别，即节点的“纯度”（purity）越来越高。

1.信息增益（ID3决策树算法）

信息熵（information entropy）：度量样本集合纯度最常用的一种指标。

对于数据集D：

\[Ent(D)=-\sum_{k=1}^{|y|}p_{k}log_{2}p_{k} \]

其中$$p_{k}$$表示第k类样本在D中所占的比例。Ent(D)的值越小，在D的纯度越高。

信息增益（information gain）：属性划分数据集前后信息熵的差值。

假定离散属性a有V个可能的取值$${a^{1},a,...,a^{{V}}$$，若使用a来对样本集合D进行划分，则会产生V个分支节点，其中第v个分支节点包含了D中所有在属性取值为$$a}$$的样本，记为$$D^{v}$$。那么用属性a划分数据集D所获得的信息增益为：

\[Gain(D,a)=Ent(D)-\sum_{v=1}^{V}\frac{|D^{v}|}{|D|}Ent(D^{v}) \]

信息增益越大，意味着用a属性来进行划分所获得的“纯度提升”越大。

著名的ID3决策树算法就是以信息增益为准则来选择属性划分的。

缺点：信息增益准则对可取值数据较多的属性有所偏好。

2.增益率（C4.5决策树算法）

增益率（gain ratio）的定义为：

\[Gain\_ratio(D,a)=\frac{Gain(D,a)}{IV(a)} \]

其中

\[IV(a)=-\sum_{v=1}^{V}\frac{|D^{v}|}{|D|}log_{2}\frac{|D^{v}|}{|D|} \]

IV(a)称为a的“固有值”。属性a的可能取值数目越多（即V越大），则IV(a)的值通常会越大。

增益率对可取值数目较少的属性有偏好。因此C4.5算法使用了一个启发式：先从候选划分属性中找出信息增益高于平均水平的属性，再从中选择增益率最高的。

3.基尼指数（CART决策树算法）

CART决策树使用基尼指数来划分属性。
对于数据集D：

\[Gini(D)=\sum_{k=1}^{|y|}\sum_{k^{'}\neq k}p_{k}p_{k^{'}}=1-\sum_{k=1}^{|y|}p_{k}^{2} \]

Gini(D)反映了从数据集D中随机抽取两个样本，其类别标记不一致的概率。因此，Gini(D)越小，则数据集D的纯度越高。
属性a的基尼指数定义为：

\[Gini\_index(D,a)=\sum_{v=1}^{V}\frac{|D^{v}|}{|D|}Gini(D^{v}) \]

于是在候选属性集合A中，选择那个使得划分基尼指数最小的属性作为划分属性，即$$a_{*}=\underset{a\epsilon A}{argmin\ Gini_index(D,a)}$$

三、剪枝处理

预剪枝是指在决策树生成过程中，对每一个节点在划分前先进行估计，若当前节点的划分不能带来决策树泛化性能提升，则停止划分并将当前节点标记为叶节点。

后剪枝是先从训练集生成一棵完整的决策树，然后自底向上地对非叶节点进行考察，若将该节点对应的子树替换为叶节点能带来决策树泛化性能提升，则将该子树替换为叶节点。

效果对比：
后剪枝决策树的欠拟合风险很小，泛化性能往往优于预剪枝决策树。但是后剪枝训练时间开销比未剪枝和预剪枝决策树都要大的多。

四、推到过程

见南瓜书：南瓜书PumpkinBook - 第4章 决策树

五、算法实现

手写代码实现算法便于理解算法本质：决策树

六、sklearn库中决策树的使用方法

scikit-learn 使用 CART 算法的优化版本。

import os
import time
import numpy as np
from sklearn import tree
from sklearn.externals.six import StringIO
from sklearn.model_selection import train_test_split

print('Step 1.Loading data...')
X_train,X_test,Y_train,Y_test = ...
print('---Loading and splitting completed.')

print('Step 2.Training...')
startTime = time.time()
clf = tree.DecisionTreeClassifier()
clf = clf.fit(X_train,Y_train)
print('---Training Completed.Took %f s.'%(time.time()-startTime))

print('Step 3.Testing...')
Y_predict = clf.predict(X_test)
matchCount = 0
for i in range(len(Y_predict)):
    if Y_predict[i] == Y_test[i]:
        matchCount += 1
accuracy = float(matchCount/len(Y_predict))
print('---Testing completed.Accuracy: %.3f%%'%(accuracy*100))

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参考：

• 《机器学习》周志华
• Scikit-learn官方文档
• Scikit-learn 0.19.x 中文文档