决策树(Decision Tree)

决策树是一种机器学习的方法。决策树的生成算法有ID3, C4.5和C5.0等。决策树是一种树形结构，其中每个内部节点表示一个属性上的判断，每个分支代表一个判断结果的输出，最后每个叶节点代表一种分类结果。

 

一、信息熵（Information Entropy）

信息熵用于度量样本集合浓度，决策树的构建过程就是不断降低信息熵到0的过程。

样本集合D，第k类样本所占比例为。

则样本D信息熵为：。

 

二、信息增益（ID3）

信息增益 = 信息熵-条件熵

假定离散属性有个可能的取值,若使用来对样本集D进行划分，则会产生个分支节点，其中第v个分支对应样本，可根据上述信息熵公式计算的信息熵，考虑到不同分支包含样本数不同，给分支节点赋予权重 。

用属性对样本集D进行划分后“信息增益” :  。

我们选择信息增益来进行决策树的划分属性选择。

即：，选择信息增益最大的属性，该属性对样本熵减少能力越强。

 

ID3基于信息增益选择划分属性。但是采用信息增益来进行划分属性的决策有一个潜在的问题，当某一个属性的取值种类非常多时，对应每一个属性取值的样本子集，其分类的信息熵可能会变得很小。为了说明，采用一种极端情况，把“编号”也当作一种可以作为划分依据的属性。则在这种情况下，每一个编号属性对应一个实例，且其分类是确定的，则基于“编号”属性划分的条件熵=0，则信息增益很大，但这样的划分是没有意义的，信息增益准则对取值数目较多的属性有所偏好，为了减小这种偏好，C4.5 决策树采用信息增益率 (gain ratio) 来选择最优划分属性。

 

三、信息增益率（C4.5）

信息增益率：

其中：

最后一点需要注意的是，增益率准则虽然减少了对取值数目较多的属性依赖，但是增加了对取值数目较少的属性偏好。因此， C4.5 并没有直接选择增益率最大的候选划分属性，而是使用了一个启发式：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。

 

四、剪枝处理

剪枝（pruning）是决策树算法对付“过拟合”的主要手段，为了提高决策树的泛化能力，可通过主动去掉一些分支来降低过拟合的风险。

预剪枝：
在决策树生长过程中，对每个结点在划分前先进性估计，若当前结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结点标记为叶结点。若划分后验证集精度高于划分前验证集精度，则允许划分。

预剪枝优缺点

　　优点：降低过拟合风险，显著减小了决策树训练时间开销。

　　缺点：虽然有些分支的当前划分虽不能提升泛化性能，但在其基础上的后续划分却又可能导致性能提升，预剪枝给决策树带来了欠拟合的风险。

 

后剪枝：

针对一颗完整的树，自低向上地对非叶结点进行考察，若将该节点对应的子树替换为叶结点能带来决策树泛化性能提升，则将该子树替换为叶结点。

后剪枝优缺点

　　优点：后剪枝欠拟合风险很小，泛化性能往往优于预剪枝决策树。

　　缺点：训练时间开销大。

 

2020-05-22 17：28