第三次实验

一、相关信息

实验班级	机器学习
实验名称	朴素贝叶斯算法及应用
学号	3180701333
二、实验信息
【实验目的】
1.理解决策树算法原理，掌握决策树算法框架；
2.理解决策树学习算法的特征选择、树的生成和树的剪枝；
3.能根据不同的数据类型，选择不同的决策树算法；
4.针对特定应用场景及数据，能应用决策树算法解决实际问题。

【实验内容】
1.设计算法实现熵、经验条件熵、信息增益等方法。
2.实现ID3算法。
3.熟悉sklearn库中的决策树算法；
4.针对iris数据集，应用sklearn的决策树算法进行类别预测。
5.针对iris数据集，利用自编决策树算法进行类别预测。

【实验报告要求】
1.对照实验内容，撰写实验过程、算法及测试结果；
2.代码规范化：命名规则、注释；
3.分析核心算法的复杂度；
4.查阅文献，讨论ID3、5算法的应用场景；
5.查询文献，分析决策树剪枝策略。

三、实验具体完成情况
（1）实验主要代码及部分注释：

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from collections import Counter
import math
from math import log
import pprint

# 书上题目5.1
def create_data():
    datasets = [['青年', '否', '否', '一般', '否'],
                ['青年', '否', '否', '好', '否'],
                ['青年', '是', '否', '好', '是'],
                ['青年', '是', '是', '一般', '是'],
                ['青年', '否', '否', '一般', '否'],
                ['中年', '否', '否', '一般', '否'],
                ['中年', '否', '否', '好', '否'],
                ['中年', '是', '是', '好', '是'],
                ['中年', '否', '是', '非常好', '是'],
                ['中年', '否', '是', '非常好', '是'],
                ['老年', '否', '是', '非常好', '是'],
                ['老年', '否', '是', '好', '是'],
                ['老年', '是', '否', '好', '是'],
                ['老年', '是', '否', '非常好', '是'],
                ['老年', '否', '否', '一般', '否'],]
    labels = [u'年龄', u'有工作', u'有自己的房子', u'信贷情况', u'类别']
    # 返回数据集和每个维度的名称
    return datasets, labels
datasets, labels = create_data()
train_data = pd.DataFrame(datasets, columns=labels)
train_data

# 熵
def calc_ent(datasets):
    data_length = len(datasets)
    label_count = {}
    for i in range(data_length):
        label = datasets[i][-1]
        if label not in label_count:
            label_count[label] = 0
        label_count[label] += 1
    ent = -sum([(p / data_length) * log(p / data_length, 2)
                for p in label_count.values()])
    return ent
# def entropy(y):
# """
# Entropy of a label sequence
# """
# hist = np.bincount(y)
# ps = hist / np.sum(hist)
# return -np.sum([p * np.log2(p) for p in ps if p > 0])
# 经验条件熵 
def cond_ent(datasets, axis=0):
    data_length = len(datasets)
    feature_sets = {}
    for i in range(data_length):
        feature = datasets[i][axis]
        if feature not in feature_sets:
            feature_sets[feature] = []
        feature_sets[feature].append(datasets[i])
    cond_ent = sum([(len(p) / data_length) * calc_ent(p) for p in feature_sets.values()])
    return cond_ent
# 信息增益 
def info_gain(ent, cond_ent):
    return ent - cond_ent
def info_gain_train(datasets):
    count = len(datasets[0]) - 1
    ent = calc_ent(datasets)
# ent = entropy(datasets)
 
    best_feature = []
    for c in range(count):
        c_info_gain = info_gain(ent, cond_ent(datasets, axis=c))
        best_feature.append((c, c_info_gain))
        print('特征({}) - info_gain - {:.3f}'.format(labels[c], c_info_gain))
    # 比较大小
    best_ = max(best_feature, key=lambda x: x[-1])
    return '特征({})的信息增益最大，选择为根节点特征'.format(labels[best_[0]])
info_gain_train(np.array(datasets))

# 定义节点类 二叉树 
class Node:
    def __init__(self, root=True, label=None, feature_name=None, feature=None):
        self.root = root
        self.label = label
        self.feature_name = feature_name
        self.feature = feature
        self.tree = {}
        self.result = {
            'label:': self.label,
            'feature': self.feature,
            'tree': self.tree}
    def __repr__(self):
        return '{}'.format(self.result)
    def add_node(self, val, node):
        self.tree[val] = node
    def predict(self, features):
        if self.root is True:
            return self.label
        return self.tree[features[self.feature]].predict(features) 

class DTree:
    def __init__(self, epsilon=0.1):
        self.epsilon = epsilon
        self._tree = {}
    # 熵
    @staticmethod
    def calc_ent(datasets):
        data_length = len(datasets)
        label_count = {}
        for i in range(data_length):   
            label = datasets[i][-1]
            if label not in label_count:
                label_count[label] = 0
            label_count[label] += 1
        ent = -sum([(p / data_length) * log(p / data_length, 2)
                    for p in label_count.values()])
        return ent
    # 经验条件熵
    def cond_ent(self, datasets, axis=0):
        data_length = len(datasets)
        feature_sets = {}
        for i in range(data_length):
            feature = datasets[i][axis]
            if feature not in feature_sets:
                feature_sets[feature] = []
            feature_sets[feature].append(datasets[i])
        cond_ent = sum([(len(p) / data_length) * self.calc_ent(p)
                        for p in feature_sets.values()])
        return cond_ent
    # 信息增益
    @staticmethod
    def info_gain(ent, cond_ent):
        return ent - cond_ent
    def info_gain_train(self, datasets):
        count = len(datasets[0]) - 1
        ent = self.calc_ent(datasets)
        best_feature = []
        for c in range(count):
            c_info_gain = self.info_gain(ent, self.cond_ent(datasets, axis=c))
            best_feature.append((c, c_info_gain))
            # 比较大小
            best_ = max(best_feature, key=lambda x: x[-1])
            return best_
    def train(self, train_data):
        """
        input:数据集D(DataFrame格式)，特征集A，阈值eta
        output:决策树T
        """
        _, y_train, features = train_data.iloc[:, :
                                               -1], train_data.iloc[:,-1], train_data.columns[:-1]
        # 1,若D中实例属于同一类Ck，则T为单节点树，并将类Ck作为结点的类标记，返回T
        if len(y_train.value_counts()) == 1:
            return Node(root=True, label=y_train.iloc[0])
        # 2, 若A为空，则T为单节点树，将D中实例树最大的类Ck作为该节点的类标记，返回T
        if len(features) == 0:
            return Node(
                root=True,
                label=y_train.value_counts().sort_values(
                    ascending=False).index[0])
        # 3,计算最大信息增益 同5.1,Ag为信息增益最大的特征
        max_feature, max_info_gain = self.info_gain_train(np.array(train_data))
        max_feature_name = features[max_feature]
        # 4,Ag的信息增益小于阈值eta,则置T为单节点树，并将D中是实例数最大的类Ck作为该节点的类标记，返
        if max_info_gain < self.epsilon:
            return Node(
                root=True,
                label=y_train.value_counts().sort_values(ascending=False).index[0])
        # 5,构建Ag子集
        node_tree = Node(
            root=False, feature_name=max_feature_name, feature=max_feature)
        feature_list = train_data[max_feature_name].value_counts().index
        for f in feature_list:
            sub_train_df = train_data.loc[train_data[max_feature_name] ==f].drop([max_feature_name], axis=1)
            # 6, 递归生成树
            sub_tree = self.train(sub_train_df)
            node_tree.add_node(f, sub_tree)
        # pprint.pprint(node_tree.tree)
        return node_tree
    def fit(self, train_data):
        self._tree = self.train(train_data)
        return self._tree
    def predict(self, X_test):
        return self._tree.predict(X_test)

datasets, labels = create_data()
data_df = pd.DataFrame(datasets, columns=labels)
dt = DTree()
tree = dt.fit(data_df)
tree
dt.predict(['老年', '否', '否', '一般'])

# data
def create_data():
    iris = load_iris()
    df = pd.DataFrame(iris.data, columns=iris.feature_names)
    df['label'] = iris.target
    df.columns = ['sepal length', 'sepal width', 'petal length', 'petal width', 'label']
    data = np.array(df.iloc[:100, [0, 1, -1]])
    # print(data)
    return data[:, :2], data[:, -1] 
X, y = create_data()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3)

from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.tree import export_graphviz
import graphviz
clf = DecisionTreeClassifier()
clf.fit(X_train, y_train,)
clf.score(X_test, y_test)
tree_pic = export_graphviz(clf, out_file="mytree.pdf") 
with open('mytree.pdf') as f:
    dot_graph = f.read()
graphviz.Source(dot_graph)

（2）实验运行结果截图：

三.实验小结
通过本次实验，我对课本有关朴素贝叶斯算法的原理有了更近一步的掌握，对于朴素贝叶斯来说，它具有一个较强的假设即特征条件独立，这使得它条件概率的计算量大大减少。同时，我也学会了使用常见的高斯模型，多项式模型和伯努利模型去实现朴素贝叶斯算法。虽然朴素贝叶斯使用了过于简化的假设，这个分类器在许多实际情况中都运行良好，著名的是文档分类和垃圾邮件过滤。而且由于贝叶斯是从概率角度进行估计的，它所需要的样本量比较少，极端情况下甚至我们可以使用较少的数据作为训练集，依然可以得到很好的拟合效果。

朴素贝叶斯的主要优点在于：
1）朴素贝叶斯模型发源于古典数学理论，有稳定的分类效率。
2）对小规模的数据表现很好，能个处理多分类任务，适合增量式训练，尤其是数据量超出内存时，我们可以一批批的去增量训练。
3）对缺失数据不太敏感，算法也比较简单，常用于文本分类。

朴素贝叶斯的主要缺点在于：
1）理论上，朴素贝叶斯模型与其他分类方法相比具有最小的误差率。但是实际上并非总是如此，这是因为朴素贝叶斯模型假设属性之间相互独立，这个假设在实际应用中往往是不成立的，在属性个数比较多或者属性之间相关性较大时，分类效果不好。而在属性相关性较小时，朴素贝叶斯性能最为良好。对于这一点，有半朴素贝叶斯之类的算法通过考虑部分关联性适度改进。
2）需要知道先验概率，且先验概率很多时候取决于假设，假设的模型可以有很多种，因此在某些时候会由于假设的先验模型的原因导致预测效果不佳。
3）由于我们是通过先验和数据来决定后验的概率从而决定分类，所以分类决策存在一定的错误率。
4）对输入数据的表达形式很敏感。