机器学习算法( 三、决策树)

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　　本节使用的算法称为ID3，另一个决策树构造算法CART以后讲解。

一、概述　

　　我们经常使用决策树处理分类问题，它的过程类似二十个问题的游戏：参与游戏的一方在脑海里想某个事物，其他参与者向他提出问题，只允许提20个问 题，问题的答案也只能用对或错回答。问问题的人通过推断分解，逐步缩小带猜测事物的范围。

　　如图1所示的流程图就是一个决策树，长方形代表判断模块（decision block），椭圆形代表终止模块（terminating block），表示已经得出结论，可以终止运行。从判断模块引出的左右箭头称作分支（branch），它可以到达另一个判断模块或终止模块。

　　图 1构造了一个假象的邮件分类系统，它首先检测发送邮件域名地址。如果地址为myEmployer.com，则将其放在分类"无聊时需要阅读的邮件"中。如 果邮件不是来自这个域名，则检查内容是否包括单词曲棍球，如果包含则将邮件归类到"需要及时处理的朋友邮件"，否则将邮件归类到"无须阅读的垃圾邮件"。

二、优缺点

• 优点：计算复杂度不高，输出结果易于理解，对中间值的缺失不敏感，可以处理不相关特征数据。
• 缺点：可能会产生过度匹配问题。
• 适用数据类型：离散型和连续型

三、数学公式

　　如果待分类的数据集可能划分在多个分类之中，则符号X_i定义为：x

　　

　　其中p(x_i)是选择该分类的概率。

　　

　　其中：n = 数据集分类数。

　　例如：数据集的分类为 lables=[A,B,C,B,A,B] 则P(A)=2/6=0.3333,P(B)=3/6=0.5,P(C)=1/6=0.277,

　　数据集的熵 H=-P(A)*log₂P(A)+(-P(B)*log₂P(B))+(-P(C)*log₂P(C))

四、树的构造

　　在构造决策树时，我们需要解决的第一个问题就是，当前数据集上哪个特征在划分数据分类时起决定性作用。为了找到决定性的特征，划分出最好的结果，我们必须评估每个特征。我们假设已经根据一定的方法选取了待划分的特征，则原始数据集将根据这个特征被划分为几个数据子集。这数据子集会分布在决策点（关键 特征）的所有分支上。如果某个分支下的数据属于同一类型，则无需进一步对数据集进行分割。如果数据子集内的数据不属于同一类型，则需要递归地重复划分数据 子集的过程，直到每个数据子集内的数据类型相同。如何划分子集的算法和划分原始数据集的方法相同。

创建分支的过程用伪代码表示如下：

　　检测数据集中的每个子项是否属于同一类型：
　　If Yes return 类标签
　　Else
　　　　寻找划分数据集的最好特征
　　　　划分数据集
　　　　创建分支节点
　　　　　　for 每个划分的子集：
　　　　　　　　递归调用本算法并添加返回结果到分支节点中(这是个递归)
　　　　return 分支节点

　　决策树的一般流程：

1. 收集数据：可以使用任何方法。
2. 准备数据：树构造算法只适用于标称数据，因此数值型数据必须离散化。
3. 分析数据：可以使用任何方法，构造树完成之后，我们应该检查图形是否符合预期。
4. 训练算法：构造树的数据结构。
5. 测试算法：使用经验树计算错误率。
6. 使用算法：此步骤可以适用于任何监督学习算法，而使用决策树可以更好地理解数据的内在含义。

　　一些决策树算法使用二分法划分数据，本书将使用ID3算法划分数据集，该算法处理如何划分数据集，何时停止划分数据集。每次划分数据集我们只选取一个特征属性，那么应该选择哪个特征作为划分的参考属性呢？

　　表1的数据包含5个海洋动物，特征包括：不浮出水面是否可以生存，以及是否有脚噗。我们可以将这些动物分成两类：鱼类和非鱼类。

表1 海洋生物数据

	不浮出水面是否可以生存	是否有脚蹼	属于鱼类
1	是	是	是
2	是	是	是
3	是	否	否
4	否	是	否
5	否	是	否

五、信息增益

　　划分数据集的大原则是：将无序的数据变得更加有序。我们可以使用多种方法划分数据集，但是每种方法都有各自的优缺点。组织杂乱无章数据的一种方法就是使用信息论度量信息，信息论是量化处理信息的分支科学。我们可以在划分数据之前或之后使用信息论量化度量信息的内容。

　　在划分数据集之前之后信息发生的变化成为信息增益，我们可以计算每个特征划分数据集获得的信息增益，获得信息增益最高的特征就是最好的选择。

　　集合信息的度量方式成为香农熵或者简称为熵。

　　为了计算熵，我们需要计算所有类型所有可能值包含的信息的期望值，通过下面的公式得到：

 　　其中n是分类的数目。

　　下面给出计算信息熵的Python函数，创建名为trees.py文件，添加如下代码：

def createDataSet():
    dataSet = [[1, 1, 'yes'],
               [1, 1, 'yes'],
               [1, 0, 'no'],
               [0, 1, 'no'],
               [0, 1, 'no']]
    labels = ['no surfacing','flippers']
    #change to discrete values
    return dataSet, labels
def calcShannonEnt(dataSet):
    numEntries = len(dataSet)  #获取数据行数   numEntries = 5
    labelCounts = {}
    for featVec in dataSet: #the the number of unique elements and their occurance
        currentLabel = featVec[-1]
        if currentLabel not in labelCounts.keys(): labelCounts[currentLabel] = 0
        labelCounts[currentLabel] += 1
    shannonEnt = 0.0
    print("labelCounts=",labelCounts)   # labelCounts= {'yes': 2, 'no': 3}
    for key in labelCounts:
        prob = float(labelCounts[key])/numEntries  # prob 为每个值出现的概率
        shannonEnt -= prob * log(prob,2) # 数学公式，计算 熵
    print("shannonEnt=",shannonEnt)
    return shannonEnt

　　测试代码：

>>> d,l=trees.createDataSet()
>>> d
[[1, 1, 'yes'], [1, 1, 'yes'], [1, 0, 'no'], [0, 1, 'no'], [0, 1, 'no']]
>>> l
['no surfacing', 'flippers']
>>> c=trees.calcShannonEnt(d)
labelCounts= {'yes': 2, 'no': 3}
shannonEnt= 0.9709505944546686
>>> 

　　calcShannonEnt：返回整个数据集的 熵

　　上面测试代码数据集的熵=0.9709505944546686

　　 熵 值越高，则混合的数据也越多，得到 熵 之后，我们就可以按最大信息增益的方法划分数据集。

 

六、划分数据集

　　 上面我们学习了如何度量数据集的无序程序，分类算法除了需要测量信息熵，还需要划分数据集，度量划分数据集的熵，以便判断当前是否正确地划分了数据集。

　　 我们将对每个特征划分数据集的结果计算一次信息熵，然后判断按照哪个特征划分数据集市最好的划分方法。

　　 按照给定的特征划分数据集：

def splitDataSet(dataSet, axis, value):#查找数据集 dataSet  第 axis 列值== value 的元素，再排除第 axis 列的数据，组成一个新的数据集
    retDataSet = []
    for featVec in dataSet:
        if featVec[axis] == value:
            reducedFeatVec = featVec[:axis]     #chop out axis used for splitting
            reducedFeatVec.extend(featVec[axis+1:])
            retDataSet.append(reducedFeatVec)
    return retDataSet

　　该函数使用了三个输入参数：带划分的数据集、划分数据集的特征（数据集第几列）、需要返回的特征的值（按哪个值划分）。函数先选取数据集中第axis个特征值为value的数据，从这部分数据中去除第axis个特征，并返回。

测试这个函数，效果如下：

>>> myDat, labels = trees.createDataSet()
>>> myDat
[[1, 1, 'yes'], [1, 1, 'yes'], [1, 0, 'no'], [0, 1, 'no'], [0, 1, 'no']]
>>> trees.splitDataSet(myDat, 0, 1) #查找第0列值==1的元素，再排除第0列的数据，组成一个新的数据集
[[1, 'yes'], [1, 'yes'], [0, 'no']]
>>> trees.splitDataSet(myDat, 0, 0)
[[1, 'no'], [1, 'no']]

　　接下来我们将遍历整个数据集，循环计算香农熵和splitDataSet()函数，找到最好的特征划分方式。熵计算将会告诉我们如何划分数据集是最好的数据组织方式。

　　选择最好的数据集划分方式：

def chooseBestFeatureToSplit(dataSet):
    numFeatures = len(dataSet[0]) - 1      # 这里的dataSet 最后一列是分类 numFeatures=2;我们按2列数据进行划分
    baseEntropy = calcShannonEnt(dataSet)   # 计算出整个 数据数据集的 熵
    bestInfoGain = 0.0; bestFeature = -1
    for i in range(numFeatures):        # 循环每一列特征 
        featList = [example[i] for example in dataSet]# 创建一个新的 列表，存放数据集第 i 列的数据
        uniqueVals = set(featList)       # 使用集合，把数据去重。。。。。。。。。。
        newEntropy = 0.0 #  以下是计算 每一列 的 熵 求某列 最大的 熵
        for value in uniqueVals:# 循环 第 i 列 的特征值 
            subDataSet = splitDataSet(dataSet, i, value) # 划分数据集。。。。
            prob = len(subDataSet)/float(len(dataSet))  # 子数据集所占的比例。。。。
            newEntropy += prob * calcShannonEnt(subDataSet)      # 子数据集的 熵  *  比例。。。。
        infoGain = baseEntropy - newEntropy     #calculate the info gain; ie reduction in entropy
        if (infoGain > bestInfoGain):       #compare this to the best gain so far
            bestInfoGain = infoGain         #if better than current best, set to best
            bestFeature = i
    return bestFeature                      #返回按某列划分数据集的最大  熵

• 本函数使用变量bestInfoGain和bestFeature记录最好的信息增益和对应的特征；
• numFeatures记录特征维数，依次遍历各个特征，计算该特征值的集合（uniqueVals）；
• 遍历该特征计算使用该特征划分的熵（newEntropy），据此计算新的信息增益（infoGain）；
• 比较infoGain和bestInfoGain记录信息增益的最大值和对应特征；
• 最终返回最大的信息增益对应特征的索引。

　　测试上面代码的实际输出结果：

>>> myData, labels = trees.createDataSet()
>>> trees.chooseBestFeatureToSplit(myData)
labelCounts= {'yes': 2, 'no': 3}
shannonEnt= 0.9709505944546686
labelCounts= {'no': 2}
shannonEnt= 0.0
labelCounts= {'yes': 2, 'no': 1}
shannonEnt= 0.9182958340544896
labelCounts= {'no': 1}
shannonEnt= 0.0
labelCounts= {'yes': 2, 'no': 2}
shannonEnt= 1.0
0

 

七、递归构建决策树

　　构建决策树的算法流程如下：

1. 得到原始数据集，
2. 基于最好的属性值划分数据集，由于特征值可能多于两个，因此可能存在大于两个分支的数据集划分。
3. 第一次划分之后，数据将被向下传递到树分支的下一个节点，在这个节点上，我们可以再次划分数据。我们可以采用递归的原则处理数据集。
4. 递归结束的条件是，程序遍历完所有划分数据集的属性，或者每个分支下的所有实例都具有相同的分类。

 　　

　　添加下面的程序代码：

def majorityCnt(classList):# 返回 出现次数最多的类别 ，，类似于K-近邻算法中 返回前K中类别出现最多次数的。
    classCount={}
    for vote in classList:
        if vote not in classCount.keys(): classCount[vote] = 0
        classCount[vote] += 1
    sortedClassCount = sorted(classCount.iteritems(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)
    return sortedClassCount[0][0]

def createTree(dataSet,labels):
    classList = [example[-1] for example in dataSet]  # 获取数据集的所有类别
    if classList.count(classList[0]) == len(classList): 
        return classList[0]# 如果数据集的所有类别 都相同，则不需要划分
    if len(dataSet[0]) == 1: # 使用完了所有特征，仍然不能将数据划分 到某个类别上的话，返回出现次数最多的类别
        return majorityCnt(classList)
    bestFeat = chooseBestFeatureToSplit(dataSet)   # 获取数据集中 按哪一列进行划分。。。。。
    bestFeatLabel = labels[bestFeat]  # bestFeatLabel = 列 描述
    myTree = {bestFeatLabel:{}} # 创建一个字典
    del(labels[bestFeat]) #   删除已计算过的列
    featValues = [example[bestFeat] for example in dataSet]
    uniqueVals = set(featValues) # 获取某列 所有不重复值
    for value in uniqueVals:
        subLabels = labels[:]       #copy all of labels, so trees don't mess up existing labels
        myTree[bestFeatLabel][value] = createTree(splitDataSet(dataSet, bestFeat, value),subLabels) # 递归
    return myTree                            
 

　　majorityCnt函数统计classList列表中每个类型标签出现频率，返回出现次数最多的分类名称。

　　createTree函数使用两个输入参数：数据集dataSet和标签列表labels。标签列表包含了数据集中所有特征的标签，算法本身并不需 要这个变量，但是为了给出数据明确的含义，我们将它作为一个输入参数提供。上述代码首先创建了名为classList的列表变量，其中包含了数据集的所有 类标签。列表变量classList包含了数据集的所有类标签。递归函数的第一个停止条件是所有类标签完全相同，则直接返回该类标签。递归函数的第二个停 止条件是使用完了所有特征，仍然不能将数据集划分成仅包含唯一类别的分组。这里使用majorityCnt函数挑选出现次数最多的类别作为返回值。

　　下一步程序开始创建树，这里直接使用Python的字典类型存储树的信息。字典变量myTree存储树的所有信息。当前数据集选取的最好特征存储在变量bestFeat中，得到列表中包含的所有属性值。

最后代码遍历当前选择特征包含的所有属性值，在每个数据集划分上递归待用函数createTree()，得到的返回值将被插入到字典变量myTree中，因此函数终止执行时，字典中将会嵌套很多代表叶子节点信息的字典数据。

注意其中的subLabels = labels[:]复制了类标签，因为在递归调用createTree函数中会改变标签列表的值。

测试这些函数：

>>> myDat, labels = trees.createDataSet()
>>> myTree = trees.createTree(myDat, labels)
 3 >>> myTree
 4 {'no surfacing': {0: 'no', 1: {'flippers': {0: 'no', 1: 'yes'}}}}

　　变量myTree包含了很多代表树结构信息的嵌套字典，从左边开始，第一个关键字no surfacing 是第一个划分数据集特征的名称，该关键字的值也是一个字典。

八、测试算法：使用决策树执行分类，以及决策树的存储

　　依靠训练数据构造了决策树之后，我们可以将它用于实际数据的分类。在执行数据分类时，需要决策树以及用于决策树的标签向量。然后，程序比较测试数据与决策树上的数值，递归执行该过程直到进入叶子结点；最后将测试数据定义为叶子结点所属的类型。

使用决策树分类的函数：

def classify(inputTree,featLabels,testVec):
    firstStr = inputTree.keys()[0]
    secondDict = inputTree[firstStr]
    featIndex = featLabels.index(firstStr)
    key = testVec[featIndex]
    valueOfFeat = secondDict[key]
    if isinstance(valueOfFeat, dict): 
        classLabel = classify(valueOfFeat, featLabels, testVec)
    else: classLabel = valueOfFeat
    return classLabel

测试上面的分类函数：

>>> myDat, labels = trees.createDataSet()
>>> myTree = trees.createTree(myDat, labels[:])
>>> trees.classify(myTree, labels, [1, 0])
'no'
>>> trees.classify(myTree, labels, [1, 1])
'yes'

　　可以使用Python模块pickle序列化对象，参见下面的程序。序列化对象可以在磁盘上保存对象，并在需要的时候读取出来。

def storeTree(inputTree, filename):
    import pickle
    fw = open(filename, 'w')
    pickle.dump(inputTree, fw)
    fw.close()
 
def grabTree(filename):
    import pickle
    fr = open(filename)
    return pickle.load(fr)

九、示例：使用决策树预测隐形眼镜类型

>>> fr = open('lenses.txt')
>>> lensens = [inst.strip().split('\t') for inst in fr.readlines()]
>>> lensensLabels = ['age', 'prescript', 'astigmatic', 'tearRate']
>>> lensesTree = trees.createTree(lensens,lensensLabels)
>>> lensensTree

　　执行结果：{'tearRate': {'normal': {'astigmatic': {'yes': {'prescript': {'hyper': {'age': {'pre': 'no lenses', 'presbyopic': 'no lenses', 'young': 'hard'}}, 'myope': 'hard'}}, 'no': {'age': {'pre': 'soft', 'presbyopic': {'prescript': {'hyper': 'soft', 'myope': 'no lenses'}}, 'young': 'soft'}}}}, 'reduced': 'no lenses'}}

十、总结一下

1. 计算整个数据集的 熵
2. 根据第1处计算出来的熵 再计算数据集按哪一列划分最为合适（计算数据集每一列的 熵 ，根据所有列计算出来的 熵 获取最佳列），设此处计算出最佳列为 I
3. 获取数据集第 I 列所有不重复值的集合，设此处集合为 M
4.  for v in M 循环集合 M
5. 根据 I 列 和 v 值 划分数据集
6. 再递归运算