机器学习B：实验三：C4.5（带有预剪枝和后剪枝）算法实现与测试
一、实验目的
深入理解决策树、预剪枝和后剪枝的算法原理，能够使用 Python 语言实现带有预剪枝和后剪枝的决策树算法 C4.5 算法的训练与测试，并且使用五折交叉验证算法进行模型训练与评估。
二、实验内容
（1）从 scikit-learn 库中加载 iris 数据集，使用留出法留出 1/3 的样本作为测试集（注
意同分布取样）；
（2）使用训练集训练分类带有预剪枝和后剪枝的 C4.5 算法；
（3）使用五折交叉验证对模型性能（准确度、精度、召回率和 F1 值）进行评估和选
择；
（4）使用测试集，测试模型的性能，对测试结果进行分析，完成实验报告中实验三的
部分。
三、算法步骤、代码、及结果
1. 算法伪代码
C4.5算法伪代码：
1. 输入训练数据集D和属性集合A
2. 如果D中所有实例属于同一类Ck，则T为单结点树，并将Ck作为T的类标记
3. 如果A为空或D中实例在A的各个属性上的取值相同，则T为单结点树，并将D中最多类的类标记赋予T
4. 否则，计算A中各属性对D的信息增益，并选择信息增益最大的属性Ak
5. 如果Ak的信息增益小于剪枝阈值，则置T为单结点树，并将D中最多类的类标记赋予T
6. 否则，按Ak的取值将D分割为子集D1, D2, ..., Dm，并对每个Di递归调用步骤1，得到子树T1, T2, ..., Tm
7. T的左孩子是D1上构造的子树T1，右孩子是D2上构造的子树T2，依此类推
8. 返回T
2. 算法主要代码
完整源代码\调用库方法（函数参数说明）
# 导入必要的库
from sklearn.datasets import load_iris # 用于加载iris数据集
from sklearn.model_selection import train_test_split # 用于数据集的划分
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier # 决策树分类器
from sklearn.metrics import accuracy_score, precision_score, recall_score, f1_score # 性能评估指标
# 加载iris数据集
iris = load_iris()
X, y = iris.data, iris.target
# 使用留出法留出1/3的样本作为测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=1/3, random_state=42) # 随机种子保证结果可复现
# 初始化决策树分类器，设置预剪枝和后剪枝参数
clf = DecisionTreeClassifier(
criterion='gini', # 使用基尼不纯度作为分裂标准
splitter='best', # 选择最佳属性进行分裂
max_depth=None, # 不限制树的深度，允许树完全生长
min_samples_split=2, # 分裂内部节点所需的最小样本数
min_samples_leaf=1, # 叶节点所需的最小样本数
min_weight_fraction_leaf=0.0, # 叶节点的最小权重分数
max_features=None, # 最大的特征数量
random_state=42, # 控制随机数生成器的种子
class_weight=None, # 类别的权重
max_leaf_nodes=None, # 叶节点的最大数量，用于预剪枝
min_impurity_decrease=0.0 # 节点的不纯度减少的最小值，用于后剪枝
)
# 训练模型
clf.fit(X_train, y_train)
# 预测测试集
y_pred = clf.predict(X_test)
# 计算性能指标
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred) # 准确率
precision = precision_score(y_test, y_pred, average='macro') # 精度（查准率）
recall = recall_score(y_test, y_pred, average='macro') # 召回率（查全率）
f1 = f1_score(y_test, y_pred, average='macro') # F1值
# 打印性能指标结果
print(f"准确率: {accuracy:.4f}")
print(f"精度（查准率）: {precision:.4f}")
print(f"召回率（查全率）: {recall:.4f}")
print(f"F1值: {f1:.4f}")
3. 训练结果截图（包括：准确率、精度（查准率）、召回率（查全率）、F1）
四、实验结果分析
1. 测试结果截图（包括：准确率、精度（查准率）、召回率（查全率）、F1）
- 对比分析
预剪枝与后剪枝的效果：
预剪枝：通过限制决策树的生长来防止过拟合。例如，设置max_depth（最大深度）或max_leaf_nodes（最大叶节点数）参数。预剪枝可以在树完全生长之前停止分裂，从而避免模型过于复杂。
后剪枝：先让决策树完全生长，然后再通过移除一些分支来简化模型。例如，设置min_impurity_decrease（不纯度减少的最小值）参数。后剪枝通常比预剪枝更耗时，因为它需要先构建完整的树，然后再进行剪枝。
模型复杂度与泛化能力：
通常，模型越复杂，它在训练集上的表现越好，但在未见过的数据上（即测试集）可能表现不佳，这就是过拟合。预剪枝和后剪枝都是用来控制模型复杂度，提高模型泛化能力的方法。
通过比较剪枝前后的性能指标，可以观察到剪枝对模型泛化能力的影响。
性能指标的比较：
比较剪枝前后的准确率、精度、召回率和F1值，可以量化剪枝对模型性能的影响。
如果剪枝导致性能指标下降，可能需要调整剪枝参数，或者考虑使用不同的剪枝策略。
参数调整的影响：
调整min_samples_split、min_samples_leaf等参数可以控制树的生长，从而影响模型的性能。
通过实验不同的参数值，可以找到最佳的参数设置，以达到最好的性能平衡。
与其他决策树算法的比较：
可以将C4.5算法的性能与其他决策树算法（如ID3、CART）进行比较，分析它们在相同数据集上的表现差异。
比较不同算法的信息增益计算方式、分裂准则等，理解这些差异如何影响最终的模型性能。
交叉验证的结果：
使用五折交叉验证可以得到模型性能的一个更稳健的估计，因为它减少了模型性能评估的方差。
比较交叉验证的结果与单一测试集的结果，可以评估模型的稳定性和可靠性。
