python實現(xiàn)決策樹、隨機森林的簡單原理
本文申明：此文為學(xué)習(xí)記錄過程，中間多處引用大師講義和內(nèi)容。
一、概念
決策樹（Decision Tree）是一種簡單但是廣泛使用的分類器。通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)構(gòu)建決策樹，可以高效的對未知的數(shù)據(jù)進行分類。決策數(shù)有兩大優(yōu)點：1）決策樹模型可以讀性好，具有描述性，有助于人工分析；2）效率高，決策樹只需要一次構(gòu)建，反復(fù)使用，每一次預(yù)測的最大計算次數(shù)不超過決策樹的深度。
看了一遍概念后，我們先從一個簡單的案例開始，如下圖我們樣本：
對于上面的樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)不同特征值我們最后是選擇是否約會，我們先自定義的一個決策樹，決策樹如下圖所示：
對于上圖中的決策樹，有個疑問，就是為什么第一個選擇是“長相”這個特征，我選擇“收入”特征作為第一分類的標(biāo)準(zhǔn)可以嘛？下面我們就對構(gòu)建決策樹選擇特征的問題進行討論；在考慮之前我們要先了解一下相關(guān)的數(shù)學(xué)知識：
信息熵：熵代表信息的不確定性，信息的不確定性越大，熵越大；比如“明天太陽從東方升起”這一句話代表的信息我們可以認(rèn)為為0；因為太陽從東方升起是個特定的規(guī)律，我們可以把這個事件的信息熵約等于0；說白了，信息熵和事件發(fā)生的概率成反比：數(shù)學(xué)上把信息熵定義如下：H(X)＝H(P1，P2，…，Pn)＝-∑P(xi)logP(xi)
互信息：指的是兩個隨機變量之間的關(guān)聯(lián)程度，即給定一個隨機變量后，另一個隨機變量不確定性的削弱程度，因而互信息取值最小為0，意味著給定一個隨機變量對確定一另一個隨機變量沒有關(guān)系，最大取值為隨機變量的熵，意味著給定一個隨機變量，能完全消除另一個隨機變量的不確定性
現(xiàn)在我們就把信息熵運用到?jīng)Q策樹特征選擇上，對于選擇哪個特征我們按照這個規(guī)則進行“哪個特征能使信息的確定性最大我們就選擇哪個特征”；比如上圖的案例中；
第一步：假設(shè)約會去或不去的的事件為Y,其信息熵為H(Y）；
第二步：假設(shè)給定特征的條件下，其條件信息熵分別為H(Y|長相)，H(Y|收入)，H(Y|身高)
第三步：分別計算信息增益（互信息）：G(Y,長相) = I(Y,長相) = H(Y)-H(Y|長相) 、G(Y,) = I(Y,長相) = H(Y)-H(Y|長相)等
第四部：選擇信息增益最大的特征作為分類特征；因為增益信息大的特征意味著給定這個特征，能很大的消除去約會還是不約會的不確定性；
第五步：迭代選擇特征即可；
按以上就解決了決策樹的分類特征選擇問題，上面的這種方法就是ID3方法，當(dāng)然還是別的方法如 C4.5;等；
二、決策樹的過擬合解決辦法
若決策樹的度過深的話會出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，對于決策樹的過擬合有二個方案：
1.剪枝-先剪枝和后剪紙（可以在構(gòu)建決策樹的時候通過指定深度，每個葉子的樣本數(shù)來達到剪枝的作用）
2.隨機森林 --構(gòu)建大量的決策樹組成森林來防止過擬合；雖然單個樹可能存在過擬合，但通過廣度的增加就會消除過擬合現(xiàn)象
三、隨機森林
隨機森林是一個最近比較火的算法，它有很多的優(yōu)點：
- 在數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)良好
- 在當(dāng)前的很多數(shù)據(jù)集上，相對其他算法有著很大的優(yōu)勢
- 它能夠處理很高維度（feature很多）的數(shù)據(jù)，并且不用做特征選擇
- 在訓(xùn)練完后，它能夠給出哪些feature比較重要
- 訓(xùn)練速度快
- 在訓(xùn)練過程中，能夠檢測到feature間的互相影響
- 容易做成并行化方法
- 實現(xiàn)比較簡單
隨機森林顧名思義，是用隨機的方式建立一個森林，森林里面有很多的決策樹組成，隨機森林的每一棵決策樹之間是沒有關(guān)聯(lián)的。在得到森林之后，當(dāng)有一個新的輸入樣本進入的時候，就讓森林中的每一棵決策樹分別進行一下判斷，看看這個樣本應(yīng)該屬于哪一類（對于分類算法），然后看看哪一類被選擇最多，就預(yù)測這個樣本為那一類。
上一段決策樹代碼：
# 花萼長度、花萼寬度，花瓣長度，花瓣寬度
iris_feature_E = 'sepal length', 'sepal width', 'petal length', 'petal width'
iris_feature = u'花萼長度', u'花萼寬度', u'花瓣長度', u'花瓣寬度'
iris_class = 'Iris-setosa', 'Iris-versicolor', 'Iris-virginica'
if __name__ == "__main__":
mpl.rcParams['font.sans-serif'] = [u'SimHei']
mpl.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
path = '..\\8.Regression\\iris.data' # 數(shù)據(jù)文件路徑
data = pd.read_csv(path, header=None)
x = data[range(4)]
y = pd.Categorical(data[4]).codes
# 為了可視化，僅使用前兩列特征
x = x.iloc[:, :2]
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, train_size=0.7, random_state=1)
print y_test.shape
# 決策樹參數(shù)估計
# min_samples_split = 10：如果該結(jié)點包含的樣本數(shù)目大于10，則(有可能)對其分支
# min_samples_leaf = 10：若將某結(jié)點分支后，得到的每個子結(jié)點樣本數(shù)目都大于10，則完成分支；否則，不進行分支
model = DecisionTreeClassifier(criterion='entropy')
model.fit(x_train, y_train)
y_test_hat = model.predict(x_test) # 測試數(shù)據(jù)
# 保存
# dot -Tpng my.dot -o my.png
# 1、輸出
with open('iris.dot', 'w') as f:
tree.export_graphviz(model, out_file=f)
# 2、給定文件名
# tree.export_graphviz(model, out_file='iris1.dot')
# 3、輸出為pdf格式
dot_data = tree.export_graphviz(model, out_file=None, feature_names=iris_feature_E, class_names=iris_class,
filled=True, rounded=True, special_characters=True)
graph = pydotplus.graph_from_dot_data(dot_data)
graph.write_pdf('iris.pdf')
f = open('iris.png', 'wb')
f.write(graph.create_png())
f.close()
# 畫圖
N, M = 50, 50 # 橫縱各采樣多少個值
x1_min, x2_min = x.min()
x1_max, x2_max = x.max()
t1 = np.linspace(x1_min, x1_max, N)
t2 = np.linspace(x2_min, x2_max, M)
x1, x2 = np.meshgrid(t1, t2) # 生成網(wǎng)格采樣點
x_show = np.stack((x1.flat, x2.flat), axis=1) # 測試點
print x_show.shape
# # 無意義，只是為了湊另外兩個維度
# # 打開該注釋前，確保注釋掉x = x[:, :2]
# x3 = np.ones(x1.size) * np.average(x[:, 2])
# x4 = np.ones(x1.size) * np.average(x[:, 3])
# x_test = np.stack((x1.flat, x2.flat, x3, x4), axis=1) # 測試點
cm_light = mpl.colors.ListedColormap(['#A0FFA0', '#FFA0A0', '#A0A0FF'])
cm_dark = mpl.colors.ListedColormap(['g', 'r', 'b'])
y_show_hat = model.predict(x_show) # 預(yù)測值
print y_show_hat.shape
print y_show_hat
y_show_hat = y_show_hat.reshape(x1.shape) # 使之與輸入的形狀相同
print y_show_hat
plt.figure(facecolor='w')
plt.pcolormesh(x1, x2, y_show_hat, cmap=cm_light) # 預(yù)測值的顯示
plt.scatter(x_test[0], x_test[1], c=y_test.ravel(), edgecolors='k', s=150, zorder=10, cmap=cm_dark, marker='*') # 測試數(shù)據(jù)
plt.scatter(x[0], x[1], c=y.ravel(), edgecolors='k', s=40, cmap=cm_dark) # 全部數(shù)據(jù)
plt.xlabel(iris_feature[0], fontsize=15)
plt.ylabel(iris_feature[1], fontsize=15)
plt.xlim(x1_min, x1_max)
plt.ylim(x2_min, x2_max)
plt.grid(True)
plt.title(u'鳶尾花數(shù)據(jù)的決策樹分類', fontsize=17)
plt.show()
以上就是決策樹做分類，但決策樹也可以用來做回歸，不說直接上代碼：
if __name__ == "__main__":
N =100
x = np.random.rand(N) *6 -3
x.sort()
y = np.sin(x) + np.random.randn(N) *0.05
x = x.reshape(-1,1)
print x
dt = DecisionTreeRegressor(criterion='mse',max_depth=9)
dt.fit(x,y)
x_test = np.linspace(-3,3,50).reshape(-1,1)
y_hat = dt.predict(x_test)
plt.plot(x,y,'r*',ms =5,label='Actual')
plt.plot(x_test,y_hat,'g-',linewidth=2,label='predict')
plt.legend(loc ='upper left')
plt.grid()
plt.show()
#比較決策樹的深度影響
depth =[2,4,6,8,10]
clr = 'rgbmy'
dtr = DecisionTreeRegressor(criterion='mse')
plt.plot(x,y,'ko',ms=6,label='Actual')
x_test = np.linspace(-3,3,50).reshape(-1,1)
for d,c in zip(depth,clr):
dtr.set_params(max_depth=d)
dtr.fit(x,y)
y_hat = dtr.predict(x_test)
plt.plot(x_test,y_hat,'-',color=c,linewidth =2,label='Depth=%d' % d)
plt.legend(loc='upper left')
plt.grid(b =True)
plt.show()
不同深度對回歸的 影響如下圖：
下面上個隨機森林代碼
mpl.rcParams['font.sans-serif'] = [u'SimHei'] # 黑體 FangSong/KaiTi mpl.rcParams['axes.unicode_minus'] = False path = 'iris.data' # 數(shù)據(jù)文件路徑 data = pd.read_csv(path, header=None) x_prime = data[range(4)] y = pd.Categorical(data[4]).codes feature_pairs = [[0, 1]] plt.figure(figsize=(10,9),facecolor='#FFFFFF') for i,pair in enumerate(feature_pairs): x = x_prime[pair] clf = RandomForestClassifier(n_estimators=200,criterion='entropy',max_depth=3) clf.fit(x,y.ravel()) N, M =50,50 x1_min,x2_min = x.min() x1_max,x2_max = x.max() t1 = np.linspace(x1_min,x1_max, N) t2 = np.linspace(x2_min,x2_max, M) x1,x2 = np.meshgrid(t1,t2) x_test = np.stack((x1.flat,x2.flat),axis =1) y_hat = clf.predict(x) y = y.reshape(-1) c = np.count_nonzero(y_hat == y) print '特征：',iris_feature[pair[0]],'+',iris_feature[pair[1]] print '\t 預(yù)測正確數(shù)目：',c cm_light = mpl.colors.ListedColormap(['#A0FFA0', '#FFA0A0', '#A0A0FF']) cm_dark = mpl.colors.ListedColormap(['g', 'r', 'b']) y_hat = clf.predict(x_test) y_hat = y_hat.reshape(x1.shape) plt.pcolormesh(x1,x2,y_hat,cmap =cm_light) plt.scatter(x[pair[0]],x[pair[1]],c=y,edgecolors='k',cmap=cm_dark) plt.xlabel(iris_feature[pair[0]],fontsize=12) plt.ylabel(iris_feature[pair[1]], fontsize=14) plt.xlim(x1_min, x1_max) plt.ylim(x2_min, x2_max) plt.grid() plt.tight_layout(2.5) plt.subplots_adjust(top=0.92) plt.suptitle(u'隨機森林對鳶尾花數(shù)據(jù)的兩特征組合的分類結(jié)果', fontsize=18) plt.show()
以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。
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