決策樹演算法

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調頻96.8有一種遊戲：遊戲中，出題者寫下一件東西，其他人需要猜出這件東西是什麼。當然，如果遊戲規則僅此而已的話，幾乎是無法猜出來的，因為問題的規模太大了。為了降低遊戲的難度，答題者可以向出題者問問題，而出題者必須準確回答是或者否，答題者依據回答提出下一個問題，如果能夠在指定次數內確定謎底，即為勝出。

我們先實驗一下，現在我已經寫下了一個物體，而你和我的問答記錄如下：

• 是男的嗎？Y

• 是亞洲人嗎？Y

• 是中國人嗎？N

• 是印度人嗎？Y

•  ……

在上面的遊戲中，我們針對性的提出問題，每一個問題都可以將我們的答案範圍縮小，在提問中和回答者有相同知識背景的前提下，得出答案的難度比我們想象的要小很多。

在每一個節點，依據問題答案，可以將答案劃分為左右兩個分支，左分支代表的是Yes，右分支代表的是No，雖然為了簡化，我們只畫出了其中的一條路徑，但是也可以明顯看出這是一個樹形結構，這便是決策樹的原型。

決策樹演算法 

我們面對的樣本通常具有很多個特徵，正所謂對事物的判斷不能只從一個角度，那如何結合不同的特徵呢？決策樹演算法的思想是，先從一個特徵入手，就如同我們上面的遊戲中一樣，既然無法直接分類，那就先根據一個特徵進行分類，雖然分類結果達不到理想效果，但是通過這次分類，我們的問題規模變小了，同時分類後的子集相比原來的樣本集更加易於分類了。然後針對上一次分類後的樣本子集，重複這個過程。在理想的情況下，經過多層的決策分類，我們將得到完全純淨的子集，也就是每一個子集中的樣本都屬於同一個分類。 由這個分類的過程形成一個樹形的判決模型，樹的每一個非葉子節點都是一個特徵分割點，葉子節點是最終的決策分類。

上面我們介紹決策樹演算法的思想，可以簡單歸納為如下兩點：

• 每次選擇其中一個特徵對樣本集進行分類

• 對分類後的子集遞迴進行步驟1

在第一個步驟中，我們需要考慮的一個最重要的策略是，選取什麼樣的特徵可以實現最好的分類效果，而所謂的分類效果好壞，必然也需要一個評價的指標。

直觀來說就是集合中樣本所屬類別比較集中，最理想的是樣本都屬於同一個分類。樣本集的純度可以用熵來進行衡量。 

在資訊理論中，熵代表了一個系統的混亂程度，熵越大，說明我們的資料集純度越低，當我們的資料集都是同一個類別的時候，熵為0，熵的計算公式如下： 

 其中，P(xi)表示機率，b在此處取2。比如拋硬幣的時候，正面的機率就是1/2，反面的機率也是1/2，那麼這個過程的熵為：

可見，由於拋硬幣是一個完全隨機事件，其結果正面和反面是等機率的，所以具有很高的熵。

假如我們觀察的是硬幣最終飛行的方向，那麼硬幣最後往下落的機率是1，往天上飛的機率是0，帶入上面的公式中，可以得到這個過程的熵為0，所以，熵越小，結果的可預測性就越強。在決策樹的產生過程中，我們的目標就是要劃分後的子集中其熵最小，這樣後續的的迭代中，就更容易對其進行分類。

既然是遞迴過程，那麼就需要制定遞迴的停止規則。

在兩種情況下我們停止進一步對子集進行劃分，其一是劃分已經達到可以理想效果了，另外一種就是進一步劃分收效甚微，不值得再繼續了。

用專業術語總結終止條件有以下幾個：

1. 子集的熵達到閾值

2. 子集規模夠小

3. 進一步劃分的增益小於閾值 

其中，條件3中的增益代表的是一次劃分對資料純度的提升效果，也就是劃分以後，熵減少越多，說明增益越大，那麼這次劃分也就越有價值，增益的計算公式如下：

上述公式可以理解為：計算這次劃分之後兩個子集的熵之和相對劃分之前的熵減少了多少，需要注意的是，計運算元集的熵之和需要乘上各個子集的權重，權重的計算方法是子集的規模佔分割前父集的比重，比如劃分前熵為e，劃分為子集A和B，大小分別為m和n，熵分別為e1和e2，那麼增益就是e - m/(m + n) * e1 - n/(m + n) * e2。

決策樹演算法實現

有了上述概念，我們就可以開始開始決策樹的訓練了，訓練過程分為：

1. 選取特徵，分割樣本集

2. 計算增益，如果增益夠大，將分割後的樣本集作為決策樹的子節點，否則停止分割

3. 遞迴執行上兩步

上述步驟是依照ID3的演算法思想（依據資訊增益進行特徵選取和分裂），除此之外還有C4.5以及CART等決策樹演算法。

class DecisionTree(object):    def fit(self, X, y):        # 依據輸入樣本產生決策樹        self.root = self._build_tree(X, y)     def _build_tree(self, X, y, current_depth=0):        #1. 選取最佳分割特徵，產生左右節點        #2. 針對左右節點遞迴產生子樹          def predict_value(self, x, tree=None):        # 將輸入樣本傳入決策樹中，自頂向下進行判定        # 到達葉子節點即為預測值

在上述代碼中，實現決策樹的關鍵是遞迴構造子樹的過程，為了實現這個過程，我們需要做好三件事：分別是節點的定義，最佳分割特徵的選擇，遞迴產生子樹。　　

ZPPenny
連結：http://www.jianshu.com/p/c4d0837e9439
來源：簡書

總結

決策樹是一種簡單常用的分類器，通過訓練好的決策樹可以實現對未知的資料進行高效分類。

決策樹模型具有較好的可讀性和描述性，有助於輔助人工分析；

決策樹的分類效率高，一次構建後可以反覆使用，而且每一次預測的計算次數不超過決策樹的深度。

決策樹也有其缺點：

對於連續的特徵，比較難以處理。

對於多分類問題，計算量和準確率都不理想。

在實際應用中，由於其最底層葉子節點是通過父節點中的單一規則產生的，所以通過手動修改樣本特徵比較容易欺騙分類器，比如在攔擊郵件識別系統中，使用者可能通過修改某一個關鍵特徵，就可以騙過垃圾郵件識別系統。從實現上來講，由於樹的產生採用的是遞迴，隨著樣本規模的增大，計算量以及記憶體消耗會變得越來越大。

過擬合也是決策樹面臨的一個問題，完全訓練的決策樹(未進行剪紙，未限制Gain的閾值)能夠100%準確地預測訓練樣本，因為其是對訓練樣本的完全擬合，但是，對與訓練樣本以外的樣本，其預測效果可能會不理想，這就是過擬合。

解決決策樹的過擬合，除了上文說到的通過設定Gain的閾值作為停止條件之外，通常還需要對決策樹進行剪枝，常用的剪枝策略有

　　１.Pessimistic Error Pruning：悲觀錯誤剪枝

　　２.Minimum Error Pruning：最小誤差剪枝

　　３.Cost-Complexity Pruning：代價複雜剪枝

　　４. Error-Based Pruning：基於錯誤的剪枝，即對每一個節點，都用一組測試資料集進行測試，如果分裂之後，能夠降低錯誤率，再繼續分裂為兩棵子樹，否則直接作為葉子節點。

　　５. Critical Value Pruning：關索引值剪枝，這就是上文中提到的設定Gain的閾值作為停止條件。

以最簡單的方式展示了ID3決策樹的實現方式，如果想要瞭解不同類型的決策樹的差別，可以參考這個連結。
另外，關於各種機器學習演算法的實現，強烈推薦參考Github倉庫ML-From-Scratch，下載代碼之後，通過pip install -r requirements.txt安裝依賴庫即可運行代碼。

 

 

決策樹演算法