机器学习决策树作业

Posted 2022-05-06 T_Y_F666

机器学习决策树作业

作业：（1）编程实现：利用信息增益率作为评定标准，实现根节点的决策树的特征选择（封装为函数，或类）（2）编程实现：利用Gini系数做为评定标准，实现根节点的特征选择（3）比较二者在分类的准确率的差别。要求：感性写出自己的收获或疑惑，以便我在下节课有针对的讲解。

(1）编程实现：利用信息增益率作为评定标准，实现根节点的决策树的特征选择（封装为函数，或类）

信息增益

计算公式

特征A对数据集D的信息增益比：

其中$g_R$(D, A)是特征A对数据集D的信息增益。$H_A$(D)是特征A对数据集的经验熵

思路

信息增益比$\to$信息增益 经验熵
信息增益$\to$原信息熵 条件熵

代码

import numpy as np
import pandas as pd

train_data = pd.read_csv('playornot.csv')
X, y = train_data.iloc[:, :-1], train_data.iloc[:, -1]
# 信息特征
attrs = train_data.columns[:-1]


# 计算原信息熵
def calc_entropy(series):
    prob = series.value_counts(normalize=True).values
    return - prob @ np.log2(prob)


# 计算条件熵
def cond_entropy(col, y):
    labels = col.unique()
    attr_ratio = col.value_counts(normalize=True)[labels]  # importance
    entr = np.array([
        - y[col == label].value_counts(normalize=True).values @
        np.log2(y[col == label].value_counts(normalize=True).values)
        for label in labels
    ])
    cond_ent = entr @ attr_ratio
    return cond_ent


# 计算信息增益
def info_gain(X, y):
    H_D = calc_entropy(y)  # 未分割之前的熵
    cond_entropies = np.array([
        cond_entropy(X[col], y)
        for col in X.columns.values
    ])
    info_gain = H_D - cond_entropies
    return info_gain


# 计算经验熵
def exper_entropy(X, y):
    return np.array([cond_entropy(X[col], y)
                     for col in X.columns.values])


if __name__ == '__main__':
    print((info_gain(X, y) / exper_entropy(X, y)))
    # 信息特征最大值为所选特征
    print(attrs[(np.array(info_gain(X, y) / exper_entropy(X, y))).argmax()])

结果

(2）编程实现：利用Gini系数做为评定标准，实现根节点的特征选择

基尼指数

基尼指数表示数据集D的纯度，数值大小表示一个随机选中的样本在子集中被分错的可能性。当一个节点中所有样本都是一个类时，基尼不纯度为零。

思路

假设有K个类，样本点属于第k类的概率为pi，则概率分布的基尼指数为：

import numpy as np
import pandas as pd

train_data = pd.read_csv('playornot.csv')
X, y = train_data.iloc[:, :-1], train_data.iloc[:, -1]
# 信息特征
attrs = train_data.columns[:-1]


# gini系数
def gini():
    return [
        1 - train_data[attr].value_counts(normalize=True).values @ train_data[attr].value_counts(normalize=True).values
        for attr in attrs]


if __name__ == "__main__":
    print(gini())
    # 基尼系数系数增益越大越好
    print(attrs[(np.array(gini())).argmax()])

结果

（3）比较二者在分类的准确率的差别。要求：感性写出自己的收获或疑惑，以便我在下节课有针对的讲解。

两者之间没有绝对的优劣，每个决策都有适用情况，应该针对实际情况进行选择。
适用情况：
信息增益率通常用于离散型的特征划分，因此ID3(以信息增益作为决策标准)和C4.5(以信息增益率作为决策标准)通常情况下都是多叉树，也就是根据离散特征的取值会将数据分到多个子树中；而CART树为二叉树，使用基尼指数作为划分准则，对于离散型特征和连续行特征都能很好的处理。

图二转自该博客
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