sklearn1.分类决策树

Posted 2021-09-19 Z|Star

前言

决策树是机器学习中的一种常用算法。相关数学理论我也曾在数学建模专栏中数学建模学习笔记（二十五）决策树
介绍过，本篇博文不注重相关数学原理，主要注重使用sklearn实现分类树的效果。
参考课程见【2020机器学习全集】菜菜的sklearn完整版

决策树简介

决策树（Decision Tree）是一种非参数的有监督学习方法，它能够从一系列有特征和标签的数据中总结出决策规则，并用树状图的结构来呈现这些规则，以解决分类和回归问题。

sklearn中的决策树

• 模块sklearn.tree

树类型	库表示
分类树	tree.DecisionTreeClassifier
回归树	tree.DecisionTreeRegressor
生成的决策树导出为DOT格式，画图专用	tree.export_graphviz
高随机版本的分类树	tree.ExtraTreeClassifier
高随机版本的回归树	tree.ExtraTreeRegressor

sklearn的基本建模流程

对应python代码

from sklearn import tree #导入需要的模块

clf = tree.DecisionTreeClassifier()     #实例化
clf = clf.fit(X_train,y_train) #用训练集数据训练模型
result = clf.score(X_test,y_test) #导入测试集，从接口中调用需要的信息

分类树 DecisionTreeClassifier

重要参数

criterion 决定不纯度的计算方法

为了要将表格转化为一棵树，决策树需要找出最佳节点和最佳的分枝方法，对分类树来说，衡量这个“最佳”的指标叫做“不纯度”。通常来说，不纯度越低，决策树对训练集的拟合越好。
通俗理解：为了将一群混在一起的复杂样本分开，用不纯度来进行衡量，没分之前，也就是根节点，不纯度最高，之后越往下面不纯度越低，到叶子节点，就完全分离开，不纯度最低，得到的结果最“纯净”！

Criterion这个参数正是用来决定不纯度的计算方法的。sklearn提供了两种选择：
1）输入”entropy“，使用信息熵（Entropy）
2）输入”gini“，使用基尼系数（Gini Impurity）

不填写，默认的是gini。
sklearn实际计算的是基于信息熵的信息增益(Information Gain)，即父节点的信息熵和子节点的信息熵之差。

选取规则:
通常就使用基尼系数
数据维度很大，噪音很大时使用基尼系数
维度低，数据比较清晰的时候，信息熵和基尼系数没区别
当决策树的拟合程度不够的时候，使用信息熵
两个都试试，不好就换另外一个

建立分类树步骤

1.导入需要的算法库和模块

from sklearn import tree
from sklearn.datasets import load_wine
from sklearn.model_selection import train_test_split
import pandas as pd
import graphviz

2.查看数据
这里使用的是sklearn自带的wine数据集。

wine = load_wine()
print(wine.data.shape)

print(pd.concat([pd.DataFrame(wine.data), pd.DataFrame(wine.target)], axis=1))
print(wine.feature_names)
print(wine.target_names)

总共178条数据，3分类问题。

3.划分训练集和测试集

Xtrain, Xtest, Ytrain, Ytest = train_test_split(wine.data,wine.target,test_size=0.3)
print(Xtrain.shape)
print(Xtest.shape)

test_size=0.3表示测试集占样本数量的30%

划分之后，训练集为124条数据，测试集为54条数据。

4.模型建立

clf = tree.DecisionTreeClassifier(criterion="entropy")
clf = clf.fit(Xtrain, Ytrain)
score = clf.score(Xtest, Ytest) # 返回预测的准确度
print(score)

这里选用信息熵entropy作为计算方法。
score代表准确度
由于决策树的建立包含随机变量，每次运行结果都不一样。
这里我运行几次大致结果准确率在90%以上。

5.决策树可视化

feature_name = ['酒精','苹果酸','灰','灰的碱性','镁','总酚','类黄酮','非黄烷类酚类','花青素','颜色强度','色调','od280/od315稀释葡萄酒','脯氨酸']

dot_data = tree.export_graphviz(clf
                               ,feature_names= feature_name
                               ,class_names=["类型一","类型二","类型三"]
                               ,filled=True  #控制颜色填充
                               ,rounded=True  #控制图片为圆角
                               )
graph = graphviz.Source(dot_data.replace('helvetica','"Microsoft YaHei"'), encoding='utf-8')
graph.view()

这里直接运行会报错，问题是虽然安装了graphviz库，但仍需安装graphviz插件才能显示图片。
插件下载地址https://graphviz.gitlab.io/download/
windows选择：

在安装时，勾选将graphviz添加到环境变量

replace(‘helvetica’,’“Microsoft YaHei”’), encoding='utf-8’目的是防止中文乱码，使用utf-8进行重新编码。

运行之后，会直接打开一张pdf图片。

这就是分类决策树，每一个分支节点上第一行代表分支的依据。
颜色代表不纯度，颜色越深代表代表不纯度越小，叶子节点不纯度为0。

6.特征重要性显示
上图的决策树分支是根据特征重要性（信息增益）来进行分支，通过下面的程序可以打印出各个特征的重要性。

print([*zip(feature_name,clf.feature_importances_)])

得到结果：

[('酒精', 0.0), ('苹果酸', 0.0), ('灰', 0.0), ('灰的碱性', 0.03448006546085971), ('镁', 0.0), ('总酚', 0.0), ('类黄酮', 0.4207777417026953), ('非黄烷类酚类', 0.0), ('花青素', 0.0), ('颜色强度', 0.1444829682905809), ('色调', 0.03408453152321241), ('od280/od315稀释葡萄酒', 0.0), ('脯氨酸', 0.3661746930226517)]

有些特征的重要性为0，说明这些指标在决策树中没有被利用。

随机参数 random_state & splitter

在上面的例子中，每次运行结果都会有些不同，原因在于使用sklearn自带的决策树时，它会默认“栽种”好几棵不同的决策树，从中返回出效果最好的那一棵。

random_state用来设置分枝中的随机模式的参数，默认None，输入任意整数，会一直长出同一棵树，让模型稳定下来。

splitter也是用来控制决策树中的随机选项的，有两种输入值：

• 输入”best"，决策树在分枝时虽然随机，但是还是会优先选择更重要的特征进行分枝（重要性可以通过属性feature_importances_查看）
• 输入“random"，决策树在分枝时会更加随机，树会因为含有更多的不必要信息而更深更大，并因这些不必要信息而降低对训练集的拟合。这也是防止过拟合的一种方式。

clf = tree.DecisionTreeClassifier(criterion="entropy"
                                 ,random_state=30
                                 ,splitter="random"
                                 )

设置随机参数可以让决策树稳定或者更随机，效果不确定，一切以最后的score为主。

剪枝策略 max_depth

max_depth 用来限制树的最大深度，超过设定深度的树枝全部剪掉
策树多生长一层，对样本量的需求会增加一倍。
实际使用时，建议从=3开始尝试，看看拟合的效果再决定是否增加设定深度。

剪枝策略 min_samples_leaf & min_samples_split

min_samples_leaf限定，一个节点在分枝后的每个子节点都必须包含至少min_samples_leaf个训练样本，否则分
枝就不会发生，一般来说，建议从=5开始使用。

min_samples_split限定，一个节点必须要包含至少min_samples_split个训练样本，这个节点才允许被分枝，否则
分枝就不会发生。

clf = tree.DecisionTreeClassifier(criterion="entropy"
                                 ,random_state=30
                                 ,splitter="random"
                                 ,max_depth=3
                                 ,min_samples_leaf=10
                                 ,min_samples_split=10
                                 )

剪枝策略max_features & min_impurity_decrease

max_features限制分枝时考虑的特征个数，超过限制个数的特征都会被舍弃。

min_impurity_decrease限制信息增益的大小，信息增益小于设定数值的分枝不会发生。

确认最优的剪枝参数

通过编程循环，控制其它量不变，一个量循环改变，画图显示，可以显示出这个量的最优值。

下面以max_depth为例：

import matplotlib.pyplot as plt

test = []
for i in range(10):
    clf = tree.DecisionTreeClassifier(max_depth=i+1
                                     ,criterion="entropy"
                                     ,random_state=30
                                     ,splitter="random"
                                     )
    clf = clf.fit(Xtrain, Ytrain)
    score = clf.score(Xtest, Ytest)
    test.append(score)
plt.plot(range(1,11),test,color="red",label="max_depth")
plt.legend()
plt.show()

绘制结果如图所示

说明max_depth取4时，效果最好。

目标权重参数class_weight & min_weight_fraction_leaf

想象这种情况：在银行要判断“一个办了信用卡的人是否会违约”，就是 是vs否（1%：99%）的比例，在这种情况下，出现了样本不平衡，这个时候就需要调整其目标权重参数。

使用class_weight参数对样本标签进行一定的均衡，给少量的标签更多的权重，让模型更偏向少数类，向捕获少数类的方向建模。该参数默认None，此模式表示自动给与数据集中的所有标签相同的权重。

有了权重之后，样本量就不再是单纯地记录数目，而是受输入的权重影响了，因此这时候剪枝，就需要搭配min_weight_fraction_leaf这个基于权重的剪枝参数来使用。

重要属性和接口

1.(上面提到过）feature_importances_
能够查看各个特征对模型的重要性
注意后面的下划线_不能省略

2.apply
返回每个测试样本所在的叶子节点的索引

clf.apply(Xtest)

3.predict返回每个测试样本的分类/回归结果

clf.predict(Xtest)

其它内容补充

分类树天生不擅长环形数据，最擅长月亮型数据的是最近邻算法，RBF支持向量机和高斯过程；最擅长环形数据的是最近邻算法和高斯过程；最擅长对半分的数据的是朴素贝叶斯，神经网络和随机森林。

上面是分类树的结果，环形数据可以看到左侧出现一块白色，说明分类效果不好。