机器学习：WEKA的应用之 J48（C4.5）

Posted 2022-06-17 happy_XYY

对于机器学习分类问题的解决方法除了SVM（支持向量机）、maxent（最大熵）还有J48和Adaboost，这两项工具箱都有集成在weka里，下面先说一下对J48即C4.5的应用

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1. weka的下载与安装
2. 什么是J48（C4.5）
3. weka中J48（C4.5）的应用

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一、weka的下载与安装

下载地址：weka下载地址（SourceForge） 我用的是win7的32位系统，安装后点击图标，在命令框中会出现如下提示

---Registering Weka Editors---
Trying to add database driver (JDBC): jdbc.idbDriver - Error, not in CLASSPATH?


由于暂时用不到数据库，此错误可以先忽略

二、什么是J48（C4.5）

J48是一种决策树算法，那下面首先说一下什么是决策树。

决策树(Decision Tree）是在已知各种情况发生概率的基础上，通过构成决策树来求取净现值的期望值大于等于零的概率，评价项目风险，判断其可行性的决策分析方法，是直观运用概率分析的一种图解法。由于这种决策分支画成图形很像一棵树的枝干，故称决策树。在机器学习中，决策树是一个预测模型，他代表的是对象属性与对象值之间的一种映射关系。Entropy = 系统的凌乱程度，使用算法ID3, C4.5和C5.0生成树算法使用熵。这一度量是基于信息学理论中熵的概念。

决策树是一种树形结构，其中每个内部节点表示一个属性上的测试，每个分支代表一个测试输出，每个叶节点代表一种类别。

分类树（决策树）是一种十分常用的分类方法。他是一种监管学习，所谓监管学习就是给定一堆样本，每个样本都有一组属性和一个类别，这些类别是事先确定的，那么通过学习得到一个分类器，这个分类器能够对新出现的对象给出正确的分类。这样的机器学习就被称之为监督学习。

决策树算法

Trees 即决策树算法，决策树是对数据进行分类，以此达到预测的目的。该决策树方法先根据训练集数据形成决策树，如果该树不能对所有对象给出正确的分类，那么选择一些例外加入到训练集数据中，重复该过程一直到形成正确的决策集。决策树代表着决策集的树形结构。决策树由决策结点、分支和叶子组成。决策树中最上面 的结点为根结点，每个分支是一个新的决策结点，或者是树的叶子。每个决策结点代表一个问题或决策，通常 对应于待分类对象的属性。每一个叶子结点代表一种可能的分类结果。沿决策树从上到下遍历的过程中，在每个结点都会遇到一个测试，对每个结点上问题的不同的 测试输出导致不同的分支，最后会到达一个叶子结点，这个过程就是利用决策树进行分类的过程，利用若干个变量来判断所属的类别。

Id3 即决策树 ID3 算法

ID3 算法是由 Quinlan 首先提出的。该算法是以信息论为基础，以信息熵和信息增益度为衡量标准，从而实现对数据的归纳分类。

以下是一些信息论的基本概念：

定义 1：若存在 n 个相同概率的消息，则每个消息的概率 p 是 1/n，一个消息传递的信息量为 Log2(n)

定义 2：若有 n 个消息，其给定概率分布为 P=(p1,p2 … pn)，则由该分布传递的信息量称为 P 的熵，记为

I (p) =-(i=1 to n 求和 ) piLog2(pi) 。

定义 3：若一个记录集合 T 根据类别属性的值被分成互相独立的类 C1C2..Ck，则识别 T 的一个元素所属哪个类所需要的信息量为 Info (T) =I (p) ，其中 P 为 C1C2 … Ck 的概率分布，即 P= (|C1|/|T| … |Ck|/|T|)

定义 4：若我们先根据非类别属性 X 的值将 T 分成集合 T1,T2 … Tn，则确定 T 中一个元素类的信息量可通过确定 Ti 的加权平均值来得到，即 Info(Ti) 的加权平均值为：

Info(X, T) = (i=1 to n 求和 ) ((|Ti|/|T |) Info (Ti))

定义 5：信息增益度是两个信息量之间的差值，其中一个信息量是需确定 T 的一个元素的信息量，另一个信息量是在已得到的属性 X 的值后需确定的 T 一个元素的信息量，信息增益度公式为：

Gain(X, T) =Info (T)-Info(X, T)

J48 即决策树 C4.5 算法

C4.5 算法一种分类决策树算法 , 其核心算法是 ID3 算法。C4.5 算法继承了 ID3 算法的优点，并在以下几方面对 ID3 算法进行了改进：

   用信息增益率来选择属性，克服了用信息增益选择属性时偏向选择取值多的属性的不足；

    在树构造过程中进行剪枝；

    能够完成对连续属性的离散化处理；

    能够对不完整数据进行处理。

C4.5 算法有如下优点：产生的分类规则易于理解，准确率较高。其缺点是：在构造树的过程中，需要对数据集进行多次的顺序扫描和排序，因而导致算法的低效。

三、weka中J48（C4.5）的应用

1、简单介绍一下weka

Weka的全名是怀卡托智能分析环境（Waikato Environment for Knowledge Analysis），是一款免费的，非商业化（与之对应的是SPSS公司商业数据挖掘产品–Clementine ）的，基于JAVA环境下开源的机器学习（machine learning）以及数据挖掘（data minining）软件。它和它的源代码可在其官方网站下载（网址）。有趣的是，该软件的缩写WEKA也是New Zealand独有的一种鸟名，而Weka的主要开发者同时恰好来自New Zealand的the University of Waikato。

WEKA作为一个公开的数据挖掘工作平台，集合了大量能承担数据挖掘任务的机器学习算法，包括对数据进行预处理，分类，回归、聚类、关联规则以及在新的交互式界面上的可视化。

2、主要界面

上图中,主要使用右方的四个模块，说明如下：

explorer ： 使用weka探索数据的环境，包括获取关联项，分类预测，聚簇等

experimenter：运行算法试验、管理算法方案之间的统计检验的环境；

knowledgeFlow：这个环境本质上和Explorer所支持的功能是一样的，但是它有一个，可以拖放的界面。有一个优势，就是支持增量学习

simpleCLI：提供一个简单的命令行界面，从而可以在没有自带命令行的操作系统中直接执行weka命令（某些情况下使用命令行功能更好一些）

主界面：进入explorer模式后

标签栏

主界面最左上角（标题栏下方）的是标签栏，分为五个部分，功能依次是：

Preprocess(数据预处理)：选择和修改要处理的数据；

Classify(分类)：训练和测试关于分类或回归的学习方案；

Cluster(聚类)：从数据中学习聚类；

Associate(关联)：从数据中学习关联规则；

Select attributes(属性选择)：选择数据中最相关的属性；

Visualize(可视化)：查看数据的交互式二维图像。

载入、编辑数据

标签栏下方是载入数据栏，功能如下：

Open file：打开一个对话框，允许你浏览本地文件系统上的数据文件（.dat）；
Open URL：请求一个存有数据的URL 地址；
Open DB：从数据库中读取数据；
Generate：从一些数据生成器中生成人造数据。

其他界面说明
接下来的主界面中依次是Filter（筛选器），Currtent relation（当前关系）、Attributes（属性信息）、Selected attribute（选中的属性信息）以及Class（类信息），分别介绍如下：

Filter
在预处理阶段，可以定义筛选器来以各种方式对数据进行变换。Filter 一栏用于对各种筛选器进行必要设置。Filter一栏的左边是一个Choose 按钮。点击这个按钮就可选择Weka中的某个筛选器。用鼠标左键点击这个choose左边的显示框，将出现GenericObjectEditor对话框。用鼠标右键点击将出现一个菜单，你可从中选择，要么在GenericObjectEditor对话框中显示相关属性，要么将当前的设置字符复制到剪贴板。

Currtent relation
显示当前打开的数据文件的基本信息：Relation（关系名），Instances（实例数）以及Attributes（属性个数）。

Attributes 显示数据文件中的属性信息，并且包含四个操作按键：

All：所有选择框都被勾选；
None：所有选择框被取消；
Invert：已勾选的选择框都被取消，反之亦然；
Pattern：让用户基于Perl 5正则表达式来选择属性。例如，用*_id选择所有名称以_id结束的属性。
底下显示的就是数据文件包含的属性，可以进行勾选等操作。特别地，当数据预处理是不要某个属性时，将其各选，点击列表正下方的Remove按键即可删除这一属性:

Selected attribute
显示勾选的属性的基本信息。
Class
显示属性中数据元组的直方图。点击Visualize all按键可以查看所有属性中元组的直方图。

实现基本数据挖掘功能：
Associate（关联规则）

注意：目前，Weka的关联规则分析功能仅能用来作示范，不适合用来挖掘大型数据集。
各部分功能说明如下：
Associator
切换到Associate选项卡。单击choose按键，可以选择关联规则算法，系统默认关联规则分析算法是Apriori算法。选择关联规则算法后，点Choose右边的文本框修改默认的参数，弹出的窗口中点More可以看到各参数的说明。一下简列几项：
upperBoundMinSupport：最小支持度上限 removeAllMissingCols ：移除具有遗失值的列
lowerBoundMinSupport ：最小支持度下限 outputItemSets ：如果有可能也输出项集
significanceLevel：显著性水平 classIndex：确定分类属性，如果设为-1,则最后一个属性为分类属性
treatZeroAsMissing ：将遗失值全部置为0 numRules：在某种关联规则下取出的满足条件的规则数；
metricType：关联、程度指标；

注意：各种关联规则算法都是尤其使用范围的，并不是所有的属性的数据类型都能被某一算法处理，典型的例如Apriori算法。因此可以在choose下拉菜单中选择Filter选项，在其中勾选待处理数据的属性的类型以滤除无法使用的算法。要想知道每种算法都是用哪些数据类型，可以左击choose旁边的文本框，在弹出的菜单栏中单击capabilities选项可以看到这种算法能够处理的数据类型。
Result list 点击Associator下方的start按键可以开始进行关联项分析，结果列表即出现在Result list中，右击出现更多选项可供选择。Associator output 这里显示关联分析结果，如图为一个例子：

一次显示了10个符合条件的关联规则，并且在其后显示了关联规则的四项指标以供参考。

Classify（分类预测）
该部分实现数据挖掘中的分类与预测功能，提供了各种主要的分类预测算法供使用者选择。下面是界面各部分的介绍：

Classifier
在choose一栏中选择需要的分类算法，同样地方法，每当选择一个算法，这个算法便在choose左边的文本框中进行显示，单击他会出现一个菜单，其中包含了一些参数的设定和more以及capabilities选项，欠着用来获取那些需要设定参数的具体信息，后者用来获取算法适合的属性数据类型，这一点是相似的，因此在对数据进行处理是也应该注意数据的属性类型，单击choose在下拉菜单中选择Filter按键可以进行数据类型的选择从而过滤掉不能使用的算法。。
Test option
提供四种测试模式：
1. Using training set.根据分类器在用来训练的实例上的预测效果来评价它。
2. Supplied test set. 从文件载入的一组实例，根据分类器在这组实例上的预测效果来评价它。点击 Set…按钮将打开一个对话框来选择用来测试的文件。
3. Cross-validation.使用交叉验证来评价分类器，所用的折数填在Folds 文本框中。
4. Percentage split.从数据集中按一定百分比取出部分数据放在一边作测试用，根据分类器这些实例上预测效果来评价它。取出的数据量由% 一栏中的值决定。
当一切准备就绪时，点击start按键开始分类过程，完成后Result list中会显示结果列表，并且Classifier output中会显示出结果。右击Result list中的结果，可以看见多个选项，选择Visualize tree，新窗口里可以看到图形模式的决策树。建议把这个新窗口最大化，然后点右键，选“Fit to screen”，可以把这个树看清楚些。先运行一个结果解释其中一些内容，如图所示：

第一行的Correctly Classified Instances表示当前参与分类的实例中被正确分类的实例数目，第二行Incorrectly Classified Instances表示未被正确分类的实例数目。

关于Confusion Matrix，解释如下：
原本“pep”是“YES”的实例，有74个被正确的预测为“YES”，有64个错误的预测成了“NO”；原本“pep”是“NO”的实例，有30个被错误的预测为“YES”，有132个正确的预测成了“NO”。74+64+30+132 = 300是实例总数，而(74+132)/300 = 0.68667正好是正确分类的实例所占比例。这个矩阵对角线上的数字越大，说明预测得越好。
更多选项及解释内容参见：

Cluster（聚簇分析）
聚簇分析的原理就是将为标定类的数据根据其相似性分为几个类，在同一类中的 数据元组具有较强的相似性，而在不同类中的数据元组则没有相似性或者很弱。

现对其主要界面说明如下：
Clusterer
单击choose，在这里可以选择适当的聚簇算法，选择后该算法会出现在choose左边的文本框中，在单击弹出的菜单可以对参数进行设定。同时在选择more或者capabilities选项可以查看每种设定表示的具体信息和该算法的适用范围（包括适用的数据类型信息等）。
Cluster mode
Cluster Mode一栏用来决定依据什么来聚类以及如何评价聚类的结果。前三个选项和分类的情形是一样的：Use training set、Supplied test set 和Percentage split区别在于现在的数据是要聚集到某个类中，而不是预测为某个指定的类别。第四个模式，Classes to clusters evaluation，是要比较所得到的聚类与在数据中预先给出的类别吻合得怎样。和Classify面板一样，下方的下拉框是用来选择作为类别
的属性的。在 Cluster mode 之外，有一个Store clusters for visualization的勾选框，该框决定了在训练完算法后可否对数据进行可视化。
设定按start开始进行，注意在其上方的可以允许我们忽略某些属性。
Result list
与前面的情形一样，该栏对结果进行顺序显示。右击每一项弹出选择菜单：如，Visualize cluster assignments和Visualize tree。后者在它不可用时会变灰。
Clusterer output
显示聚簇分析的结果。

3、J48所做的主要操作

（1） 需要调整数据的格式（可以先在matlab中将数据转换为CSV格式的数据，然后再用explorer中的编辑将数据save为arff格式的数据）

（2） 在classification中选择好模型，并选择合适的参数

（3） 将结果存储，或者做评估。