机器学习_决策树与随机森林

决策树是一种常用的监督学习算法，既可以用于分类任务也可以用于回归任务。决策树通过递归地将数据集划分成更小的子集，逐步建立树结构。每个节点对应一个特征，树的叶子节点表示最终的预测结果。构建决策树的关键是选择最佳的特征来分割数据，而信息增益（Information Gain）和熵（Entropy）是常用的度量标准。

熵（Entropy）

原理

熵是衡量随机变量不确定性的指标。在决策树中，熵用于衡量数据集的纯度或混乱程度。熵越高，数据集越混乱；熵越低，数据集越纯净。

公式

对于一个包含 ( n ) 个类别的分类问题，数据集 ( S ) 的熵定义为：
$$\text{Entropy}(S)=-\sum _{i=1}^n{p}_i{\log }_2(p_i)$$
其中，( p_i ) 是数据集中第 ( i ) 类的比例。

示例

假设数据集 ( S ) 有两类（正例和反例），其中正例占比 ( p )，反例占比 ( 1-p )，则熵为：
$$\text{Entropy}(S)=-p{\log }_2(p)-(1-p){\log }_2(1-p)$$

信息增益（Information Gain）

原理

信息增益用于衡量选择某个特征进行划分后，数据集的纯度增加了多少。信息增益越大，说明通过该特征进行划分，能够更好地区分数据。因此，决策树在选择特征进行划分时，会选择信息增益最大的特征。

公式

特征 ( A ) 对数据集 ( S ) 的信息增益定义为：
$$\text{Gain}(S,A)=\text{Entropy}(S)-\sum _{v\in \text{Values}(A)}\frac{|S_v|}{|S|}\text{Entropy}(S_v)$$
其中，Values(A) 表示特征 ( A ) 的所有可能取值，( S_v ) 表示在特征 ( A ) 上取值为 ( v ) 的子集。

示例

假设我们有一个数据集 ( S )，特征 ( A ) 有两个可能取值 ( {a_1, a_2} )，则信息增益计算过程如下：

1. 计算整个数据集的熵：$$\text{Entropy}(S)$$
2. 计算特征 ( A ) 各个取值子集的熵：$$\text{Entropy}(S_{a_1})$$ 和 $$\text{Entropy}(S_{a_2})$$
3. 计算信息增益：
   $$\text{Gain}(S,A)=\text{Entropy}(S)-\left(\frac{|S_{a_1}|}{|S|}\text{Entropy}(S_{a_1})+\frac{|S_{a_2}|}{|S|}\text{Entropy}(S_{a_2})\right)$$

基尼指数（Gini Index）

除了熵和信息增益，基尼指数也是常用的决策树分裂准则。基尼指数衡量数据集的不纯度，值越小越纯。

公式

对于一个包含 ( n ) 个类别的数据集 ( S )，基尼指数定义为：
$$\text{Gini}(S)=1-\sum _{i=1}^n{p}_i^2$$
其中，( p_i ) 是数据集中第 ( i ) 类的比例。

示例

假设数据集 ( S ) 有两类（正例和反例），其中正例占比 ( p )，反例占比 ( 1-p )，则基尼指数为：
$$\text{Gini}(S)=1-(p^2+(1-p{)}^2)=2p(1-p)$$

信息增益率（Information Gain Ratio）

信息增益率是信息增益的一种改进形式，旨在处理信息增益对取值较多的特征的偏好问题。

公式

特征 ( A ) 对数据集 ( S ) 的信息增益率定义为：
$$\text{GainRatio}(S,A)=\frac{\text{Gain}(S,A)}{\text{SplitInformation}(A)}$$
其中，分裂信息（Split Information）定义为：
$$\text{SplitInformation}(A)=-\sum _{v\in \text{Values}(A)}\frac{|S_v|}{|S|}{\log }_2\left(\frac{|S_v|}{|S|}\right)$$

用法

1. 分类：用于分类任务，目标变量是类别。
2. 回归：用于回归任务，目标变量是连续值。

优点

• 易于理解和解释。
• 处理类别特征和数值特征。
• 不需要大量数据预处理。

缺点

• 容易过拟合，尤其在树深度较大时。
• 对噪声数据敏感。

代码实例

以下是使用 scikit-learn 实现决策树分类和回归的代码示例。

from sklearn.datasets import load_iris, load_boston
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier, DecisionTreeRegressor
from sklearn.metrics import accuracy_score, mean_squared_error

# 分类任务
iris = load_iris()
X, y = iris.data, iris.target
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

clf = DecisionTreeClassifier()
clf.fit(X_train, y_train)
y_pred = clf.predict(X_test)

print(f"Classification Accuracy: {accuracy_score(y_test, y_pred)}")

# 回归任务
boston = load_boston()
X, y = boston.data, boston.target
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

reg = DecisionTreeRegressor()
reg.fit(X_train, y_train)
y_pred = reg.predict(X_test)

print(f"Regression MSE: {mean_squared_error(y_test, y_pred)}")

随机森林

随机森林是集成学习方法的一种，通过生成多个决策树，并结合它们的预测结果来提高模型的性能和稳定性。

用法

1. 分类：用于分类任务，通过多个决策树的投票来确定类别。
2. 回归：用于回归任务，通过多个决策树的平均值来预测连续值。

优点

• 减少过拟合的风险。
• 更高的预测准确性。
• 能处理高维数据和缺失值。

缺点

• 计算开销较大，尤其是树的数量较多时。
• 模型复杂性较高，不易解释。

代码实例

以下是使用 scikit-learn 实现随机森林分类和回归的代码示例。

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, RandomForestRegressor

# 分类任务
clf = RandomForestClassifier(n_estimators=100, random_state=42)
clf.fit(X_train, y_train)
y_pred = clf.predict(X_test)

print(f"Random Forest Classification Accuracy: {accuracy_score(y_test, y_pred)}")

# 回归任务
reg = RandomForestRegressor(n_estimators=100, random_state=42)
reg.fit(X_train, y_train)
y_pred = reg.predict(X_test)

print(f"Random Forest Regression MSE: {mean_squared_error(y_test, y_pred)}")

进阶用法和参数调整

决策树参数

• criterion: 分裂的评价标准（gini 或 entropy 用于分类；mse 或 mae 用于回归）。
• max_depth: 树的最大深度，防止过拟合。
• min_samples_split: 分裂内部节点所需的最小样本数。
• min_samples_leaf: 叶节点的最小样本数。

随机森林参数

• n_estimators: 决策树的数量。
• max_features: 每次分裂时考虑的特征数量。
• bootstrap: 是否在构建树时使用自助法采样。
• oob_score: 是否使用袋外样本评估模型性能。

# 调整决策树参数
clf = DecisionTreeClassifier(max_depth=5, min_samples_split=10, criterion='entropy')
clf.fit(X_train, y_train)
y_pred = clf.predict(X_test)
print(f"Tuned Decision Tree Classification Accuracy: {accuracy_score(y_test, y_pred)}")

# 调整随机森林参数
reg = RandomForestRegressor(n_estimators=200, max_features='sqrt', oob_score=True, random_state=42)
reg.fit(X_train, y_train)
y_pred = reg.predict(X_test)
print(f"Tuned Random Forest Regression MSE: {mean_squared_error(y_test, y_pred)}")
print(f"Out-of-Bag Score: {reg.oob_score_}")

可视化决策树

可以使用 graphviz 库可视化决策树，以便更好地理解其结构。

from sklearn.tree import export_graphviz
import graphviz

# 导出决策树图像
dot_data = export_graphviz(clf, out_file=None, feature_names=iris.feature_names, class_names=iris.target_names, filled=True, rounded=True, special_characters=True)
graph = graphviz.Source(dot_data)
graph.render("decision_tree")

通过这些实例，展示了决策树和随机森林在分类和回归任务中的应用。可以根据具体问题调整参数，提升模型的性能和稳定性。