Python3入门机器学习 - 决策树

信息熵

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左式的信息熵较高，代表左式的不确定性更强，左式即指数据有三个类别，每个类别占1/3
右式的信息熵为0，是信息熵可以达到的最小值，代表数据的不确定性最低，即最确定

绘制决策树的决策边界

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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import datasets

iris = datasets.load_iris()
X = iris.data[:,2:]
y = iris.target

from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
#criterion="entropy"代表使用信息熵进行划分
dt_clf = DecisionTreeClassifier(max_depth=2, criterion="entropy")
dt_clf.fit(X,y)

plot_decision_boundary(dt_clf,axis=[0.5,7.5,0,3])
plt.scatter(X[y==0,0],X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0],X[y==1,1])
plt.scatter(X[y==2,0],X[y==2,1])
plt.show()

使用信息熵寻找最优划分

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from collections import Counter
from math import log

def split(X,y,d,value):
    index_a = (X[:,d]<=value)
    index_b = (X[:,d]>value)
    return X[index_a],X[index_b],y[index_a],y[index_b]

def entropy(y):
    counter = Counter(y)
    res = 0.0
    for num in counter.values():
        p = num/len(y)
        res += -p*log(p)
    return res

def try_split(X,y):
    
    best_entropy = float('inf')
    best_d,best_v = -1,-1
    
    for d in range(X.shape[1]):
        sorted_index = np.argsort(X[:,d])
        for i in range(1,len(X)):
            if(X[sorted_index[i-1],d]!=X[sorted_index[i],d]):
                v = (X[sorted_index[i-1],d]+X[sorted_index[i],d])/2
                X_l,X_r,y_l,y_r = split(X,y,d,v)
                e = entropy(y_l)+entropy(y_r)
                if e<best_entropy:
                    best_entropy,best_d,best_v = e,d,v
    return  best_entropy,best_d,best_v

try_split(X,y)
>>> (0.6931471805599453, 0, 2.45)  #对于第一次划分，得到的信息熵为0.36，是在第0个维度上的2.45处划分的结果

best_entropy,best_d,best_v = try_split(X,y)
X_l,X_r,y_l,y_r = split(X,y,best_d,best_v)
entropy(y_l)   #划分结果的y_l信息熵为0，不能继续划分，但我们可以对y_r继续划分
>>> 0.0

try_split(X_r,y_r)
>>> (0.4132278899361904, 1, 1.75)

使用基尼系数进行划分

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基尼系数的划分整体和信息熵是一样的，只是使用计算的公式不同

基尼系数计算公式

def entropy(y):
    counter = Counter(y)
    res = 1.0
    for num in counter.values():
        p = num/len(y)
        res -= p**2
    return res
#try_split逻辑和信息熵划分完全一样

决策树的超参数

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#在创建对象的时候，如果不传参数，那么默认会划分到所有分类的基尼系数都为0
dec_clf = DecisionTreeClassifier()
dec_clf.fit(X,y)
plot_decision_boundary(dec_clf,[-1.5,2.5,-1.0,1.5])
plt.scatter(X[y==0,0],X[y==0,1])
plt.scatter(X[y==1,0],X[y==1,1])
plt.show()

过拟合

• max_depth #最大深度
• min_samples_split #对于节点来说至少有多少个样本数据
• min_samples_leaf #对于叶子节点至少要几个样本
• max_leaf_nodes #最多有多少个叶子节点

CART决策树的超参数

决策树解决回归问题

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决策树解决回归问题的思路是，将每个叶子节点内所有样本数据的平均值作为预测结果。