R 集成算法③ 随机森林
1.介绍
如前文所述，随机森林目前拥有比较好的正确率，在各种数据中表现位于前列。随机森林顾名思义，是用随机的方式建立一个森林，森林里面有很多的决策树组成，随机森林的每一棵决策树之间是没有关联的。在得到森林之后，当有一个新的输入样本进入的时候，就让森林中的每一棵决策树分别进行一下判断，看看这个样本应该属于哪一类（对于分类算法），然后看看哪一类被选择最多，就预测这个样本为那一类。在建立每一棵决策树的过程中，有两点需要注意 - 采样与完全分裂。对于行采样，采用有放回的方式，也就是在采样得到的样本集合中，可能有重复的样本。假设输入样本为N个，那么采样的样本也为N个。这样使得在训练的时候，每一棵树的输入样本都不是全部的样本，使得相对不容易出现over-fitting。
然后进行列采样。之后就是对采样之后的数据使用完全分裂的方式建立出决策树，这样决策树的某一个叶子节点要么是无法继续分裂的，要么里面的所有样本的都是指向的同一个分类。
按这种算法得到的随机森林中的每一棵都是很弱的，但是大家组合起来就很厉害了。我觉得可以这样比喻随机森林算法：每一棵决策树就是一个精通于某一个窄领域的专家，这样在随机森林中就有了很多个精通不同领域的专家，对一个新的问题（新的输入数据），可以用不同的角度去看待它，最终由各个专家，投票得到结果。
主要函数
R语言中的randomForest包可以实现随机森林算法的应用，该包中主要涉及5个重要函数，关于这5个函数的语法和参数请见下方：
- formula指定模型的公式形式，类似于y~x1+x2+x3...;
- data指定分析的数据集；
- subset以向量的形式确定样本数据集；
- na.action指定数据集中缺失值的处理方法，默认为na.fail，即不允许出现缺失值，也可以指定为na.omit，即删除缺失样本；
- x指定模型的解释变量，可以是矩阵，也可以是数据框；y指定模型的因变量，可以是离散的因子，也可以是连续的数值，分别对应于随机森林的分类模型和预测模型。这里需要说明的是，如果不指定y值，则随机森林将是一个无监督的模型；
- xtest和ytest用于预测的测试集；
- ntree指定随机森林所包含的决策树数目，默认为500；
- mtry指定节点中用于二叉树的变量个数，默认情况下数据集变量个数的二次方根（分类模型）或三分之一（预测模型）。一般是需要进行人为的逐次挑选，确定最佳的m值；
- replace指定Bootstrap随机抽样的方式，默认为有放回的抽样；
- nodesize指定决策树节点的最小个数，默认情况下，判别模型为1，回归模型为5；
- maxnodes指定决策树节点的最大个数；
- norm.votes显示投票格式，默认以百分比的形式展示投票结果，也可以采用绝对数的形式；
- do.trace是否输出更详细的随机森林模型运行过程，默认不输出；
importance()函数
用于计算模型变量的重要性
importance(x, type=NULL, class="NULL", scale=TRUE, ...)
-
x为randomForest对象；
-
type可以是1，也可以是2，用于判别计算变量重要性的方法，1表示使用精度平均较少值作为度量标准；2表示采用节点不纯度的平均减少值最为度量标准。值越大说明变量的重要性越强；
-
scale默认对变量的重要性值进行标准化。
MDSplot()函数
用于实现随机森林的可视化
MDSplot(rf, fac, k=2, palette=NULL, pch=20, ...)
-
rf为randomForest对象，需要说明的是，在构建随机森林模型时必须指定计算临近矩阵，即设置proximity参数为TRUE；
-
fac指定随机森林模型中所使用到的因子向量（因变量）；
-
palette指定所绘图形中各个类别的颜色；
-
pch指定所绘图形中各个类别形状；还可以通过R自带的plot函数绘制随机森林决策树的数目与模型误差的折线图
rfImpute()函数
可为存在缺失值的数据集进行插补（随机森林法），得到最优的样本拟合值
-
rfImpute(x, y, iter=5, ntree=300, ...)
-
rfImpute(x, data, ..., subset)
-
x为存在缺失值的数据集；
-
y为因变量，不可以存在缺失情况；
-
iter指定插值过程中迭代次数；
-
ntree指定每次迭代生成的随机森林中决策树数量；
-
subset以向量的形式指定样本集。
应用
- 将数据集分为训练集和测试集,并查看数据集基本属性。数据为R自带IRIS数据
setwd("E:\\Rwork")
library(randomForest)
data("iris")
index <- sample(nrow(iris),0.75*nrow(iris))
train <- iris[index,]
test <- iris[index,]
- 选取randomforest –mtry节点值，对应误差最小为2，一般可默认。通常也是2记得。mtry指定节点中用于二叉树的变量个数，默认情况下数据集变量个数的二次方根（分类模型）或三分之一（预测模型）。
n <- length(names(train))
set.seed(100)
library(tcltk)
pb<-tkProgressBar("进度","已完成 %",0,400)
for (i in 1:(n-1)){
info<- sprintf("已完成 %d%%", round(i*100/length(n)))
setTkProgressBar(pb, i*100/length(n), sprintf("进度 (%s)", info),info)
mtry_fit <- randomForest(Species~.,data = train,mtry = i)
error <- mean(mtry_fit$err.rate)
print(error)
}
[1] 0.04328544
[1] 0.04293262
[1] 0.04588242
[1] 0.04616312
- 选择最佳mtry
set.seed(100)
ntree_fit<-randomForest(Species~.,data=train,mtry=2,ntree=1000)
plot(ntree_fit)
- 选择ntree=200
rf <- randomForest(Species~., data = train ,mtry = 2 ,
ntree = 200,importance= TRUE)
)
rf
Call:
randomForest(formula = Species ~ ., data = train, mtry = 2, ntree = 200, importance = TRUE)
Type of random forest: classification
Number of trees: 200
No. of variables tried at each split: 2
OOB estimate of error rate: 4.44%
Confusion matrix:
setosa versicolor virginica class.error
setosa 32 0 0 0.00000000
versicolor 0 29 2 0.06451613
virginica 0 2 25 0.07407407
- 建立随机森林模型
importance <- importance(rf)
importance
importance
setosa versicolor virginica MeanDecreaseAccuracy MeanDecreaseGini
Sepal.Length 4.268225 0.2564647 7.822284 6.792504 7.123898
Sepal.Width 2.409402 -0.7655617 2.686758 2.304386 0.750602
Petal.Length 12.652948 15.2819119 17.274815 19.071343 23.149037
Petal.Width 14.672686 18.1435246 18.742883 21.238528 28.105741
varImpPlot(rf)
pred1<-predict(rf,data=train)
Freq1<-table(pred1,train$Species)
sum(diag(Freq1))/sum(Freq1)
[1] 0.9555556
-
重要性排名
-
测试
table(actual=test$Species,predicted=predict(rf,newdata = test,type = "class"))
predicted
actual setosa versicolor virginica
setosa 30 0 0
versicolor 0 30 0
virginica 0 0 30
