【机器学习五】分类算法之决策树

原理：

  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CART。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。

  决策树是广泛用于分类和回归任务的模型。本质上，它从一层层的 if/else 问题中进行学习，并得出结论。

1. 构造决策树

  学习决策树，就是学习一系列 if/else 问题，使我们能够以最快的速度得到正确答案。在机器学习中，这些问题叫作测试（不要与测试集弄混，测试集是用来测试模型泛化性能的数据）。为了构造决策树，算法搜遍所有可能的测试，找出对目标变量来说信息量最大的那一个。
  想要对新数据点进行预测，首先要查看这个点位于特征空间划分的哪个区域，然后将该区域的多数目标值（如果是纯的叶结点，就是单一目标值）作为预测结果。从根结点开始对树进行遍历就可以找到这一区域，每一步向左还是向右取决于是否满足相应的测试。
  决策树也可以用于回归任务，使用的方法完全相同。预测的方法是，基于每个结点的测试对树进行遍历，最终找到新数据点所属的叶结点。这一数据点的输出即为此叶结点中所有训练点的平均目标值。

2. 控制决策树的复杂度

  通常来说，构造决策树直到所有叶结点都是纯的叶结点，这会导致模型非常复杂，并且对训练数据高度过拟合。纯叶结点的存在说明这棵树在训练集上的精度是 100%。训练集中的每个数据点都位于分类正确的叶结点中。
  防止过拟合有两种常见的策略：一种是及早停止树的生长，也叫预剪枝（pre-pruning）；另一种是先构造树，但随后删除或折叠信息量很少的结点，也叫后剪枝（post-pruning）或剪枝（pruning）。预剪枝的限制条件可能包括限制树的最大深度、限制叶结点的最大数目，或者规定一个结点中数据点的最小数目来防止继续划分。
  scikit-learn 的决策树在 DecisionTreeRegressor 类和 DecisionTreeClassifier 类中实现。scikit-learn 只实现了预剪枝，没有实现后剪枝

  我们在乳腺癌数据集上更详细地看一下预剪枝的效果。和前面一样，我们导入数据集并将其分为训练集和测试集。然后利用默认设置来构建模型，默认将树完全展开（树不断分支，直到所有叶结点都是纯的）。我们固定树的 random_state，用于在内部解决平局问题：

from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.datasets import load_breast_cancer
from sklearn.model_selection import train_test_split

cancer = load_breast_cancer()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
    cancer.data, cancer.target, stratify=cancer.target, random_state=42)
tree = DecisionTreeClassifier(random_state=0)
tree.fit(X_train, y_train)
print("Accuracy on training set: {:.3f}".format(tree.score(X_train, y_train)))
print("Accuracy on test set: {:.3f}".format(tree.score(X_test, y_test)))

Accuracy on training set: 1.000
Accuracy on test set: 0.93

  不出所料，训练集上的精度是 100%，这是因为叶结点都是纯的，树的深度很大，足以完美地记住训练数据的所有标签。测试集精度比之前讲过的线性模型略低，线性模型的精度约为 95%。
  如果我们不限制决策树的深度，它的深度和复杂度都可以变得特别大。因此，未剪枝的树容易过拟合，对新数据的泛化性能不佳。现在我们将预剪枝应用在决策树上，这可以在完美拟合训练数据之前阻止树的展开。一种选择是在到达一定深度后停止树的展开。这里我们设置 max_depth=4，这意味着只可以连续问 4 个问题。限制树的深度可以减少过拟合。这会降低训练集的精度，但可以提高测试集的精度：

tree = DecisionTreeClassifier(max_depth=4, random_state=0)
tree.fit(X_train, y_train)
print("Accuracy on training set: {:.3f}".format(tree.score(X_train, y_train)))
print("Accuracy on test set: {:.3f}".format(tree.score(X_test, y_test)))

Accuracy on training set: 0.988
Accuracy on test set: 0.951

3. 分析决策树

  我们可以利用 tree 模块的 export_graphviz 函数来将树可视化。这个函数会生成一个 .dot 格式的文件，这是一种用于保存图形的文本文件格式。我们设置为结点添加颜色的选项，颜色表示每个结点中的多数类别，同时传入类别名称和特征名称，这样可以对树正确标记：

from sklearn.tree import export_graphviz
export_graphviz(tree, out_file="tree.dot", class_names=["malignant","benign"],
feature_names=cancer.feature_names, impurity=False, filled=True)

import graphviz
with open("tree.dot") as f:
dot_graph = f.read()
graphviz.Source(dot_graph)

  树的可视化有助于深入理解算法是如何进行预测的，也是易于向非专家解释的机器学习算法的优秀示例。不过，即使这里树的深度只有 4 层，也有点太大了。深度更大的树（深度为 10 并不罕见）更加难以理解。一种观察树的方法可能有用，就是找出大部分数据的实际路径。

4. 树的特征重要性

  查看整个树可能非常费劲，除此之外，我还可以利用一些有用的属性来总结树的工作原理。其中最常用的是特征重要性（feature importance），它为每个特征对树的决策的重要性进行排序。对于每个特征来说，它都是一个介于 0 和 1 之间的数字，其中 0 表示“根本没用到”， 1 表示“完美预测目标值”。特征重要性的求和始终为 1：

print("Feature importances:\n{}".format(tree.feature_importances_))

  我们可以将特征重要性可视化

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
def plot_feature_importances_cancer(model):
    n_features = cancer.data.shape[1]
    plt.barh(range(n_features), model.feature_importances_, align='center')
    plt.yticks(np.arange(n_features), cancer.feature_names)
    plt.xlabel("Feature importance")
    plt.ylabel("Feature")
plot_feature_importances_cancer(tree)

  这里我们看到，顶部划分用到的特征（“worst radius”）是最重要的特征。这也证实了我们在分析树时的观察结论，即第一层划分已经将两个类别区分得很好。但是，如果某个特征的 feature_importance_ 很小，并不能说明这个特征没有提供任何信息。这只能说明该特征没有被树选中，可能是因为另一个特征也包含了同样的信息。与线性模型的系数不同，特征重要性始终为正数，也不能说明该特征对应哪个类别。特征重要性告诉我们“worst radius”（最大半径）特征很重要，但并没有告诉我们半径大表示样本是良性还是恶性。事实上，在特征和类别之间可能没有这样简单的关系。

  虽然我们主要讨论的是用于分类的决策树，但对用于回归的决策树来说，所有内容都是类似的，在 DecisionTreeRegressor 中实现。回归树的用法和分析与分类树非常类似。但在将基于树的模型用于回归时，我们想要指出它的一个特殊性质。DecisionTreeRegressor（以及其他所有基于树的回归模型）不能外推，也不能在训练数据范围之外进行预测。

5. 优点、 缺点和参数

  如前所述，控制决策树模型复杂度的参数是预剪枝参数，它在树完全展开之前停止树的构造。通常来说，选择一种预剪枝策略（设置 max_depth、 max_leaf_nodes 或 min_samples_leaf）足以防止过拟合。

  与前面讨论过的许多算法相比，决策树有两个优点：一是得到的模型很容易可视化，非专家也很容易理解（至少对于较小的树而言）；二是算法完全不受数据缩放的影响。由于每个特征被单独处理，而且数据的划分也不依赖于缩放，因此决策树算法不需要特征预处理，比如归一化或标准化。特别是特征的尺度完全不一样时或者二元特征和连续特征同时存在时，决策树的效果很好。

  决策树的主要缺点在于，即使做了预剪枝，它也经常会过拟合，泛化性能很差。因此，在大多数应用中，往往使用下面介绍的集成方法来替代单棵决策树。