决策树原理实例（python代码实现）
决策数(Decision Tree)在机器学习中也是比较常见的一种算法，属于监督学习中的一种。看字面意思应该也比较容易理解，相比其他算法比如支持向量机(SVM)或神经网络，似乎决策树感觉“亲切”许多。
- 优点：计算复杂度不高，输出结果易于理解，对中间值的缺失值不敏感，可以处理不相关特征数据。
- 缺点：可能会产生过度匹配的问题。
- 使用数据类型：数值型和标称型。
简单介绍完毕，让我们来通过一个例子让决策树“原形毕露”。
一天，老师问了个问题，只根据头发和声音怎么判断一位同学的性别。
为了解决这个问题，同学们马上简单的统计了7位同学的相关特征，数据如下：
| 头发 | 声音 | 性别 |
|---|---|---|
| 长 | 粗 | 男 |
| 短 | 粗 | 男 |
| 短 | 粗 | 男 |
| 长 | 细 | 女 |
| 短 | 细 | 女 |
| 短 | 粗 | 女 |
| 长 | 粗 | 女 |
| 长 | 粗 | 女 |
机智的同学A想了想，先根据头发判断，若判断不出，再根据声音判断，于是画了一幅图，如下：
于是，一个简单、直观的决策树就这么出来了。头发长、声音粗就是男生；头发长、声音细就是女生；头发短、声音粗是男生；头发短、声音细是女生。
原来机器学习中决策树就这玩意，这也太简单了吧。。。
这时又蹦出个同学B，想先根据声音判断，然后再根据头发来判断，如是大手一挥也画了个决策树：
同学B的决策树：首先判断声音，声音细，就是女生；声音粗、头发长是男生；声音粗、头发长是女生。
那么问题来了：同学A和同学B谁的决策树好些？计算机做决策树的时候，面对多个特征，该如何选哪个特征为最佳的划分特征？
划分数据集的大原则是：将无序的数据变得更加有序。
我们可以使用多种方法划分数据集，但是每种方法都有各自的优缺点。于是我们这么想，如果我们能测量数据的复杂度，对比按不同特征分类后的数据复杂度，若按某一特征分类后复杂度减少的更多，那么这个特征即为最佳分类特征。
Claude Shannon 定义了熵（entropy）和信息增益(information gain)。
用熵来表示信息的复杂度，熵越大，则信息越复杂。公式如下：
信息增益(information gain)，表示两个信息熵的差值。
首先计算未分类前的熵，总共有8位同学，男生3位，女生5位。
熵（总）=-3/8log2(3/8)-5/8log2(5/8)=0.9544
接着分别计算同学A和同学B分类后信息熵。
同学A首先按头发分类，分类后的结果为：长头发中有1男3女。短头发中有2男2女。
熵（同学A长发）=-1/4log2(1/4)-3/4log2(3/4)=0.8113
熵（同学A短发）=-2/4log2(2/4)-2/4log2(2/4)=1
熵（同学A）=4/80.8113+4/81=0.9057
信息增益（同学A）=熵（总）-熵（同学A）=0.9544-0.9057=0.0487
同理，按同学B的方法，首先按声音特征来分，分类后的结果为：声音粗中有3男3女。声音细中有0男2女。
熵（同学B声音粗）=-3/6log2(3/6)-3/6log2(3/6)=1
熵（同学B声音粗）=-2/2log2(2/2)=0
熵（同学B）=6/81+2/8*0=0.75
信息增益（同学B）=熵（总）-熵（同学B）=0.9544-0.75=0.2087
按同学B的方法，先按声音特征分类，信息增益更大，区分样本的能力更强，更具有代表性。
以上就是决策树ID3算法的核心思想。
接下来用python代码来实现ID3算法：
from math import log
import operator
def calcShannonEnt(dataSet): # 计算数据的熵(entropy)
numEntries=len(dataSet) # 数据条数
labelCounts={}
for featVec in dataSet:
currentLabel=featVec[-1] # 每行数据的最后一个字（类别）
if currentLabel not in labelCounts.keys():
labelCounts[currentLabel]=0
labelCounts[currentLabel]+=1 # 统计有多少个类以及每个类的数量
shannonEnt=0
for key in labelCounts:
prob=float(labelCounts[key])/numEntries # 计算单个类的熵值
shannonEnt-=prob*log(prob,2) # 累加每个类的熵值
return shannonEnt
def createDataSet1(): # 创造示例数据
dataSet = [['长', '粗', '男'],
['短', '粗', '男'],
['短', '粗', '男'],
['长', '细', '女'],
['短', '细', '女'],
['短', '粗', '女'],
['长', '粗', '女'],
['长', '粗', '女']]
labels = ['头发','声音'] #两个特征
return dataSet,labels
def splitDataSet(dataSet,axis,value): # 按某个特征分类后的数据
retDataSet=[]
for featVec in dataSet:
if featVec[axis]==value:
reducedFeatVec =featVec[:axis]
reducedFeatVec.extend(featVec[axis+1:])
retDataSet.append(reducedFeatVec)
return retDataSet
def chooseBestFeatureToSplit(dataSet): # 选择最优的分类特征
numFeatures = len(dataSet[0])-1
baseEntropy = calcShannonEnt(dataSet) # 原始的熵
bestInfoGain = 0
bestFeature = -1
for i in range(numFeatures):
featList = [example[i] for example in dataSet]
uniqueVals = set(featList)
newEntropy = 0
for value in uniqueVals:
subDataSet = splitDataSet(dataSet,i,value)
prob =len(subDataSet)/float(len(dataSet))
newEntropy +=prob*calcShannonEnt(subDataSet) # 按特征分类后的熵
infoGain = baseEntropy - newEntropy # 原始熵与按特征分类后的熵的差值
if (infoGain>bestInfoGain): # 若按某特征划分后，熵值减少的最大，则次特征为最优分类特征
bestInfoGain=infoGain
bestFeature = i
return bestFeature
def majorityCnt(classList): #按分类后类别数量排序，比如：最后分类为2男1女，则判定为男；
classCount={}
for vote in classList:
if vote not in classCount.keys():
classCount[vote]=0
classCount[vote]+=1
sortedClassCount = sorted(classCount.items(),key=operator.itemgetter(1),reverse=True)
return sortedClassCount[0][0]
def createTree(dataSet,labels):
classList=[example[-1] for example in dataSet] # 类别：男或女
if classList.count(classList[0])==len(classList):
return classList[0]
if len(dataSet[0])==1:
return majorityCnt(classList)
bestFeat=chooseBestFeatureToSplit(dataSet) #选择最优特征
bestFeatLabel=labels[bestFeat]
myTree={bestFeatLabel:{}} #分类结果以字典形式保存
del(labels[bestFeat])
featValues=[example[bestFeat] for example in dataSet]
uniqueVals=set(featValues)
for value in uniqueVals:
subLabels=labels[:]
myTree[bestFeatLabel][value]=createTree(splitDataSet\
(dataSet,bestFeat,value),subLabels)
return myTree
if __name__=='__main__':
dataSet, labels=createDataSet1() # 创造示列数据
print(createTree(dataSet, labels)) # 输出决策树模型结果
输出结果为：
{'声音': {'细': '女', '粗': {'头发': {'短': '男', '长': '女'}}}}
这个结果的意思是：首先按声音分类，声音细为女生；然后再按头发分类：声音粗，头发短为男生；声音粗，头发长为女生。
这个结果也正是同学B的结果。
补充说明：判定分类结束的依据是，若按某特征分类后出现了最终类（男或女），则判定分类结束。使用这种方法，在数据比较大，特征比较多的情况下，很容易造成过拟合，于是需进行决策树枝剪，一般枝剪方法是当按某一特征分类后的熵小于设定值时，停止分类。
ID3算法存在的缺点：
- ID3算法在选择根节点和内部节点中的分支属性时，采用信息增益作为评价标准。信息增益的缺点是倾向于选择取值较多是属性，在有些情况下这类属性可能不会提供太多有价值的信息。
- ID3算法只能对描述属性为离散型属性的数据集构造决策树 。
为了改进决策树，又提出了ID4.5算法和CART算法。之后有时间会介绍这两种算法。
参考：
- Machine Learning in Action
- 统计学习方法