CART之回归树构建

转自:https://cethik.vip/2016/09/21/machineCAST/


问题提出

在看李航的《统计学习方法》的决策树那一章节,提到了CART算法,讲解了如何分别构建分类树和回归树,文章的侧重点好像在分类树上,对回归树只是提了一下,让我很是不解,于是google了下,大家基本上都在讲怎么构建CART分类树,好像回归树不存在似得,所以根据我手头现有的资料和查找到的文献,为大家以一个例子的方式讲解如何生存CART回归树。

概念

先来回顾下关于CART回归树概念性的东西吧。

首先要强调的是CART假设决策树是二叉树,内部结点特征的取值只有“是”和“否”,左分支是取值为“是”的分支,有分支则相反。这样的决策树等价于递归地二分每个特征。

CART生成

决策树的生成就是递归地构建二叉决策树的过程,对回归树用平方误差最小化准则,对分类树用基尼指数最小化准则,进行特征选择,生成二叉树

回归树的生成

最小二叉回归树生成算法

输入:训练数据集D;
输出:回归树f(x)

算法:

在训练数据集所在的输入空间中,递归地将每个区域划分为两个子区域并决定每个子区域上输出值,构建二叉决策树:

  1. 择最优切分变量j切分点s,求解
    minj,s[minc1xiR1(j,s)(yic1)2+minc2xiR2(j,s)(yic2)2] minj,s[minc1∑xi∈R1(j,s)(yi−c1)2+minc2∑xi∈R2(j,s)(yi−c2)2]
    遍历变量 j j,对固定的切分变量 j j扫描切分点 s s,选择使上式最小值的对 (j,s) (j,s)。其中 Rm Rm是被划分的输入空间, cm cm是空间 Rm Rm对应的固定输出值。
  2. 用选定的对 (j,s) (j,s)划分区域并决定相应的输出值:
    R1(j.s)={xx(j)s},R2(j,s)={xx(j)>sc^m=1NmxiRm(j,s)yi,xRm,m=1,2 R1(j.s)={x∣x(j)≤s},R2(j,s)={x∣x(j)>sc^m=1Nm∑xi∈Rm(j,s)yi,x∈Rm,m=1,2
  3. 继续对两个子区域调用步骤(1),(2),直至满足停止条件。
  4. 将输入空间划分为M个区域 R1,R2,,RM R1,R2,…,RM,生成决策树:
    f(x)=m=1Mc^mI(xR) f(x)=∑m=1Mc^mI(x∈R)

示例

上面的东西有点难以理解,下面举个例子来说明。

训练数据见下表, x x的取值范围为区间 [0.5,10.5] [0.5,10.5], y y的取值范围为区间 [5.0,10.0] [5.0,10.0],学习这个回归问题的最小二叉回归树。

xi xi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
yi yi 5.56 5.70 5.91 6.40 6.80 7.05 8.90 8.70 9.00 9.05

首先来看这个优化问题

minj,s[minc1xiR1(j,s)(yic1)2+minc2xiR2(j,s)(yic2)2] minj,s[minc1∑xi∈R1(j,s)(yi−c1)2+minc2∑xi∈R2(j,s)(yi−c2)2]
求解训练数据的切分点 s s:
R1={xxs},R2={xx>s} R1={x∣x≤s},R2={x∣x>s}
容易求得在 R1 R1, R2 R2内部使得平方损失误差达到最小值的 c1 c1, c2 c2为:
c1=1N1xiR1yi,c2=1N2xiR2yi c1=1N1∑xi∈R1yi,c2=1N2∑xi∈R2yi
这里 N1 N1, N2 N2 R1 R1, R2 R2的样本点数。

求训练数据的切分点,根据所给数据,考虑如下切分点:

1.5,2.5,3.5,4.5,5.5,6.5,7.5,8.5,9.5 1.5,2.5,3.5,4.5,5.5,6.5,7.5,8.5,9.5
对各切分点,不难求出相应的 R1 R1  ,   R2 R2  ,   c1 c1  ,   c2 c2
m(s)=minj,s[minc1xiR1(j,s)(yic1)2+minc2xiR2(j,s)(yic2)2] m(s)=minj,s[minc1∑xi∈R1(j,s)(yi−c1)2+minc2∑xi∈R2(j,s)(yi−c2)2]
例如,当 s=1.5 s=1.5时, R1={1} R1={1}  ,   R2={2,3,,10} R2={2,3,…,10}  ,   c1=5.56 c1=5.56  ,   c2=7.50 c2=7.50  ,
m(s)=minj,s[minc1xiR1(j,s)(yic1)2+minc2xiR2(j,s)(yic2)2]=0+15.72=15.72 m(s)=minj,s[minc1∑xi∈R1(j,s)(yi−c1)2+minc2∑xi∈R2(j,s)(yi−c2)2]=0+15.72=15.72
现将 s s m(s) m(s)的计算结果列表如下:
s s 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5
m(s) m(s) 15.72 12.07 8.36 5.78 3.91 1.93 8.01 11.73 15.74

由上表可知,当 x=6.5 x=6.5的时候达到最小值,此时 R1={1,2,,6} R1={1,2,…,6} ,  R2=7,8,9,10 R2=7,8,9,10 ,  c1=6.24 c1=6.24 ,  c2=8.9 c2=8.9 , 所以回归树 T1(x) T1(x)为:

T1(x)={6.24,8.91,x<6.5x6.5 T1(x)={6.24,x<6.58.91,x≥6.5

f1(x)=T1(x) f1(x)=T1(x)
f1(x) f1(x)拟合训练数据的残差见下表,表中 r2i=yif1(xi),i=1,2,,10 r2i=yi−f1(xi),i=1,2,…,10
xi xi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
yi yi -0.68 -0.54 -0.33 0.16 0.56 0.81 -0.01 -0.21 0.09 0.14

f1(x) f1(x)拟合训练数据的平方误差:

L(y,f1(x))=i=110(yif1(xi))2=1.93 L(y,f1(x))=∑i=110(yi−f1(xi))2=1.93
第2步求 T2(x) T2(x).方法与求 T1(x) T1(x)一样,只是拟合的数据是上表的残差,可以得到:
T2(x)={0.52,0.22,x<3.5x3.5 T2(x)={−0.52,x<3.50.22,x≥3.5

f2(x)=f1(x)+T2(x)=5.72,6.46,9.13,x<3.53.5x<6.5x6.5 f2(x)=f1(x)+T2(x)={5.72,x<3.56.46,3.5≤x<6.59.13,x≥6.5
f2(x) f2(x)拟合训练数据的平方误差是:
L(y,f2(x))=i=110(yif2(xi))2=0.79 L(y,f2(x))=∑i=110(yi−f2(xi))2=0.79
继续求得
T3(x)={0.15,0.22,x<6.5x6.5L(y,f3(x))=0.47, T3(x)={0.15,x<6.5−0.22,x≥6.5L(y,f3(x))=0.47,

T4(x)={0.16,0.11,x<4.5x4.5L(y,f3(x))=0.30, T4(x)={−0.16,x<4.50.11,x≥4.5L(y,f3(x))=0.30,

T5(x)={0.07,0.11,x<6.5x6.5L(y,f3(x))=0.23, T5(x)={0.07,x<6.5−0.11,x≥6.5L(y,f3(x))=0.23,

T6(x)={0.15,0.04,x<2.5x2.5 T6(x)={−0.15,x<2.50.04,x≥2.5

f6(x)=f5(x)+T6(x)=T1(x)++T5(x)+T6(x)=5.63,5.82,6.56,6.83,8.95,x<2.52.5x<3.53.5x<4.54.5x<6.5x6.5 f6(x)=f5(x)+T6(x)=T1(x)+…+T5(x)+T6(x)={5.63,x<2.55.82,2.5≤x<3.56.56,3.5≤x<4.56.83,4.5≤x<6.58.95,x≥6.5
f6(x) f6(x)拟合训练数据的平方损失误差是
L(y,f6(x))=i=110(yif6(xi))2=0.71 L(y,f6(x))=∑i=110(yi−f6(xi))2=0.71
假设此时已经满足误差要求,那么 f(x)=f6(x) f(x)=f6(x)即为所求的回归树。


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