机器学习实战（二）：决策树（sklearn）

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一、Sklearn之使用决策树预测隐形眼睛类型

1、实战背景

本节我们将通过一个例子讲解决策树如何预测患者需要佩戴的隐形眼镜类型。使用小数据集，我们就可以利用决策树学到很多知识：眼科医生是如何判断患者需要佩戴的镜片类型；一旦理解了决策树的工作原理，我们甚至也可以帮助人们判断需要佩戴的镜片类型。

示例：使用决策树预测隐形眼镜类型
(1)收集数据：提供的文本文件。
(2)准备数据：解析tab键分隔的数据行。
(3)分析数据：快速检查数据，确保正确地解析数据内容，使用createPlot()函数绘制
最终的树形图。
(4)训练算法：使用上节的createTree()函数。
(5)测试算法：编写测试函数验证决策树可以正确分类给定的数据实例。
(6)使用算法：存储树的数据结构，以便下次使用时无需重新构造树。

隐形眼镜数据集是非常著名的数据集，它包含很多换着眼部状态的观察条件以及医生推荐的隐形眼镜类型。隐形眼镜类型包括硬材质(hard)、软材质(soft)以及不适合佩戴隐形眼镜(no lenses)。数据来源与UCI数据库，数据集下载地址：点击

一共有24组数据，数据的Labels依次是age、prescript、astigmatic、tearRate、class，也就是第一列是年龄，第二列是症状，第三列是是否散光，第四列是眼泪数量，第五列是最终的分类标签。数据如下图所示：

​

我们先使用已经写好的Python程序构建决策树，后面使用Sklearn实现。

就改了后面，直接看代码后面就行，里面使用了matplotlib画图，有兴趣可以看看，后面介绍画图更好的一种方法

from matplotlib.colors import cnames
from matplotlib.font_manager import FontProperties
import matplotlib.pyplot as plt
from math import log
import operator
​
"""
函数说明:计算给定数据集的经验熵(香农熵)
 
Parameters:
    dataSet - 数据集
Returns:
    shannonEnt - 经验熵(香农熵)
"""
def calcShannonEnt(dataSet):
    numEntires = len(dataSet)                        #返回数据集的行数
    labelCounts = {}                                #保存每个标签(Label)出现次数的字典
    for featVec in dataSet:                            #对每组特征向量进行统计
        currentLabel = featVec[-1]                    #提取标签(Label)信息
        if currentLabel not in labelCounts.keys():    #如果标签(Label)没有放入统计次数的字典,添加进去
            labelCounts[currentLabel] = 0
        labelCounts[currentLabel] += 1                #Label计数
    shannonEnt = 0.0                                #经验熵(香农熵)
    for key in labelCounts:                            #计算香农熵
        prob = float(labelCounts[key]) / numEntires    #选择该标签(Label)的概率
        shannonEnt -= prob * log(prob, 2)            #利用公式计算
    return shannonEnt                                #返回经验熵(香农熵)
 
"""
函数说明:创建测试数据集
Parameters:
    无
Returns:
    dataSet - 数据集
    labels - 分类属性
"""
def createDataSet():
    dataSet = [[0, 0, 0, 0, 'no'],                        #数据集
            [0, 0, 0, 1, 'no'],
            [0, 1, 0, 1, 'yes'],
            [0, 1, 1, 0, 'yes'],
            [0, 0, 0, 0, 'no'],
            [1, 0, 0, 0, 'no'],
            [1, 0, 0, 1, 'no'],
            [1, 1, 1, 1, 'yes'],
            [1, 0, 1, 2, 'yes'],
            [1, 0, 1, 2, 'yes'],
            [2, 0, 1, 2, 'yes'],
            [2, 0, 1, 1, 'yes'],
            [2, 1, 0, 1, 'yes'],
            [2, 1, 0, 2, 'yes'],
            [2, 0, 0, 0, 'no']]
    labels = ['年龄', '有工作', '有自己的房子', '信贷情况']        #特征标签
    return dataSet, labels                             #返回数据集和分类属性
"""
函数说明:按照给定特征划分数据集
算法描述：分别遍历四个特征，例如先第一列
在分别遍历在特征的不同类别，计算Di/D,返回不同类别的个数子集香农熵，
Parameters:
    dataSet - 待划分的数据集
    axis - 划分数据集的特征
    value - 需要返回的特征的值
Returns:
    无
"""
def splitDataSet(dataSet, axis, value):       
    retDataSet = []                                        #创建返回的数据集列表
    for featVec in dataSet:                             #遍历数据集
        if featVec[axis] == value:
            reducedFeatVec = featVec[:axis]                #去掉axis特征
            reducedFeatVec.extend(featVec[axis+1:])     #将符合条件的添加到返回的数据集
            retDataSet.append(reducedFeatVec)
    return retDataSet                                      #返回划分后的数据集
 
"""
函数说明:选择最优特征
 
Parameters:
    dataSet - 数据集
Returns:
    bestFeature - 信息增益最大的(最优)特征的索引值
"""
def chooseBestFeatureToSplit(dataSet):
    numFeatures = len(dataSet[0]) - 1                    #特征数量
    baseEntropy = calcShannonEnt(dataSet)                 #计算数据集的香农熵
    bestInfoGain = 0.0                                  #信息增益
    bestFeature = -1                                    #最优特征的索引值
    for i in range(numFeatures):                         #遍历所有特征
        #获取dataSet的第i个所有特征
        featList = [example[i] for example in dataSet]
        #print(featList)
        uniqueVals = set(featList)                         #创建set集合{},元素不可重复
        #print(uniqueVals)
        newEntropy = 0.0                                  #经验条件熵
        for value in uniqueVals:                         #计算信息增益
            subDataSet = splitDataSet(dataSet, i, value)         #subDataSet划分后的子集
            prob = len(subDataSet) / float(len(dataSet))           #计算子集的概率
            newEntropy += prob * calcShannonEnt(subDataSet)     #根据公式计算经验条件熵
        infoGain = baseEntropy - newEntropy                     #信息增益
        #print("第%d个特征的增益为%.3f" % (i, infoGain))            #打印每个特征的信息增益
        if (infoGain > bestInfoGain):                             #计算信息增益
            bestInfoGain = infoGain                             #更新信息增益，找到最大的信息增益
            bestFeature = i                                     #记录信息增益最大的特征的索引值
    return bestFeature                                             #返回信息增益最大的特征的索引值
​
    #key=operator.itemgetter(1)根据字典的值进行排序
    #key=operator.itemgetter(0)根据字典的键进行排序
    #dict.items()：以列表的形式返回可遍历的元组数组，如[(action,2),(love,1)]  
    # reverse降序排序字典
 
"""
函数说明:统计classList中出现此处最多的元素(类标签)
 
Parameters:
    classList - 类标签列表
Returns:
    sortedClassCount[0][0] - 出现此处最多的元素(类标签)
"""
def majorityCnt(classList):
    classCount = {}
    for vote in classList:                                        #统计classList中每个元素出现的次数
        if vote not in classCount.keys():classCount[vote] = 0   
        classCount[vote] += 1
    sortedClassCount = sorted(classCount.items(), key = operator.itemgetter(1), reverse = True)        #根据字典的值降序排序
    return sortedClassCount[0][0]                                #返回classList中出现次数最多的元素
 
"""
函数说明:创建决策树
Parameters:
    dataSet - 训练数据集
    labels - 分类属性标签
    featLabels - 存储选择的最优特征标签
Returns:
    myTree - 决策树
"""
def createTree(dataSet, labels, featLabels):
    classList = [example[-1] for example in dataSet]            #取分类标签(是否放贷:yes or no)
    if classList.count(classList[0]) == len(classList):            #如果类别完全相同则停止继续划分
        return classList[0]
    if len(dataSet[0]) == 1 or len(labels) == 0:                                    #遍历完所有特征时返回出现次数最多的类标签
        return majorityCnt(classList)
    bestFeat = chooseBestFeatureToSplit(dataSet)                #选择最优特征
    bestFeatLabel = labels[bestFeat]                            #最优特征的标签
    featLabels.append(bestFeatLabel)
    myTree = {bestFeatLabel:{}}                                    #根据最优特征的标签生成树
    del(labels[bestFeat])                                        #删除已经使用特征标签
    featValues = [example[bestFeat] for example in dataSet]        #得到训练集中所有最优特征的属性值
    uniqueVals = set(featValues)                                #去掉重复的属性值
    for value in uniqueVals:                                   #遍历特征，创建决策树。        
        subLabels = labels[:]               
        myTree[bestFeatLabel][value] = createTree(splitDataSet(dataSet, bestFeat, value), subLabels, featLabels)
    return myTree
​
 
"""
函数说明:获取决策树叶子结点的数目
Parameters:
    myTree - 决策树
Returns:
    numLeafs - 决策树的叶子结点的数目
"""
#通过iter()函数获取这些可迭代对象的迭代器。
# 然后，我们可以对获取到的迭代器不断使⽤next()函数来获取下⼀条数据。
def getNumLeafs(myTree):
    numLeafs = 0                                                #初始化叶子
    firstStr = next(iter(myTree))                                #python3中myTree.keys()返回的是dict_keys,不在是list,所以不能使用myTree.keys()[0]的方法获取结点属性，可以使用list(myTree.keys())[0]
    secondDict = myTree[firstStr]                                #获取下一组字典
    for key in secondDict.keys():
        if type(secondDict[key]).__name__=='dict':                #测试该结点是否为字典，如果不是字典，代表此结点为叶子结点
            numLeafs += getNumLeafs(secondDict[key])
        else:   numLeafs +=1
    return numLeafs
 
"""
函数说明:获取决策树的层数
 
Parameters:
    myTree - 决策树
Returns:
    maxDepth - 决策树的层数
"""
def getTreeDepth(myTree):
    maxDepth = 0                                                #初始化决策树深度
    firstStr = next(iter(myTree))                                #python3中myTree.keys()返回的是dict_keys,不在是list,所以不能使用myTree.keys()[0]的方法获取结点属性，可以使用list(myTree.keys())[0]
    secondDict = myTree[firstStr]                                #获取下一个字典
    for key in secondDict.keys():
        if type(secondDict[key]).__name__=='dict':                #测试该结点是否为字典，如果不是字典，代表此结点为叶子结点
            thisDepth = 1 + getTreeDepth(secondDict[key])
        else:   thisDepth = 1
        if thisDepth > maxDepth: maxDepth = thisDepth            #更新层数
    return maxDepth
 
"""
函数说明:绘制结点
 
Parameters:
    nodeTxt - 结点名
    centerPt - 文本位置
    parentPt - 标注的箭头位置
    nodeType - 结点格式
Returns:
    无
"""
def plotNode(nodeTxt, centerPt, parentPt, nodeType):
    arrow_args = dict(arrowstyle="<-")                                            #定义箭头格式
    font = FontProperties(fname=r"c:\windows\fonts\simsun.ttc", size=14)        #设置中文字体
    createPlot.ax1.annotate(nodeTxt, xy=parentPt,  xycoords='axes fraction',    #绘制结点
        xytext=centerPt, textcoords='axes fraction',
        va="center", ha="center", bbox=nodeType, arrowprops=arrow_args, FontProperties=font)
 
"""
函数说明:标注有向边属性值
 
Parameters:
    cntrPt、parentPt - 用于计算标注位置
    txtString - 标注的内容
Returns:
    无
"""
def plotMidText(cntrPt, parentPt, txtString):
    xMid = (parentPt[0]-cntrPt[0])/2.0 + cntrPt[0]                                            #计算标注位置                   
    yMid = (parentPt[1]-cntrPt[1])/2.0 + cntrPt[1]
    createPlot.ax1.text(xMid, yMid, txtString, va="center", ha="center", rotation=30)
 
"""
函数说明:绘制决策树
 
Parameters:
    myTree - 决策树(字典)
    parentPt - 标注的内容
    nodeTxt - 结点名
Returns:
    无
"""
def plotTree(myTree, parentPt, nodeTxt):
    decisionNode = dict(boxstyle="sawtooth", fc="0.8")                                        #设置结点格式
    leafNode = dict(boxstyle="round4", fc="0.8")                                            #设置叶结点格式
    numLeafs = getNumLeafs(myTree)                                                          #获取决策树叶结点数目，决定了树的宽度
    depth = getTreeDepth(myTree)                                                            #获取决策树层数
    firstStr = next(iter(myTree))                                                            #下个字典                                                 
    cntrPt = (plotTree.xOff + (1.0 + float(numLeafs))/2.0/plotTree.totalW, plotTree.yOff)    #中心位置
    plotMidText(cntrPt, parentPt, nodeTxt)                                                    #标注有向边属性值
    plotNode(firstStr, cntrPt, parentPt, decisionNode)                                        #绘制结点
    secondDict = myTree[firstStr]                                                            #下一个字典，也就是继续绘制子结点
    plotTree.yOff = plotTree.yOff - 1.0/plotTree.totalD                                        #y偏移
    for key in secondDict.keys():                               
        if type(secondDict[key]).__name__=='dict':                                            #测试该结点是否为字典，如果不是字典，代表此结点为叶子结点
            plotTree(secondDict[key],cntrPt,str(key))                                        #不是叶结点，递归调用继续绘制
        else:                                                                                #如果是叶结点，绘制叶结点，并标注有向边属性值                                             
            plotTree.xOff = plotTree.xOff + 1.0/plotTree.totalW
            plotNode(secondDict[key], (plotTree.xOff, plotTree.yOff), cntrPt, leafNode)
            plotMidText((plotTree.xOff, plotTree.yOff), cntrPt, str(key))
    plotTree.yOff = plotTree.yOff + 1.0/plotTree.totalD
 
"""
函数说明:创建绘制面板
 
Parameters:
    inTree - 决策树(字典)
Returns:
    无
"""
def createPlot(inTree):
    fig = plt.figure(1, facecolor='white')                                                    #创建fig
    fig.clf()                                                                                #清空fig
    axprops = dict(xticks=[], yticks=[])
    createPlot.ax1 = plt.subplot(111, frameon=False, **axprops)                                #去掉x、y轴
    plotTree.totalW = float(getNumLeafs(inTree))                                            #获取决策树叶结点数目
    plotTree.totalD = float(getTreeDepth(inTree))                                            #获取决策树层数
    plotTree.xOff = -0.5/plotTree.totalW; plotTree.yOff = 1.0;                                #x偏移
    plotTree(inTree, (0.5,1.0), '')                                                            #绘制决策树
    plt.show()                          
"""
函数说明:使用决策树分类
 
Parameters:
    inputTree - 已经生成的决策树
    featLabels - 存储选择的最优特征标签
    testVec - 测试数据列表，顺序对应最优特征标签
Returns:
    classLabel - 分类结果
"""
def classify(inputTree, featLabels, testVec):
    firstStr = next(iter(inputTree))                                                        #获取决策树结点
    secondDict = inputTree[firstStr]                                                        #下一个字典
    featIndex = featLabels.index(firstStr)                                               
    for key in secondDict.keys():
        if testVec[featIndex] == key:
            if type(secondDict[key]).__name__ == 'dict':
                classLabel = classify(secondDict[key], featLabels, testVec)
            else: classLabel = secondDict[key]
    return classLabel
if __name__ == '__main__':
    fr=open('F:\machinelearning\DecisionTree\lenses.txt')
    featLabels = []
    lenses=[inst.strip().split('\t') for inst in fr.readlines()]
    lensesLabels=['age','prescript','astigmatic','tearRate']
    lensesTree=createTree(lenses,lensesLabels,featLabels)
    print(lensesTree)
    print(createPlot(lensesTree))

2、使用Sklearn构建决策树

官方英文文档地址：点击

sklearn.tree模块提供了决策树模型，用于解决分类问题和回归问题。方法如下图所示：

本次实战内容使用的是DecisionTreeClassifier和export_graphviz，前者用于决策树构建，后者用于决策树可视化。

DecisionTreeClassifier构建决策树：

让我们先看下DecisionTreeClassifier这个函数，一共有12个参数：

参数说明如下：

• criterion：特征选择标准，可选参数，默认是gini，可以设置为entropy。gini是基尼不纯度，是将来自集合的某种结果随机应用于某一数据项的预期误差率，是一种基于统计的思想。entropy是香农熵，也就是上篇文章讲过的内容，是一种基于信息论的思想。Sklearn把gini设为默认参数，应该也是做了相应的斟酌的，精度也许更高些？ID3算法使用的是entropy，CART算法使用的则是gini。

• splitter：特征划分点选择标准，可选参数，默认是best，可以设置为random。每个结点的选择策略。best参数是根据算法选择最佳的切分特征，例如gini、entropy。random随机的在部分划分点中找局部最优的划分点。默认的"best"适合样本量不大的时候，而如果样本数据量非常大，此时决策树构建推荐"random"。

• max_features：划分时考虑的最大特征数，可选参数，默认是None。寻找最佳切分时考虑的最大特征数(n_features为总共的特征数)，有如下6种情况：

  • 如果max_features是整型的数，则考虑max_features个特征；

  • 如果max_features是浮点型的数，则考虑int(max_features * n_features)个特征；

  • 如果max_features设为auto，那么max_features = sqrt(n_features)；

  • 如果max_features设为sqrt，那么max_featrues = sqrt(n_features)，跟auto一样；

  • 如果max_features设为log2，那么max_features = log2(n_features)；

  • 如果max_features设为None，那么max_features = n_features，也就是所有特征都用。

  • 一般来说，如果样本特征数不多，比如小于50，我们用默认的"None"就可以了，如果特征数非常多，我们可以灵活使用刚才描述的其他取值来控制划分时考虑的最大特征数，以控制决策树的生成时间。

• max_depth：决策树最大深，可选参数，默认是None。这个参数是这是树的层数的。层数的概念就是，比如在贷款的例子中，决策树的层数是2层。如果这个参数设置为None，那么决策树在建立子树的时候不会限制子树的深度。一般来说，数据少或者特征少的时候可以不管这个值。或者如果设置了min_samples_slipt参数，那么直到少于min_smaples_split个样本为止。如果模型样本量多，特征也多的情况下，推荐限制这个最大深度，具体的取值取决于数据的分布。常用的可以取值10-100之间。

• min_samples_split：内部节点再划分所需最小样本数，可选参数，默认是2。这个值限制了子树继续划分的条件。如果min_samples_split为整数，那么在切分内部结点的时候，min_samples_split作为最小的样本数，也就是说，如果样本已经少于min_samples_split个样本，则停止继续切分。如果min_samples_split为浮点数，那么min_samples_split就是一个百分比，ceil(min_samples_split * n_samples)，数是向上取整的。如果样本量不大，不需要管这个值。如果样本量数量级非常大，则推荐增大这个值。

• min_samples_leaf：叶子节点最少样本数，可选参数，默认是1。这个值限制了叶子节点最少的样本数，如果某叶子节点数目小于样本数，则会和兄弟节点一起被剪枝。叶结点需要最少的样本数，也就是最后到叶结点，需要多少个样本才能算一个叶结点。如果设置为1，哪怕这个类别只有1个样本，决策树也会构建出来。如果min_samples_leaf是整数，那么min_samples_leaf作为最小的样本数。如果是浮点数，那么min_samples_leaf就是一个百分比，同上，celi(min_samples_leaf * n_samples)，数是向上取整的。如果样本量不大，不需要管这个值。如果样本量数量级非常大，则推荐增大这个值。

• min_weight_fraction_leaf：叶子节点最小的样本权重和，可选参数，默认是0。这个值限制了叶子节点所有样本权重和的最小值，如果小于这个值，则会和兄弟节点一起被剪枝。一般来说，如果我们有较多样本有缺失值，或者分类树样本的分布类别偏差很大，就会引入样本权重，这时我们就要注意这个值了。

• max_leaf_nodes：最大叶子节点数，可选参数，默认是None。通过限制最大叶子节点数，可以防止过拟合。如果加了限制，算法会建立在最大叶子节点数内最优的决策树。如果特征不多，可以不考虑这个值，但是如果特征分成多的话，可以加以限制，具体的值可以通过交叉验证得到。

• class_weight：类别权重，可选参数，默认是None，也可以字典、字典列表、balanced。指定样本各类别的的权重，主要是为了防止训练集某些类别的样本过多，导致训练的决策树过于偏向这些类别。类别的权重可以通过{class_label：weight}这样的格式给出，这里可以自己指定各个样本的权重，或者用balanced，如果使用balanced，则算法会自己计算权重，样本量少的类别所对应的样本权重会高。当然，如果你的样本类别分布没有明显的偏倚，则可以不管这个参数，选择默认的None。

• random_state：可选参数，默认是None。随机数种子。如果是证书，那么random_state会作为随机数生成器的随机数种子。随机数种子，如果没有设置随机数，随机出来的数与当前系统时间有关，每个时刻都是不同的。如果设置了随机数种子，那么相同随机数种子，不同时刻产生的随机数也是相同的。如果是RandomState instance，那么random_state是随机数生成器。如果为None，则随机数生成器使用np.random。

• min_impurity_split：节点划分最小不纯度,可选参数，默认是1e-7。这是个阈值，这个值限制了决策树的增长，如果某节点的不纯度(基尼系数，信息增益，均方差，绝对差)小于这个阈值，则该节点不再生成子节点。即为叶子节点 。

• presort：数据是否预排序，可选参数，默认为False，这个值是布尔值，默认是False不排序。一般来说，如果样本量少或者限制了一个深度很小的决策树，设置为true可以让划分点选择更加快，决策树建立的更加快。如果样本量太大的话，反而没有什么好处。问题是样本量少的时候，我速度本来就不慢。所以这个值一般懒得理它就可以了。

除了这些参数要注意以外，其他在调参时的注意点有：

• 当样本数量少但是样本特征非常多的时候，决策树很容易过拟合，一般来说，样本数比特征数多一些会比较容易建立健壮的模型

• 如果样本数量少但是样本特征非常多，在拟合决策树模型前，推荐先做维度规约，比如主成分分析（PCA），特征选择（Losso）或者独立成分分析（ICA）。这样特征的维度会大大减小。再来拟合决策树模型效果会好。

• 推荐多用决策树的可视化，同时先限制决策树的深度，这样可以先观察下生成的决策树里数据的初步拟合情况，然后再决定是否要增加深度。

• 在训练模型时，注意观察样本的类别情况（主要指分类树），如果类别分布非常不均匀，就要考虑用class_weight来限制模型过于偏向样本多的类别。

• 决策树的数组使用的是numpy的float32类型，如果训练数据不是这样的格式，算法会先做copy再运行。

• 如果输入的样本矩阵是稀疏的，推荐在拟合前调用csc_matrix稀疏化，在预测前调用csr_matrix稀疏化。

sklearn.tree.DecisionTreeClassifier()提供了一些方法供我们使用，如下图所示：

​

Methods

apply(X[, check_input])	返回每个样本预测为的叶的索引。
cost_complexity_pruning_path(X, y[, ...])	计算最小成本复杂度修剪期间的修剪路径。
decision_path(X[, check_input])	返回树中的决策路径
fit(X, y[, sample_weight, check_input])	根据训练集（X，y）构建决策树分类器
get_depth()	返回决策树的深度
get_n_leaves()	返回决策树的叶数
get_params([deep])	获取此估计器的参数
predict(X[, check_input])	预测X的类或回归值
predict_log_proba(X)	预测输入样本X的类对数概率
predict_proba(X[, check_input])	预测输入样本X的类概率
score(X, y[, sample_weight])	返回给定测试数据和标签的平均精度
set_params(**params)	设置此估计器的参数

• LabelEncoder ：将字符串转换为增量值

• OneHotEncoder：使用One-of-K算法将字符串转换为整数

为了对string类型的数据序列化，需要先生成pandas数据，这样方便我们的序列化工作。这里我使用的方法是，原始数据->字典->pandas数据，编写代码如下：

数据处理

import pandas as pd
 
if __name__ == '__main__':
    with open('lenses.txt', 'r') as fr:                                        #加载文件
        lenses = [inst.strip().split('\t') for inst in fr.readlines()]        #处理文件
    lenses_target = []                                                        #提取每组数据的类别，保存在列表里
    for each in lenses:
        lenses_target.append(each[-1])
 
    lensesLabels = ['age', 'prescript', 'astigmatic', 'tearRate']            #特征标签       
    lenses_list = []                                                        #保存lenses数据的临时列表
    lenses_dict = {}                                                        #保存lenses数据的字典，用于生成pandas
    for each_label in lensesLabels:                                            #提取信息，生成字典
        for each in lenses:
            lenses_list.append(each[lensesLabels.index(each_label)])
        lenses_dict[each_label] = lenses_list
        lenses_list = []
    print(lenses_dict)                                                        #打印字典信息
    lenses_pd = pd.DataFrame(lenses_dict)                                    #生成pandas.DataFrame
    print(lenses_pd)

结果：

​

接下来，将数据序列化，编写代码如下：

import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
if __name__ == '__main__':
    with open('F:\machinelearning\DecisionTree\lenses.txt', 'r') as fr:                                        #加载文件
        lenses = [inst.strip().split('\t') for inst in fr.readlines()]        #处理文件
    lenses_target = []                                                        #提取每组数据的类别，保存在列表里
    for each in lenses:
        lenses_target.append(each[-1])
 
    lensesLabels = ['age', 'prescript', 'astigmatic', 'tearRate']            #特征标签       
    lenses_list = []                                                        #保存lenses数据的临时列表
    lenses_dict = {}                                                        #保存lenses数据的字典，用于生成pandas
    for each_label in lensesLabels:                                            #提取信息，生成字典
        for each in lenses:
            lenses_list.append(each[lensesLabels.index(each_label)])
        lenses_dict[each_label] = lenses_list
        lenses_list = []
    #print(lenses_dict)                                                        #打印字典信息
    lenses_pd = pd.DataFrame(lenses_dict)                                    #生成pandas.DataFrame
    print(lenses_pd)
    
    le = LabelEncoder()                                                #创建LabelEncoder()对象，用于序列化
    #columns属性以返回给定 pd.DataFrame 的列标签lensesLables
    for col in lenses_pd.columns:                                           #为每一列序列化
        #拟合标签编码器并返回编码标签(就是编号)
        lenses_pd[col] = le.fit_transform(lenses_pd[col])
    print(lenses_pd)
​

3、使用Graphviz可视化决策树

Graphviz的是AT&T Labs Research开发的图形绘制工具，他可以很方便的用来绘制结构化的图形网络，支持多种格式输出，生成图片的质量和速度都不错。它的输入是一个用dot语言编写的绘图脚本，通过对输入脚本的解析，分析出其中的点，边以及子图，然后根据属性进行绘制。是使用Sklearn生成的决策树就是dot格式的，因此我们可以直接利用Graphviz将决策树可视化。

在讲解编写代码之前，我们需要安装两样东西，即pydotplus和Grphviz。

（1）pydotplus的简介

Graphviz’s dot language Python interface.。pydot模块提供了一个完整的界面，用于在图表语言中的计算机处理和过程图表。pydotplus是旧pydot项目的一个改进版本，它为graphviz的点语言提供了一个python接口。

（2）graphviz简介

graphviz是一款图形软件，与一般的"所见即所得"的普通画图工具主要使用鼠标拖拽不同，graphviz使用一门名为dot的语言用来描述图表，用户使用dot写脚本，graphviz根据脚本自动布局生成图表。graphviz将这种方式称为"所思即所得"。

（3）安装Pydotplus

pydotplus可以在CMD窗口中，直接使用指令安装：

pip3 install pydotplus

（4）安装Graphviz

Graphviz不能使用pip进行安装，我们需要手动安装，下载地址：https://www.graphviz.org

链接: 百度网盘 请输入提取码 提取码: zw01

下载好安装包，进行安装，安装完毕之后，需要设置Graphviz的环境变量。

首先，按快捷键win+r，在出现的运行对话框中输入sysdm.cpl，或者显示设置中找到高级系统设置，择高级->环境变量。在系统变量的Path变量中，添加Graphviz的环境变量，比如Graphviz安装在了D盘的根目录，则添加：D:\Graphviz\bin;

​

添加好环境变量之后，我们就可以正常使用Graphviz了。

（5）编写代码

详细内容可以查看官方教程（页面顶部user Guide）按套路填：http://scikit-learn.org/stable/modules/tree.html#tree

from sklearn.preprocessing import LabelEncoder, OneHotEncoder
from sklearn import tree
import pandas as pd
import numpy as np
import pydotplus    
from io import StringIO
import graphviz 
​
​
if __name__ == '__main__':
    with open('F:\machinelearning\DecisionTree\lenses.txt', 'r') as fr:                                        #加载文件
        lenses = [inst.strip().split('\t') for inst in fr.readlines()]        #处理文件
    lenses_target = []                                                        #提取每组数据的类别，保存在列表里
    for each in lenses:
        lenses_target.append(each[-1])
 
    lensesLabels = ['age', 'prescript', 'astigmatic', 'tearRate']            #特征标签       
    lenses_list = []                                                        #保存lenses数据的临时列表
    lenses_dict = {}                                                        #保存lenses数据的字典，用于生成pandas
    for each_label in lensesLabels:                                            #提取信息，生成字典
        for each in lenses:
            lenses_list.append(each[lensesLabels.index(each_label)])
        lenses_dict[each_label] = lenses_list
        lenses_list = []
    #print(lenses_dict)                                                        #打印字典信息
    lenses_pd = pd.DataFrame(lenses_dict)                                    #生成pandas.DataFrame
    #print(lenses_pd)
    
    le = LabelEncoder()                                                #创建LabelEncoder()对象，用于序列化
    #columns属性以返回给定 pd.DataFrame 的列标签lensesLables
    for col in lenses_pd.columns:                                           #为每一列序列化
        #拟合标签编码器并返回编码标签(就是编号)
        lenses_pd[col] = le.fit_transform(lenses_pd[col])
    #print(lenses_pd)
    
    clf = tree.DecisionTreeClassifier(max_depth = 4)                        #创建DecisionTreeClassifier()类
    clf = clf.fit(lenses_pd.values.tolist(), lenses_target)                    #使用数据，构建决策树
     
    dot_data = tree.export_graphviz(clf, out_file = None,                            #绘制决策树
                        feature_names = lenses_pd.keys(),
                        class_names = lenses_target,
                        filled=True, rounded=True,
                        special_characters=True)
    graph = graphviz.Source(dot_data)
    graph.view()                          #保存绘制好的决策树，以PDF的形式存储。

运行代码，在该python文件保存的相同目录下，会生成一个名为tree的PDF文件，打开文件，我们就可以看到决策树的可视化效果图了。

​

确定好决策树之后，我们就可以做预测了。可以根据自己的眼睛情况和年龄等特征，看一看自己适合何种材质的隐形眼镜。使用如下代码就可以看到预测结果：

print(clf.predict([[1,1,1,0]]))                 #预测
​

四、总结

        决策树分类器就像带有终止块的流程图，终止块表示分类结果。开始处理数据集时，我们首先需要测量集合中数据的不一致性，也就是熵，然后寻找最优方案划分数据集，直到数据集中的所有数据属于同一分类。D3算法可以用于划分标称型数据集。构建决策树时，我们通常采用递归的方法将数据集转化为决策树。一般我们并不构造新的数据结构，而是使用Pythor语言内嵌的数据结构字典存储树节点信息。

        使用Matplotlib的注解功能，我们可以将存储的树结构转化为容易理解的图形Pythoni语言的pickle模块可用于存储决策树的结构。隐形眼镜的例子表明决策树可能会产生过多的数据集划分，从而产生过度匹配数据集的问题。我们可以通过裁剪决策树，合并相邻的无法产生大量信息增益的叶节点，消除过度匹配问题。还有其他的决策树的构造算法，最流行的是C4.5和CART,第9章讨论回归问题时将介绍CART算法。

        本书第2章、第3章讨论的是结果确定的分类算法，数据实例最终会被明确划分到某个分类中。下一章我们讨论的分类算法将不能完全确定数据实例应该划分到某个分类，或者只能给出数据实例属于给定分类的概率。

参考资料：

1. 本文的代码部分参考机器学习实战

2. 本文的理论部分，参考自《统计学习方法 李航》》

3. .Jack-Cui的博客_CSDN博客-深度学习实战,LeetCode,Python3网络爬虫入门领域博主