【机器学习】红酒数据集和加利福尼亚的房价数据的随机森林算法详解

一.随机森林

1.1随机森林的构建

bootstrap参数代表的是bootstrap sample，也就是“有放回抽样”的意思，指每次从样本空间中可以重复抽取同一个样本（因为样本在第一次被抽取之后又被放回去了）

假设，原始样本是”苹果，”西瓜，”香蕉，桃子]，那么经过bootstrap sample 重构的样本就可能是[西瓜，”西瓜，香蕉”，桃子]，还有可能是['苹果，西瓜，桃子’，桃子]，bootstrap sample生成的数据集和原始数据集在数据量上是完全一样的，但由于进行了重复采样，因此其中有一些数据点会丢失。

1.2 红酒数据集之随机森林

1.使用红酒数据集：

from sklearn.datasets import load_wine
wine = load_wine()
X=wine.data
y=wine.target

2.随机森林

from sklearn.model_selection import train_test_split

3.切分数据集：测试集30%

X_train, X_test,y_train,y_test=train_test_split(X,y,test_size=0.3,random_state=0)

4.随机森林

from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
model = RandomForestRegressor(n_estimators=25, random_state=3)

5.模型训练及评估

model.fit(X_train,y_train)
print('Trainscore：%f'%(model.score(X_train, y_train) ) )
print('Test score：%f '%(model.score(X_test,y_test) ) )

运行结果如下：

6.增加归一化：

按列归一化，使用 zero-score 零均值归一化算法

wine_X = X.copy()
for i in range(X.shape[1]):
    column_X = X[:, i]
    wine_X[:, i] = (column_X - column_X.mean())/column_X.std()

运行结果：

发现结果一样，说明随机森林，数据的归一化对其影响不大。

1.3加利福尼亚的房价数据之随机森林

1.加利福尼亚的房价数据：

from sklearn.datasets import fetch_california_housing
import pandas as pd
housing = fetch_california_housing()
X = housing.data
y = housing.target
df=pd.DataFrame()
for i in range(8):
    df[housing["feature_names"][i]]=X[:,i]
df["target"]=y
df.to_csv("fetch_california_housing.csv",index=None)
pd.set_option('display.max_column', None)
df.describe()

2.进行数据归一化

wine_X = X.copy()
for i in range(X.shape[1]):
    column_X = X[:, i]
    wine_X[:, i] = (column_X - column_X.mean())/column_X.std()

3.随机森林

from sklearn.model_selection import train_test_split

4.切分数据集：测试集30%

X_train, X_test,y_train,y_test=train_test_split(X,y,test_size=0.3,random_state=0)

5.模型训练及评估

from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
model = RandomForestRegressor(n_estimators=25, random_state=3)
model.fit(X_train,y_train)
print('Trainscore：%f'%(model.score(X_train, y_train) ) )
print('Test score：%f '%(model.score(X_test,y_test) ) )

运行结果如下：

1.4为什么要生成bootstrap sample数据集？

这是因为通过重新生成数据集，可以让随机森林中的每一棵决策树在构建的时候，会彼此之间有些差异。再加上每棵树的节点都会去选择不同的样本特征，经过这两步动作之后，可以完全肯定随机森林中的每棵树都不一样。

1.5 bootstrap sample数据集

模型会基于新数据集建立一棵决策树，在随机森林当中，算法不会让每棵决策树都生成最佳的节点，而是会在每个节点上随机地选择一些样本特征，然后让其中之一有最好的拟合表现。可以用max＿features这个参数来控制所选择的特征数量最大值的，在不进行指定的情况下，随机森林默认自动选择最大特征数量。
假如把max＿features设置为样本全部的特征数n＿features就意味着模型会在全部特征中进行筛选，这样在特征选择这一步，就没有随机性可言了。而如果把max＿features的值设为1，就意味着模型在数据特征上完全没有选择的余地，只能去寻找这1个被随机选出来的特征向量的阈值了。
max_eatures的取值越高，随机森林里的每一棵决策树就会“长得更像”，它们因为有更多的不同特征可以选择，也就会更容易拟合数据；反之，如果max＿features取值越低，就会迫使每棵决策树的样子更加不同，而且因为特征太少，决策树们不得不制造更多节点来拟合数据。

n_estimators这个参数控制的是随机森林中决策树的数量。在随机森林构建完成之后，每棵决策树都会单独进行预测。如果是用来进行回归分析的话，随机森林会把所有决策树预测的值取平均数；如果是用来进行分类的话，在森林内部会进行-“投票“-，每棵树预测出数据类别的概率，比如其中一棵树说，“这瓶酒80%属于class_l"，另外一棵树说“这瓶酒60%属于class_2"，随机森林会把这些概率取平均值，然后把样本放入概率最高的分类当中。

对于超大数据集来说，随机森林会比较耗时，不过我们可以用多进程并行处理的方式来解决这个问题。实现方式是调节随机森林的njobs 参数，记得把njobs参数数值设为和CPU内核数一致，比如你的CPU内核数是2，那么njobs参数设为3或者更大是没有意义的。当然如果你搞不清楚自己的CPU到底就多少内核，可以设置njobs＝-1，这样随机森林会使用CPU的全部内核，速度就会极大提升了。

可以发现随机森林所进行的分类要更加细腻一些,对训练数据集的拟合更好。可以自己试试调节n_estimator参数和random_state参数,看看分类器的表现会有怎样的变化。

1.6 随机森林的优势和不足

在机器学习领域，无论是分类还是回归，随机森林都是应用最广泛的算法之一

• 优势

​ 1.不需要过于在意参数的调节

​ 2.不要求对数据进行预处理

​ 3.集成了决策树的所有优点，而且能够弥补决策树的不足

​ 4.支持并行处理

• 不足

​ 1.对于超高维数据集、稀疏数据集等，随机森林模型拟合优度不佳，线性模型要比随机森林的表现更好一些

​ 2.随机森林相对更消耗内存，速度也比线性模型要慢

1.7 决策树