决策树算法总结

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前言

决策树是机器学习模型较常用的一种方法，李航老师《统计学习方法》详细的描述了决策树的生成和剪枝，本文根据书中的内容，对决策树进行了总结。

目录

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1. 决策树不确定性的度量方法

2. 决策树的特征筛选准则

3. 决策函数的损失函数评估

4. 决策树最优模型的构建步骤

5. 决策树的优缺点分析
   

决策树不确定性的度量方法

1. 不确定性的理解

下图为事件A是否发生的概率分布，事件发生记为1，讨论事件A的不确定性。

(1) 我们考虑一种极端的情况，若 p=1或 p=0，表示为事件A必定发生或事件A不可能发生，即不确定性为0。

(2) 若 p>1/2，即事件A发生的概率大于事件A不发生的概率，我们倾向于预测事件A是发生的；若 p<1/2，即事件A不发生的概率小于事件A发生的概率，我们倾向于预测事件A是不发生的。若 p=1/2，即事件A发生的概率等于事件A不发生的概率，我们无法作出预测，即事件A的不确定性达到最大，以致于我们无从预测，或者可以理解成事件A太复杂了，复杂的我们只能靠运气去猜测事件A是否发生。

2. 决策树不确定性的度量方法

本文用熵和基尼指数去衡量数据集的不确定性，假设数据集包含了K类，每个类的大小和比例分别为 Di 和 pi，i = 1,2,...K。

（1）熵的不确定性度量方法

在信息论和概率论统计中，熵是表示随机变量不确定性的度量，令熵为H(p)，则：

熵越大，数据集的不确定性就越大。

（2）基尼指数的不确定度量方法

数据集的基尼指数定义为：

基尼指数越大，数据集的不确定性越大。

决策树的特征筛选准则

假设数据集A共有K个特征，记为xi，i=1,2,...K。数据集A的不确定性越大，则数据集A包含的信息也越多。假设数据集A的信息为H（A），经过特征xi筛选后的信息为H(A|xi)，定义信息增益g(A,xi)为两者的差值，即：

g(A,xi) = H(A) - H(A|xi)

选择使数据集A信息增益最大的特征作为筛选特征，数学表示为：

x = max( g(A,xi) ) = max( H(A) - H(A|xi) )

决策树的损失函数评估

令决策树的叶节点数为T，损失函数为：

其中C(T)为决策树的训练误差，决策树模型用不确定性表示，不确定性越大，则训练误差亦越大。T表示决策树的复杂度惩罚，α参数权衡训练数据的训练误差与模型复杂度的关系，意义相当于正则化参数。

考虑极端情况：当α趋于0的时候，最优决策树模型的训练误差接近 0，模型处于过拟合；当α趋于无穷大的时候，最优决策树模型是由根节点组成的单节点树。

决策树最优模型的构建步骤

将数据集A通过一定的比例划分为训练集和测试集。

决策树的损失函数：

决策树最优模型的构建步骤包括训练阶段和测试阶段：

训练阶段：

（1）最小化决策树的不确定性值得到的生成模型，即决策树生成；

（2）通过决策树剪枝，得到不同的正则化参数α下的最优决策树模型，即决策树剪枝。

下面重点讨论训练阶段的决策树生成步骤和决策树剪枝步骤。

决策树生成步骤：

（1） 根据决策树的特征筛选准则，选择数据集信息增益最大的特征；

 （2） 重复第一个步骤，直到所有叶节点的不确定性为0 。

决策树剪枝步骤：

（1） 将正则化参数α从小到大分成不同的区间，对决策树的非叶节点进行剪枝，令该节点为T，以该节点为根节点的子树为Tt。

（2） 当α满足如下条件时：

即节点为单节点树的损失函数与子树Tt的损失函数相等，而剪枝后的复杂度降低了，泛化性能较好，因此，对该节点进行剪枝。

（3）遍历所有非叶节点，得到每个剪枝后的最优子树与对应的α参数 。

备注：决策树生成和剪枝步骤只给出大致框架，具体请参考李航《统计学习方法》

测试阶段：

通过测试集评估不同α参数下的最优决策树模型，选择测试误差最小的最优决策树模型和相应的正则化参数α。

决策树的优缺点分析

优点：

算法简单，模型具有很强的解释性

可以用于分类和回归问题

缺点：

决策树模型很容易出现过拟合现象，即训练数据集的训练误差很小，测试数据集的测试误差很大，且不同的训练数据集构建的模型相差也很大。实际项目中，我们往往不是单独使用决策树模型，为了避免决策树的过拟合，需对决策树结合集成算法使用，如bagging算法和boosting算法。

参考：

李航《统计学习方法》

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