机器学习算法基础 Day5

分类算法-决策树、随机森林

1. 认识决策树

2. 信息论基础-银行贷款分析

3. 决策树的生成

4. 泰坦尼克号乘客生存分类

例子：

决策树思想的来源非常朴素，程序设计中的条件分支结构就是if-then结构，最早的决策树就是利用这类结构分割数据的一种分类学习方法

 

信息的度量和作用

假设有32支球队，猜谁

“谁是世界杯冠军”的信息量应该比5比特少。香农指出，它的准确信息量应该是：

H = -(p1logp1 + p2logp2 + … + p32log32)

式中log以2为底

信息熵

H的专业术语称之为信息熵，单位为比特。

• 32支球队，log32=5比特

• 64支球队，log64=6比特

当这32支球队夺冠的几率相同时，对应的信息熵等于5比特。

当我们得知其他的些有助于判断的信息时，信息熵就会变小

信息和消除不确定性是联系的，信息越多，消除不确定性越多，信息熵越小。

把能减少不确定性的判断放到最前面

信息增益：

当得知一个条件之后 ，信息不确定性减少的程度。

信息和消除不确定性是相联系

决策树的划分依据之一-信息增益

特征A对训练数据集D的信息增益g(D,A),定义为集合D的信息熵H(D)与特征A给定条件下D的信息条件熵H(D|A)之差，即公式为：

 

注：信息增益表示得知特征X的信息而使得类Y的信息的不确定性减少的程度

信息增益的计算

信息熵的计算：

 条件熵的计算：

 代码实现：

    ssl._create_default_https_context = ssl._create_unverified_context
 
    # 获取数据
    df = pd.read_csv('https://datahub.csail.mit.edu/download/jander/historic/file/titanic.csv')
 
    print(df.head())
    # 数据基本处理
 
    df['age'].fillna(df['age'].mean(), inplace=True, axis=0)
 
    x = df[['pclass','age','sex']]
    y = df['survived']
 
    x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(x,y,test_size=0.2)
 
    # 数据预处理
    dict = DictVectorizer()
 
    x_train = dict.fit_transform(x_train.to_dict(orient='records'))
    print(dict.get_feature_names())
    x_test = dict.transform(x_test.to_dict(orient='records'))
 
    # 机器学习 -- 决策树
    estimator = DecisionTreeClassifier()
 
    estimator.fit(x_train,y_train)
 
    y_pre = estimator.predict(x_test)
 
    print('预测的准确率为：\n',estimator.score(x_test,y_test))
    print('预测的结果为：\n',y_pre)
 
    # 树的结构保存、
    export_graphviz(estimator,out_file='./tree.dot',feature_names=['年龄', 'pclass=1st', 'pclass=2nd', 'pclass=3rd', '女性', '男性'])

结合前面的贷款数据来看：

常见决策树使用的算法

• ID3
  信息增益最大的准则；

• C4.5
  信息增益比最大的准则；

• CART
  回归树: 平方误差最小；
  分类树: 基尼系数最小的准则，划分更加仔细，在sklearn中可以选择划分的默认原则

sklearn决策树API

class sklearn.tree.DecisionTreeClassifier(criterion=’gini’, max_depth=None,random_state=None)

决策树分类器

criterion:默认是’gini’系数，也可以选择信息增益的熵’entropy’

max_depth:树的深度大小

random_state:随机数种子

method: decision_path:返回决策树的路径

案例：泰坦尼克号数据分析

在泰坦尼克号和titanic2数据帧描述泰坦尼克号上的个别乘客的生存状态。在泰坦尼克号的数据帧不包含从剧组信息，但它确实包含了乘客的一半的实际年龄。关于泰坦尼克号旅客的数据的主要来源是百科全书Titanica。这里使用的数据集是由各种研究人员开始的。其中包括许多研究人员创建的旅客名单，由Michael A. Findlay编辑。
我们提取的数据集中的特征是票的类别，存活，乘坐班，年龄，登陆，home.dest，房间，票，船和性别。乘坐班是指乘客班（1，2，3），是社会经济阶层的代表。
其中age数据存在缺失。

 

泰坦尼克号乘客生存分类模型

1. pd读取数据

2. 选择有影响的特征，处理缺失值

3. 进行特征工程，pd转换字典，特征抽取
   x_train.to_dict(orient=“records”)

4. 决策树估计器流程

决策树的结构、本地保存
1、sklearn.tree.export_graphviz() 该函数能够导出DOT格式
tree.export_graphviz(estimator,out_file='tree.dot’,feature_names=[‘’,’’])

2、工具:(能够将dot文件转换为pdf、png)
安装graphviz
ubuntu:sudo apt-get install graphviz Mac:brew install graphviz

3、运行命令
然后我们运行这个命令
$ dot -Tpng tree.dot -o tree.png

程序：

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.feature_extraction import DictVectorizer
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier, export_graphviz
import pandas as pd

def decision():
    """
    决策树对泰坦尼克号进行预测生死
    :return: None
    """
    # 获取数据
    titan = pd.read_csv("./titanic.txt")

    # 处理数据，找出特征值和目标值
    x = titan[['pclass', 'age', 'sex']]

    y = titan['survived']

    print(x)

    # 缺失值处理
    x['age'].fillna(x['age'].mean(), inplace=True)

    # 分割数据集到训练集合测试集
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.25)

    # 进行处理（特征工程）特征-》类别-》one_hot编码
    dict = DictVectorizer(sparse=False)

    #字典特征抽取，
    x_train = dict.fit_transform(x_train.to_dict(orient="records"))

    print(dict.get_feature_names())

    x_test = dict.transform(x_test.to_dict(orient="records"))

    # print(x_train)

    #用决策树进行预测
    dec = DecisionTreeClassifier()

    dec.fit(x_train, y_train)

    # 预测准确率
    print("预测的准确率：", dec.score(x_test, y_test))

    # 导出决策树的结构
    export_graphviz(dec, out_file="./tree.dot", feature_names=['年龄', 'pclass=1st', 'pclass=2nd', 'pclass=3rd', '女性', '男性'])

 	return None


if __name__ == "__main__":
    decision()

 结果：

     pclass      age     sex
0       1st  29.0000  female
1       1st   2.0000  female
2       1st  30.0000    male
3       1st  25.0000  female
4       1st   0.9167    male
...     ...      ...     ...
1308    3rd      NaN    male
1309    3rd      NaN    male
1310    3rd      NaN    male
1311    3rd      NaN  female
1312    3rd      NaN    male

[1313 rows x 3 columns]

['age', 'pclass=1st', 'pclass=2nd', 'pclass=3rd', 'sex=female', 'sex=male']
预测的准确率： 0.8054711246200608

决策树的优缺点以及改进
优点：
简单的理解和解释，树木可视化。

需要很少的数据准备，其他技术通常需要数据归一化，

缺点：
决策树学习者可以创建不能很好地推广数据的过于复杂的树，这被称为过拟合；

决策树可能不稳定，因为数据的小变化可能会导致完全不同的树被生成。

改进：
1.减枝cart算法

(DecisionTreeClassifier参数设定

min_samples_split限定，⼀个结点必须要包含⾄少min_samples_split个训练样本，这个结点才允许被分⽀，否则分⽀就不会发⽣。

min_samples_leaf限定，⼀个结点在分⽀后的每个⼦结点都必须包含⾄少min_samples_leaf个训练样本，否则分⽀就不会发⽣，或者，分⽀会朝着满⾜每个⼦结点都包含min_samples_leaf个样本的⽅向去发⽣。)

2.随机森林

注：企业重要决策，由于决策树很好的分析能力，在决策过程应用较多。

集成学习方法-随机森林

集成学习方法
集成学习通过建立几个模型组合的来解决单一预测问题。它的工作原理是生成多个分类器/模型，各自独立地学习和作出预测。这些预测最后结合成单预测，因此优于任何一个单分类的做出预测。

什么是随机森林
在机器学习中，随机森林是一个包含多个决策树的分类器，并且其输出的类别是由个别树输出的类别的众数而定。

学习算法
根据下列算法而建造每棵树：

用N来表示训练用例（样本）的个数，M表示特征数目。

输入特征数目m，用于确定决策树上一个节点的决策结果；其中m应远小于M。

从N个训练用例（样本）中以有放回抽样的方式，取样N次，形成一个训练集（即bootstrap取样），并用未抽到的用例（样本）作预测，评估其误差。

随机森林的过程、优势

为什么要随机抽样训练集？　　
如果不进行随机抽样，每棵树的训练集都一样，那么最终训练出的树分类结果也是完全一样的

为什么要有放回地抽样？

如果不是有放回的抽样，那么每棵树的训练样本都是不同的，都是没有交集的，这样每棵树都是“有偏的”，都是绝对“片面的”（当然这样说可能不对），也就是说每棵树训练出来都是有很大的差异的；而随机森林最后分类取决于多棵树（弱分类器）的投票表决。
 

集成学习API

class sklearn.ensemble.RandomForestClassifier(n_estimators=10, criterion=’gini’,max_depth=None, bootstrap=True, random_state=None)

随机森林分类器
• n_estimators ： integer ， optional （ default = 10 ） 森林里的树木数量（要建立决策树的数量120，200，300，800，1200
• criteria ： string ，可选（ default =“ gini ” ）分割特征的测量方法
• max_depth ： integer 或 None ，可选（默认 = 无）树的最大深度（5,8,15,25,30对某些业务会好一些）
• bootstrap ： boolean ， optional （ default = True ）是否在构建树时使用放回抽样
max_features='auto',每个决策树的最大特征数量

 对随机森林中的N_estimator决策树的数量，和max_depth每颗树的深度限制进行超参数。

泰坦尼克号乘客生存分类 ：

from sklearn.model_selection import train_test_split, GridSearchCV
from sklearn.feature_extraction import DictVectorizer
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
import pandas as pd

def decision():
    """
    决策树对泰坦尼克号进行预测生死
    :return: None
    """
    # 获取数据
    titan = pd.read_csv("./titanic.txt")

    # 处理数据，找出特征值和目标值
    x = titan[['pclass', 'age', 'sex']]

    y = titan['survived']

    print(x)

    # 缺失值处理
    x['age'].fillna(x['age'].mean(), inplace=True)

    # 分割数据集到训练集合测试集
    x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.25)

    # 进行处理（特征工程）特征-》类别-》one_hot编码
    dict = DictVectorizer(sparse=False)

    #字典特征抽取，
    x_train = dict.fit_transform(x_train.to_dict(orient="records"))

    print(dict.get_feature_names())

    x_test = dict.transform(x_test.to_dict(orient="records"))

	# 随机森林进行预测 （超参数调优）
    rf = RandomForestClassifier()

    param = {"n_estimators": [120, 200, 300, 500, 800, 1200], "max_depth": [5, 8, 15, 25, 30]}

    # 网格搜索与交叉验证
    gc = GridSearchCV(rf, param_grid=param, cv=2)

    gc.fit(x_train, y_train)

    print("准确率：", gc.score(x_test, y_test))

    print("查看选择的参数模型：", gc.best_params_)

    return None


if __name__ == "__main__":
    decision()

 由这里导出了同文件夹下的.dot文件 

 结果：

 pclass      age     sex
0       1st  29.0000  female
1       1st   2.0000  female
2       1st  30.0000    male
3       1st  25.0000  female
4       1st   0.9167    male
...     ...      ...     ...
1308    3rd      NaN    male
1309    3rd      NaN    male
1310    3rd      NaN    male
1311    3rd      NaN  female
1312    3rd      NaN    male

[1313 rows x 3 columns]

['age', 'pclass=1st', 'pclass=2nd', 'pclass=3rd', 'sex=female', 'sex=male']
准确率： 0.8145896656534954
查看选择的参数模型： {'max_depth': 5, 'n_estimators': 1200}

安装完相应的

graphviz文件后（已经安装完）

在cmd下，运行

dot -Tpng tree.dot -o tree.png

就会在同一文件夹下生成png文件。

优缺点：

• 优点：
• 简单的理解和解释，树木可视化。
• 需要很少的数据准备，其他技术通常需要数据归一化，
• 缺点：
• 决策树学习者可以创建不能很好地推广数据的过于复杂的树，
        这被称为过拟合。

• 决策树可能不稳定，因为数据的小变化可能会导致完全不同的树
被生成

• 改进：
• 减枝 cart 算法
修改参数