决策树算法之分类回归树 CART（Classification and Regression Trees）【1】

分类回归树 CART 是决策树家族中的基础算法，它非常直觉（intuitive），但看网上的文章，很少能把它讲的通俗易懂（也许是我理解能力不够），幸运的是，我在 Youtube 上看到了这个视频，可以让你在没有任何机器学习基础的情况下掌握 CART 的原理，下面我尝试着把它写出来，以加深印象.

决策树的结构

下图是一个简单的决策树示例：

假设上面这个决策树是一个用来判断病人是否患有心脏病的系统，当病人前来就医时，系统首先会问他：血液循环是否正常？此时如果病人回答是，系统会走左边的分支，并继续问：血管是否不堵塞？如果此时病人回答是，系统便会判断该病人没有患心脏病，反之则会判断他患有心脏病。同理，如果病人的第一个问题的回答是否，则决策树会走到右边的分支，接下来会继续后面的提问，直到来到树的根部，以输出结果。

可见，决策树是一个二叉树结构的模型，它可以被用来解决分类问题或回归问题，该树的非叶子节点本质上是一些条件表达式，用来决定树根到叶子的路径，而叶子节点便是该模型的预测结果。

本文主要介绍如何构建一棵分类树：

如何构建一棵分类树

在构造这棵“判断心脏病的决策树”之前，我们有一堆病人的诊断数据，如下

胸口疼痛	血液循环正常	血管堵塞	患有心脏病
否	否	否	否
是	是	是	是
是	是	否	否
…	…	…	…

刚开始，我们可以使用「胸口疼痛」或者「血液循环正常」或者「血管堵塞」这三个特征中的一个来作为树根，但这样做会存在一个问题：任何上述特征都无法将是否患有心脏病分类得完全正确，如下：

既然没有绝对最优的答案，我们一般会选择一个相对最优的答案，即在这 3 个特征中选择一个相对最好的特征作为树根，如何衡量它们的分类好坏呢？我们可以使用不纯度（impurity）这个指标来度量，例如下图中，P1（蓝色概率分布）相对于 P2（橙色概率分布） 来说就是不纯的。对于一个节点的分类结果来说（上图黄色节点），当然希望它的分布越纯越好。

计算一个分布的不纯度有很多方法，这里使用的是基尼不纯度（Gini Impurity）——该值越高，越不纯，反之越纯。计算基尼不纯度的公式很简单：

$$Gini=1-\sum _{i=1}^n{p}_i^2$$

这里 $p_i$ 表示离散概率分布中的概率值，我们来算一下上图中 P1 和 P2 的基尼不纯度

$$Gini(P1)=1-5\times 0.2^2=0.8$$

$$Gini(P2)=1-1^2-4\times 0^2=0$$

可见 P1 的基尼不纯度更高。

有了以上基础，接下来我们就可以依次计算不同特征分类的基尼不纯度，从中选一个值最低的特征来作为树根，以「胸口疼痛」特征为例，其左边和右边的分类结果的基尼不纯度为：

$$G(ChestPai{n}_Y)=1-(\frac{105}{105+39}{)}^2-(\frac{39}{105+39}{)}^2=0.395$$

$$G(ChestPai{n}_N)=1-(\frac{34}{34+127}{)}^2-(\frac{127}{34+127}{)}^2=0.336$$

那么，「胸口疼痛」这个节点整体的不纯度则为左右两个不纯度的加权平均，如下：
$$G(ChestPain)=\frac{105+39}{105+39+34+125}\times 0.395+\frac{34+125}{105+39+34+125}\times 0.336=0.364$$

同理，我们也可以计算出「血液循环正常」和「血管堵塞」的基尼不纯度分别为 0.360 和 0.381。相比之下，「血液循环正常」的值最小，该特征便是我们的树根。

在选出了树根后，原来的一份数据被树根分成了两份，后续要做的事情相信很多同学已经猜到了：对于新产生的两份数据，每份数据再使用同样的方法，使用剩下的特征来产生非叶子节点，如此递归下去，直到满足下面两个条件中的任意一条：

1. 每条路径上所有特征都使用过
2. 使用新特征没有使分类结果更好（此时不产生新的节点）

上述第 1 个条件很容易理解，我们一起来看下第 2 个条件，假设在建树的过程中，其中一条路径如下：

现在我们需要决定黄色的这部分数据是否还需要被「胸口疼痛」这个特征分类，假设用「胸口疼痛」来分类该数据的结果如下：

接下来我们就要对分类前后做效果对比，依然计算它们的基尼不纯度，在分类前，基尼不纯度为：

$$G(before)=1-(\frac{102}{102+13}{)}^2-(\frac{13}{102+13}{)}^2=0.201$$

而使用「胸口疼痛」分类之后，基尼不纯度为（省去计算细节）：

$$G(ChestPain)=0.286$$

显然继续分类只会使结果更糟，所以该分支的建立提前结束了，且分支上只有「血液循环正常」和「血管堵塞」这两个特征来进行分类。

值得一提的是，在建树过程中，即便候选节点的基尼不纯度更低，但如果该指标的降低不能超过一定的阈值，也不建议继续加节点，这种做法可以在一定程度上缓解过拟合的问题。例如：假设该阈值设定为0.05，即便 G(胸口疼痛) 为 0.16，也不继续将「胸口疼痛」作为该分支上的一个节点用来分类，因为此时基尼不纯度只降低了 0.04，低于阈值 0.05。

如何处理离散型数据

上面例子中的数据是只有 0 或者 1 的布尔类型的数据，如果遇到其他类型的数据该怎么处理呢？先来看一下离散型数据，这种类型的数据需要考虑 2 种情况：

1. 有顺序的离散型数据，例如电商网站把商品的评论分为：好评、中评和差评
2. 顺序无关的离散型数据，例如商品可能的颜色有：红色、黄色和蓝色

有顺序的离散型数据

假如我们有以下数据，它根据用户对商品的评价来判断用户是否喜欢该商品，其中，对商品的评价被编码为 1（差评）、2（中评） 和 3（好评）：

商品评价	是否喜欢
1	0
3	1
2	1
2	0
3	1
1	1
3	0

以上问题实际上等价于选择一个评价值，它能够更好的把人们的喜好分开，这个值可以是 1 或者 2，即当商品评价“小于等于1”或者“小于等于2”时，判断用户不喜欢它，否则为喜欢它，这里没有“小于等于3”这个选项，因为该选项会包含所有的数据，没有分类价值；于是，根据上述两个选项，我们可以对数据做如下 2 种分类：

接下来分别计算它们的基尼不纯度，其中左边的结果 G(1) = 0.486，而右边 G(2) = 0.476；于是，当使用「商品评价」这个特征来做分类时，该特征的切分点（cutoff）为“小于等于2”。

顺序无关的离散型数据

我们再来看一个根据商品的颜色来判断用户是否喜欢该商品的例子，有如下数据：

商品颜色	是否喜欢
RED	1
YELLOW	1
BLUE	0
YELLOW	1
BLUE	1
RED	0

对于以上数据，其作为节点的判断条件有以下 6 种可能：

1. 红色表示喜欢
2. 黄色表示喜欢
3. 蓝色表示喜欢
4. 红色或黄色表示喜欢
5. 红色或蓝色表示喜欢
6. 黄色或蓝色表示喜欢

类似的，我们对每一种可能的分类结果计算其基尼不纯度，然后再选择最低的那个值对应的条件。

如何处理连续型数据

最后我们再来看看特征是连续型数据的情况，例如我们通过人的身高来判断是否患有心脏病，数据如下：

身高	患有心脏病
220	1
180	1
225	1
155	0
190	0

处理这类数据的思路和上面几种做法一致，也就是寻找一个使基尼不纯度最低的 cutoff。具体步骤是，先对身高进行排序，然后求相邻两个数据之间的平均值，以每个平均值作为分界点，对目标数据进行分类，并计算它们的基尼不纯度，如下：

身高	相邻平均值	基尼不纯度
225
	222.5	0.4
220
	205	0.27
190
	185	0.47
180
	167.5	0.3
155

所以，在使用「身高」来建树时，其切分点为 205，即”小于205”被判断为未患心脏病，而”不小于205“的会被诊断为患病。

总结

本文主要介绍了 CART 中的分类树的构建算法原理，及遇到了不同类型的数据时，该算法会如何处理，当然这并不是分类树的全部，因为决策树容易导致过拟合的原因，在建树之后，往往会伴随着”剪枝“的操作，这些内容以及回归树部分会放在后面再做介绍。

参考：StatQuest: Decision Trees

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