[人工智能]机器学习（三）——决策树

1. 基本流程

（1）定义
一般的，一棵决策树包含一个根节点、若干内部节点和叶节点。

• 叶节点：对应决策结果。
• 根节点和中间节点：根据属性测试的结果将所属样本划分到其子节点中。

（2）决策树基本算法
决策树的生成是一个递归过程。

• 在每次递归中，首先判断是否达到递归返回条件，获得叶节点。
• 选择最优化分节点。
• 根据节点的属性测试结果将包含的样本划分到子节点。
• 以子节点为子树根节点，剔除当前最优划分属性，调用决策树生成函数。

（3）三种递归返回情况

• 当前D中所有样本都属于同一类别C时：
  将Node标记为类型为C的叶节点。
• 当前属性集A为空：
  多数投票，将Node标记为当前样本集合D中数量最多类别的叶节点。
• 当前样本集D为空
  将Node标记为其父节点样本中数量最多的类的叶节点。

2. 划分选择

我们希望随着划分的不断进行，决策树的分支节点的纯度越来越高，分支节点所包含的样本尽可能属于同一类别。

2.1 信息增益（information gain）

（1）信息熵
信息熵（information entropy）是度量样本纯度最常用的一种指标。
$$Ent(D)=?\sum _{k=1}^{|\gamma |}{p}_k{\log }_2{p}_k$$

度量： $Ent(D)$值越小，惊异值越小，纯度越高。

• 假设当$p_k=0$时，$p_k{\log }_2{p}_k=0$。
• 当$p_k=1$时，$Ent(D)$值最小为0。当$p_k=\frac{1}{|\gamma |}$时，即样本按类别1：1分布时，$Ent(D)$值最大为1.

理解： 信息熵用于度量某一样本集D的纯度。只要给定样本集就可以计算其对应的信息熵。

（2）信息增益（information entropy）
假设离散属性$\alpha$有$V$个可能的取值为 { a 1 , a 2 , ? ? , a V } \{a_1,a_2,\cdots,a_V\} {a1?,a2?,?,aV?}，用$\alpha$来进行划分，会产生$V$个分支节点。其中第v各分支节点包含了D中所有在属性$\alpha$上取值为$a_v$的样本，记为$D^v$。
可以计算出用属性$\alpha$对样本D进行划分所得到的信息增益：
$$Gain(D,\alpha )=Ent(D)?\sum _{i=1}^V\frac{|D^i|}{|D|}Ent(D^i)$$

其中，$\frac{|D^i|}{|D|}$为该分支节点$a_i$的权重，样本数越多分支节点的影响越大。

• 信息增益 = 划分前的信息上 - 划分后各分支节点信息熵的加权和。
• 一般而言，信息增益越大，则意味着使用$\alpha$来进行划分所获得的纯度提升越大。

（3）实例分析
以色泽属性为例，计算按色泽划分后的信息增益：

1. 计算划分前样本集D的信息熵
   $Ent(D)=\frac{8}{17}lo{g}_2\frac{8}{17}+\frac{9}{17}lo{g}_2\frac{9}{17}=0.998$
2. 以属性色泽为划分，计算信息增益。
   ①对应的三个子集分别为 D 1 青 绿 = { 1 , 4 , 6 , 10 , 13 , 17 } , D 2 乌 黑 = { 2 , 3 , 7 , 8 , 9 , 15 } , D 3 浅 白 = { 5 , 11 , 12 , 14 , 16 } D^{1青绿}=\{1,4,6,10,13,17\},D^{2乌黑}=\{2,3,7,8,9,15\},D^{3浅白}=\{5,11,12,14,16\} D1青绿={1,4,6,10,13,17},D2乌黑={2,3,7,8,9,15},D3浅白={5,11,12,14,16}
   ②计算各子节点的信息熵：
   $$\begin{gathered} Ent(D^1)=1 \\ Ent(D^2)=?(\frac{2}{3}lo{g}_2\frac{2}{3}+\frac{1}{3}lo{g}_2\frac{1}{3})=0.918 \\ Ent(D^3)=?(\frac{1}{5}lo{g}_2\frac{1}{5}+\frac{4}{5}lo{g}_2\frac{4}{5})=0.722 \end{gathered}$$
   ③计算信息增益：
   $$Gain(D,\alpha )=0.998?(\frac{6}{17}\times 1+\frac{6}{17}\times 0.918+\frac{5}{17}\times 0.722)=0.109$$

（4）缺点
信息增益对可取值数目较多的属性有所偏好。

2.2 信息增益率

（1）定义
$$\begin{gathered} Gain\_ration(D,a)=\frac{Gain(D,a)}{IV(a)} \\ IV(a)=?\sum _{v=1}^V\frac{|D^v|}{|D|}lo{g}_2\frac{|D^v|}{|D|} \end{gathered}$$

其中，$IV(a)$为属性a的固定值。属性a的可能取值数目越多（V越大），则IV(a)的值通常越大。

（2）缺点
信息增益率对可取值数目较少的属性有所偏好。

（3）C4.5启发式算法
先从候选划分属性找出信息增益高于平均水平的属性，再从中选取增益率最高的。

理解： 信息增益率在信息增益的基础上除以了属性的固定值，以期削弱对可取值数目较多属性的偏好。但是固定值的出现，也导致信息增益率对可取值数目较少的属性有所偏好。

2.3 基尼指数

（1）基尼值
数据集D的纯度可用“基尼值”来度量。基尼值反应了从D中随机抽取两个样本，其类别标记不一致的概率。
$$Gini(D)=1?\sum _{k=1}^{|y|}{p}_k^2$$

• Gini(D)越小，数据集D的纯度越高

（2）基尼指数
$$\begin{gathered} Gini\_index(D,a)=\sum _{v=1}^{|V|}\frac{|D^v|}{|D|}Gini(D^v) \\ {a}_{?}=\arg \underset{a\in A}{\min }Gini\_index(D,a) \end{gathered}$$

• 选择划分后基尼指数最小的属性作为最优划分属性。

3. 剪枝

决策树训练过程中，为了尽可能正确分类训练样本，节点划分过程不断重复，有时会造成决策树分支过多而导致过拟合。因此可以用过主动去掉一些分支来降低过拟合的风险。
决策树剪枝的基本策略有“预剪枝”和“后剪枝”。

• 预剪枝：每个节点在划分前先进行估计。若当前节点的划分不能带来泛化性能的提升，则停止划分并将节点当作叶节点。
• 后剪枝：先从训练集生成一棵完整的决策树，然后自底向上地对非叶节点进行考察。若将节点对应的子树替换成叶节点能对决策树带来泛化性能的提升，则将子树替换为叶节点。

3.1 划分验证集

可以采用留出法，预留一部分数据用作验证集，以进行性能评估。

• 训练集{1，2，3，6，7，10，14，15，16，17}
• 验证集{4，5，8，9，11，12，13}

3.2 预剪枝

（1）思路
当划分节点前先进行评估。若当前节点划分不能带来泛化性能的提升，则停止划分并将当前节点当作叶节点。

（2）步骤

• Step1： 计算将节点当作叶节点时在验证集上的精度pre1。
• Step2： 计算节点划分后在验证集上的精度pre2。
• Step3： 若$pre2>pre1$，即划分能带来泛化性能的提高，则按照当前属性划分。否则，采取多数投票法则将节点看作叶节点。

（3）样例分析

1. 若不对脐部划分，并将其标记为叶节点：
   ① 根据当前节点的样本集，其中标记为好瓜的个数大于坏瓜的数目$5>4$，将叶节点类别标记为好瓜。
   ② 验证集中{4,5,8}分类正确，验证集精度为$$\frac{3}{7}?100=42.9\%$$
2. 若对脐部进行划分，划分结果如下：
   
   此时，验证集中{4,5,8,11,12}划分正确，验证集精度为：$$\frac{5}{7}\times 100=71.4\%$$
3. 划分后验证集的精度提升，则按照脐部进行划分。

对脐部为凹陷的样本进行预剪枝判断：
首先选择出“色泽“为其最佳划分属性。

1. 若不对色泽划分，并将其标记为叶节点：
   ① 根据当前节点的样本集，其中标记为好瓜的个数大于坏瓜的数目$3>1$，将叶节点类别标记为好瓜。
   此时，验证集中{4,5,8,11,12}划分正确，验证集精度为：$$\frac{5}{7}\times 100=71.4\%$$

2. 若对色泽进行划分，划分结果如下：
   
   此时，验证集中{4,8,11,12}划分正确，验证集精度为：$$\frac{4}{7}\times 100=57.1\%$$

3. 划分后验证集的精度降低，故将凹陷节点当作标签为好瓜的叶节点。

（4）优缺点
优点

• 降低过拟合风险
• 显著减少训练时间和测试时间开销

缺点

• 欠拟合风险
  有些分支当前划分虽然不能提升泛化性能，但在其基础上进行得后续划分却有可能导致性能显著提高。

3.3 后剪枝

（1）思想
先从训练集生成一棵完整的决策树，然后自底向上地对非叶节点进行考察。若将节点对应的子树替换成叶节点能对决策树带来泛化性能的提升，则将子树替换为叶节点。

（2）步骤

• Step1： 从训练集生成一颗完整的决策树。
• Step2： 自底向上对非叶节点考察，计算将节点对应子树替换成叶节点后在验证集上的精确度。
• Step3： 若替换后精度上升，则将子树替换为叶节点。

（3）样例分析

决策树在验证集上的精度为{4、11、12}：
$$3/7=42.9\%$$

1. 考虑节点⑥。节点包含样本集为”稍凹、微蜷、乌黑“D={7、15}.将其替换为叶节点，节点标签为好瓜。此时，决策树在验证集上的精度为{4、8、11、12}：
   $$\frac{4}{7}=57.1\%$$
2. 替换为叶节点后，验证集上精度提升。于是决定剪枝。剪枝后的决策树如图：
   

（4）优缺点
优点

• 欠拟合风险小。
• 泛化能力往往优于预剪枝。

缺点

• 训练时间开销大。

3.4 预剪枝和后剪枝的选择

预剪枝能显著减少训练时间并避免过拟合，但是又欠拟合的风险。后剪枝训练时间开销较大，但泛化能力往往更强。因此得到如下结论：

• ① 数据量较小时 ==> 后剪枝
• ② 数据量较大时 ==> 预剪枝

4. 连续与缺失值

4.1 连续值处理

因为连续属性的可能取值不再有限，因此不能直接根据连续属性的可能取值对节点进行划分。最常用的策略是二分法对连续属性进行处理。
（1）二分法
给定样本集D和连续属性a，假定a在D上出现了n个不同的取值，将这些值从小到大进行排序，记为$a^1,a^2,?,a^n$。基于划分点t可将D分为子集$D_t^{?},D_t^{+}$。

1. 对于连续属性，我们考虑包含$n?1$个元素的候选划分点集合：

T a = { a i + a i + 1 2 ∣ 1 ≤ i ≤ n ? 1 } T_a=\{\frac{a_i+a_{i+1}}{2}|1 \leq i \leq n-1 \} Ta?={2ai?+ai+1??∣1≤i≤n?1}

2. 然后选取最优的划分点进行样本集合划分：
   $$\begin{gathered} Gain(D,a)=\underset{t\in T_a}{\max }Gain(D,a,t) \\ Gain\_index(D,a)=\underset{t\in T_a}{\max }Gain\_index(D,a,t) \\ Gini\_index(D,a)=\underset{t\in T_a}{\min }\sum _{v=1}^{|V|}\frac{|D^v|}{|D|}Gini(D^v,t) \end{gathered}$$

注意

• 若当前节点划分属性为连续属性，该属性还可作为后代节点的划分属性。

4.2 缺失值处理

若简单地放弃不完整样本，仅使用无缺失值的样本进行学习，是对数据信息极大的浪费。对于缺失值，我们需要解决两个问题：

• 如何在属性缺失的情况下进行划分属性选择。
• 给定划分属性，若样本在属性上的值缺失，如何对样本进行划分。

理解：如何解决划分属性选择和样本分类两个问题。

（1）定义
给定训练集$D$和属性a。

• 令$\hat{D}$表示D中在属性a上没有缺失值的样本子集。
• 令${\hat{D}}^v$表示$\hat{D}$中属性a上取值为$a^v$的样本子集。
• 令${\hat{D}}_k$表示$\hat{D}$中属于第k类（$k=1,2,?,|\gamma |$）的样本子集。
• 假定为每个样本x赋予一个权重$w_x$，初始化为1.
• 无缺失值样本所占比例$\rho$：
  $$\rho =\frac{{\sum }_{x\in \hat{D}}{w}_x}{{\sum }_{x\in D}{w}_x}$$
• 无缺失样本中第k类所占的比例$\widehat{p_k}$：
  $$\widehat{p_k}=\frac{{\sum }_{x\in {\hat{D}}_k}{w}_x}{{\sum }_{x\in \hat{D}}{w}_x}$$
• 无缺失样本中在属性a上取值为$a^v$的样本所占比例$\widehat{r_v}$：
  $$\widehat{r_v}=\frac{{\sum }_{x\in {\hat{D}}^v}{w}_x}{{\sum }_{x\in \hat{D}}{w}_x}$$

（2）最优划分属性
基于上述定义，可以将信息增益的计算式推广为：
$$\begin{gathered} Gain(D,a)=\rho \times Gain(\hat{D},a) \\ =\rho \times (Ent(\hat{D})?\sum _{v=1}^V{\hat{r}}^{v}Ent(\widehat{D^v})) \end{gathered}$$

$$Ent(\hat{D})=?\sum _{k=1}^{|\gamma |}\widehat{p_k}\log \widehat{p_k}$$

（3）样本分类

• 若样本划分属性a上的取值已知，则将x划入其取值对应的子节点。
• 若取值未知，则将x同时划入所有子节点，各自节点中样本的权值调整为$\widehat{r^v}$