決策樹

決策樹是當(dāng)今最強(qiáng)大的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法的組成部分。決策樹基本上是一個(gè)二叉樹的流程圖，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)某個(gè)特征變量將一組觀測值拆分。

決策樹的目標(biāo)是將數(shù)據(jù)分成多個(gè)組，這樣一個(gè)組中的每個(gè)元素都屬于同一個(gè)類別。決策樹也可以用來近似連續(xù)的目標(biāo)變量。在這種情況下，樹將進(jìn)行拆分，使每個(gè)組的均方誤差最小。

決策樹的一個(gè)重要特性是它們很容易被解釋。你根本不需要熟悉機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)就可以理解決策樹在做什么。決策樹圖很容易解釋。

利弊

決策樹方法的優(yōu)點(diǎn)是：

• 決策樹能夠生成可理解的規(guī)則。
• 決策樹在不需要大量計(jì)算的情況下進(jìn)行分類。
• 決策樹能夠處理連續(xù)變量和分類變量。
• 決策樹提供了一個(gè)明確的指示，哪些字段是最重要的。

決策樹方法的缺點(diǎn)是：

• 決策樹不太適合于目標(biāo)是預(yù)測連續(xù)屬性值的估計(jì)任務(wù)。
• 決策樹在類多、訓(xùn)練樣本少的分類問題中容易出錯(cuò)。
• 決策樹的訓(xùn)練在計(jì)算上可能很昂貴。生成決策樹的過程在計(jì)算上非常昂貴。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)候選拆分字段都必須進(jìn)行排序，才能找到其最佳拆分。在某些算法中，使用字段組合，必須搜索最佳組合權(quán)重。剪枝算法也可能是昂貴的，因?yàn)樵S多候選子樹必須形成和比較。

Python決策樹

Python是一種通用編程語言，它為數(shù)據(jù)科學(xué)家提供了強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)包和工具。在本文中，我們將使用python最著名的機(jī)器學(xué)習(xí)包scikit-learn來構(gòu)建決策樹模型。我們將使用scikit learn提供的“DecisionTreeClassifier”算法創(chuàng)建模型，然后使用“plot_tree”函數(shù)可視化模型。

步驟1：導(dǎo)入包

我們構(gòu)建模型的主要軟件包是pandas、scikit learn和NumPy。按照代碼在python中導(dǎo)入所需的包。 

import pandas as pd # 數(shù)據(jù)處理 
import numpy as np # 使用數(shù)組 
import matplotlib.pyplot as plt # 可視化 
from matplotlib import rcParams # 圖大小 
from termcolor import colored as cl # 文本自定義 
 
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier as dtc # 樹算法 
from sklearn.model_selection import train_test_split # 拆分?jǐn)?shù)據(jù) 
from sklearn.metrics import accuracy_score # 模型準(zhǔn)確度 
from sklearn.tree import plot_tree # 樹圖 
 
rcParams['figure.figsize'] = (25, 20) 

在導(dǎo)入構(gòu)建我們的模型所需的所有包之后，是時(shí)候?qū)霐?shù)據(jù)并對其進(jìn)行一些EDA了。

步驟2：導(dǎo)入數(shù)據(jù)和EDA

在這一步中，我們將使用python中提供的“Pandas”包來導(dǎo)入并在其上進(jìn)行一些EDA。我們將建立我們的決策樹模型，數(shù)據(jù)集是一個(gè)藥物數(shù)據(jù)集，它是基于特定的標(biāo)準(zhǔn)給病人開的處方。讓我們用python導(dǎo)入數(shù)據(jù)!

Python實(shí)現(xiàn)： 

df = pd.read_csv('drug.csv') 
df.drop('Unnamed: 0', axis = 1, inplace = True) 
 
print(cl(df.head(), attrs = ['bold'])) 

輸出： 

   Age Sex      BP Cholesterol  Na_to_K   Drug 
0   23   F    HIGH        HIGH   25.355  drugY 
1   47   M     LOW        HIGH   13.093  drugC 
2   47   M     LOW        HIGH   10.114  drugC 
3   28   F  NORMAL        HIGH    7.798  drugX 
4   61   F     LOW        HIGH   18.043  drugY 

現(xiàn)在我們對數(shù)據(jù)集有了一個(gè)清晰的概念。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，讓我們使用“info”函數(shù)獲取有關(guān)數(shù)據(jù)的一些基本信息。此函數(shù)提供的信息包括條目數(shù)、索引號(hào)、列名、非空值計(jì)數(shù)、屬性類型等。

Python實(shí)現(xiàn)：

df.info() 

輸出： 

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'> 
RangeIndex: 200 entries, 0 to 199 
Data columns (total 6 columns): 
 #   Column       Non-Null Count  Dtype   
---  ------       --------------  -----   
 0   Age          200 non-null    int64   
 1   Sex          200 non-null    object  
 2   BP           200 non-null    object  
 3   Cholesterol  200 non-null    object  
 4   Na_to_K      200 non-null    float64 
 5   Drug         200 non-null    object  
dtypes: float64(1), int64(1), object(4) 
memory usage: 9.5+ KB 

步驟3：數(shù)據(jù)處理

我們可以看到像Sex, BP和Cholesterol這樣的屬性在本質(zhì)上是分類的和對象類型的。問題是，scikit-learn中的決策樹算法本質(zhì)上不支持X變量(特征)是“對象”類型。因此，有必要將這些“object”值轉(zhuǎn)換為“binary”值。讓我們用python來實(shí)現(xiàn)

Python實(shí)現(xiàn)： 

for i in df.Sex.values: 
    if i  == 'M': 
        df.Sex.replace(i, 0, inplace = True) 
    else: 
        df.Sex.replace(i, 1, inplace = True) 
 
for i in df.BP.values: 
    if i == 'LOW': 
        df.BP.replace(i, 0, inplace = True) 
    elif i == 'NORMAL': 
        df.BP.replace(i, 1, inplace = True) 
    elif i == 'HIGH': 
        df.BP.replace(i, 2, inplace = True) 
 
for i in df.Cholesterol.values: 
    if i == 'LOW': 
        df.Cholesterol.replace(i, 0, inplace = True) 
    else: 
        df.Cholesterol.replace(i, 1, inplace = True) 
 
print(cl(df, attrs = ['bold'])) 

輸出： 

     Age  Sex  BP  Cholesterol  Na_to_K   Drug 
0     23    1   2            1   25.355  drugY 
1     47    1   0            1   13.093  drugC 
2     47    1   0            1   10.114  drugC 
3     28    1   1            1    7.798  drugX 
4     61    1   0            1   18.043  drugY 
..   ...  ...  ..          ...      ...    ... 
195   56    1   0            1   11.567  drugC 
196   16    1   0            1   12.006  drugC 
197   52    1   1            1    9.894  drugX 
198   23    1   1            1   14.020  drugX 
199   40    1   0            1   11.349  drugX 
 
[200 rows x 6 columns] 

我們可以觀察到所有的“object”值都被處理成“binary”值來表示分類數(shù)據(jù)。例如，在膽固醇屬性中，顯示“低”的值被處理為0，“高”則被處理為1。現(xiàn)在我們準(zhǔn)備好從數(shù)據(jù)中創(chuàng)建因變量和自變量。

步驟4：拆分?jǐn)?shù)據(jù)

在將我們的數(shù)據(jù)處理為正確的結(jié)構(gòu)之后，我們現(xiàn)在設(shè)置“X”變量(自變量)，“Y”變量(因變量)。讓我們用python來實(shí)現(xiàn)

Python實(shí)現(xiàn)： 

X_var = df[['Sex', 'BP', 'Age', 'Cholesterol', 'Na_to_K']].values # 自變量 
y_var = df['Drug'].values # 因變量 
 
print(cl('X variable samples : {}'.format(X_var[:5]), attrs = ['bold'])) 
print(cl('Y variable samples : {}'.format(y_var[:5]), attrs = ['bold'])) 

輸出： 

X variable samples : [[ 1.     2.    23.     1.    25.355] 
 [ 1.     0.    47.     1.    13.093] 
 [ 1.     0.    47.     1.    10.114] 
 [ 1.     1.    28.     1.     7.798] 
 [ 1.     0.    61.     1.    18.043]] 
Y variable samples : ['drugY' 'drugC' 'drugC' 'drugX' 'drugY'] 

我們現(xiàn)在可以使用scikit learn中的“train_test_split”算法將數(shù)據(jù)分成訓(xùn)練集和測試集，其中包含我們定義的X和Y變量。按照代碼在python中拆分?jǐn)?shù)據(jù)。

Python實(shí)現(xiàn)： 

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_var, y_var, test_size = 0.2, random_state = 0) 
 
print(cl('X_train shape : {}'.format(X_train.shape), attrs = ['bold'], color = 'black')) 
print(cl('X_test shape : {}'.format(X_test.shape), attrs = ['bold'], color = 'black')) 
print(cl('y_train shape : {}'.format(y_train.shape), attrs = ['bold'], color = 'black')) 
print(cl('y_test shape : {}'.format(y_test.shape), attrs = ['bold'], color = 'black')) 

輸出： 

X_train shape : (160, 5) 
X_test shape : (40, 5) 
y_train shape : (160,) 
y_test shape : (40,) 

現(xiàn)在我們有了構(gòu)建決策樹模型的所有組件。所以，讓我們繼續(xù)用python構(gòu)建我們的模型。

步驟5：建立模型和預(yù)測

在scikit學(xué)習(xí)包提供的“DecisionTreeClassifier”算法的幫助下，構(gòu)建決策樹是可行的。之后，我們可以使用我們訓(xùn)練過的模型來預(yù)測我們的數(shù)據(jù)。最后，我們的預(yù)測結(jié)果的精度可以用“準(zhǔn)確度”評(píng)估指標(biāo)來計(jì)算。讓我們用python來完成這個(gè)過程!

Python實(shí)現(xiàn)： 

model = dtc(criterion = 'entropy', max_depth = 4) 
model.fit(X_train, y_train) 
 
pred_model = model.predict(X_test) 
 
print(cl('Accuracy of the model is {:.0%}'.format(accuracy_score(y_test, pred_model)), attrs = ['bold'])) 

輸出：

Accuracy of the model is 88% 

在代碼的第一步中，我們定義了一個(gè)名為“model”變量的變量，我們在其中存儲(chǔ)DecisionTreeClassifier模型。接下來，我們將使用我們的訓(xùn)練集對模型進(jìn)行擬合和訓(xùn)練。之后，我們定義了一個(gè)變量，稱為“pred_model”變量，其中我們將模型預(yù)測的所有值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)上。最后，我們計(jì)算了我們的預(yù)測值與實(shí)際值的精度，其準(zhǔn)確率為88%。

步驟6：可視化模型

現(xiàn)在我們有了決策樹模型，讓我們利用python中scikit learn包提供的“plot_tree”函數(shù)來可視化它。按照代碼從python中的決策樹模型生成一個(gè)漂亮的樹圖。

Python實(shí)現(xiàn)： 

feature_names = df.columns[:5] 
target_names = df['Drug'].unique().tolist() 
 
plot_tree(model,  
          feature_names = feature_names,  
          class_names = target_names,  
          filled = True,  
          rounded = True) 
 
plt.savefig('tree_visualization.png') 

輸出： 

結(jié)論

有很多技術(shù)和其他算法用于優(yōu)化決策樹和避免過擬合，比如剪枝。雖然決策樹通常是不穩(wěn)定的，這意味著數(shù)據(jù)的微小變化會(huì)導(dǎo)致最優(yōu)樹結(jié)構(gòu)的巨大變化，但其簡單性使其成為廣泛應(yīng)用的有力候選。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流行之前，決策樹是機(jī)器學(xué)習(xí)中最先進(jìn)的算法。其他一些集成模型，比如隨機(jī)森林模型，比普通決策樹模型更強(qiáng)大。

決策樹由于其簡單性和可解釋性而非常強(qiáng)大。決策樹和隨機(jī)森林在用戶注冊建模、信用評(píng)分、故障預(yù)測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。我為本文提供了完整的代碼。

完整代碼： 

import pandas as pd # 數(shù)據(jù)處理 
import numpy as np # 使用數(shù)組 
import matplotlib.pyplot as plt # 可視化 
from matplotlib import rcParams # 圖大小 
from termcolor import colored as cl # 文本自定義 
 
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier as dtc # 樹算法 
from sklearn.model_selection import train_test_split # 拆分?jǐn)?shù)據(jù) 
from sklearn.metrics import accuracy_score # 模型準(zhǔn)確度 
from sklearn.tree import plot_tree # 樹圖 
 
rcParams['figure.figsize'] = (25, 20) 
 
df = pd.read_csv('drug.csv') 
df.drop('Unnamed: 0', axis = 1, inplace = True) 
 
print(cl(df.head(), attrs = ['bold'])) 
 
df.info() 
 
for i in df.Sex.values: 
    if i  == 'M': 
        df.Sex.replace(i, 0, inplace = True) 
    else: 
        df.Sex.replace(i, 1, inplace = True) 
 
for i in df.BP.values: 
    if i == 'LOW': 
        df.BP.replace(i, 0, inplace = True) 
    elif i == 'NORMAL': 
        df.BP.replace(i, 1, inplace = True) 
    elif i == 'HIGH': 
        df.BP.replace(i, 2, inplace = True) 
 
for i in df.Cholesterol.values: 
    if i == 'LOW': 
        df.Cholesterol.replace(i, 0, inplace = True) 
    else: 
        df.Cholesterol.replace(i, 1, inplace = True) 
 
print(cl(df, attrs = ['bold'])) 
 
X_var = df[['Sex', 'BP', 'Age', 'Cholesterol', 'Na_to_K']].values # 自變量 
y_var = df['Drug'].values # 因變量 
 
print(cl('X variable samples : {}'.format(X_var[:5]), attrs = ['bold'])) 
print(cl('Y variable samples : {}'.format(y_var[:5]), attrs = ['bold'])) 
 
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_var, y_var, test_size = 0.2, random_state = 0) 
 
print(cl('X_train shape : {}'.format(X_train.shape), attrs = ['bold'], color = 'red')) 
print(cl('X_test shape : {}'.format(X_test.shape), attrs = ['bold'], color = 'red')) 
print(cl('y_train shape : {}'.format(y_train.shape), attrs = ['bold'], color = 'green')) 
print(cl('y_test shape : {}'.format(y_test.shape), attrs = ['bold'], color = 'green')) 
 
model = dtc(criterion = 'entropy', max_depth = 4) 
model.fit(X_train, y_train) 
 
pred_model = model.predict(X_test) 
 
print(cl('Accuracy of the model is {:.0%}'.format(accuracy_score(y_test, pred_model)), attrs = ['bold'])) 
 
feature_names = df.columns[:5] 
target_names = df['Drug'].unique().tolist() 
 
plot_tree(model,  
          feature_names = feature_names,  
          class_names = target_names,  
          filled = True,  
          rounded = True) 
 
plt.savefig('tree_visualization.png')