【机器学习入门】决策树的原理

什么是决策树？

决策树(Decision Tree) 是一种数据结构，可以用来分类和回归，决策树是数据结构，但构建决策树有一系列的算法，决策树的核心之一就是利用算法构建最佳的决策树，以达到在训练数据和测试数据都表现优秀的效果。

决策树的构建和人类的思维过程非常的类似。

假设，我现在要招聘算法工程师，现在有下面一份已经存在的面试记录。

那好，现在有一个新的求职者的面试记录

现在的问题是，该不该录取宋九？

决策树就是用来解决这类问题的。

比如，我们可以这样思考。

Created with Raphaël 2.2.0面试者机器学习数学录取Python淘汰yesnoyesnoyesno

这是流程图，我们大概都是这样思考问题的。

翻译成决策树如下图所示：

在这里插入图片描述

这里需要注意两个重要的概念。

内部节点

上图中菱形表示的都是内部节点,内部节点用来表示特征或者属性。

机器学习、数学、Python 这些都是数据集中的特征。

叶节点

叶节点表示类别。

上图位于每个分支末端的圆形都是叶节点。

我们本次示例中的类别有两种，录取和淘汰。

当我们顺着决策树进行决策时，很自然地会有一个答案。

心细的同学会有疑问，既然有多种特征，为什么上面的决策树一定要把机器学习作为根节点呢？

是的，把不同的特征作为根节点构建决策树都可以，但是最后的效果就不一样。

在这里插入图片描述

上面可以看到，决策树是构建成功了，但是效果恐怕不能让人满意。

所以，决策树最核心的一步就是选择合适的根节点，然后递归进行。

怎么做呢？

这里通过数学手段完成。

决策树中的数学

决策树中用到的数学知识可以看做是条件概率和熵的结合，实际上构建一棵决策树可以看做是拟合一种条件概率分布。

我们先简单回顾一下条件概率。

条件概率

事件 A:明天会下雨的 事件 B: 明天去加班

条件概率 P(B|A) 就是明天下雨的情况下，同时会要求加班的概率。 如果 A 和 B 是独立事件，那么条件概率就是 P(A)*P(B)

再回到我们的示例，我们可以这样看

事件 A:面试者会 Python 事件 B:面试者被录取

那么条件概率就是 P(B|A) 面试者会 Python 同时被录取的概率。 从根节点到叶节点，每一条路径对应一个条件概率，所以条件概率可以共同组成一个概率分布。

前面讲到过，选择哪一个特征作为决策树的根节点是非常重要的，这里需要另外一个数学知识解决，那就是熵(entropy)。

熵

熵本来是物理概念，用来衡量一个封闭的系统中无法利用的能量。

在信息论中，熵是用来度量系统的不确定程度的。

怎么理解呢？

我们通常说一个人靠谱或者是不靠谱，这个通常是比较感性的，做感性的判断容易终究不好，所以很多人想到了量化。

比方说，判断某个人能不能完成任务的概率为 P.

• P = 0，说明这个人的能力很差，肯定不能完成任务
• P = 1, 说明这个人的能力很强，绝对可以完成任务

我们用熵来定义不确定性。

熵的公式如下

H(X)=−∑i=1npilog⁡pi H(X)=-\sum_{i=1}^{n}p_{i}\log p_{i} H(X)=−i=1∑n​pi​logpi​

如果 P 只有 0 或者 1 两种取值的话。

熵的结果都是 0.

熵等于 0 的意思是，百分百肯定，没有什么不确定的。

下次你再听到别人说：“我早就知道你肯定不行”

这个时候，你要在心里翻译过来，他对你建立了一个判断模型，这个模型中他认为熵几乎为 0，没有什么不确定性，他看死你了。

下面再讲条件熵。

对比之前的条件概率，我们可以很容易理解。

条件熵H(Y|X)是衡量在随机变量X已经确定的条件下，Y取值的不确定性。

可以这么理解。

假设随机变量 X 表示面试者的 Python 等级，取值有会和不会两种。 随机变量 Y 表示最终的录取结果，有录取和淘汰两种。

那么，H(Y|X) 就是已知面试者的 Python 等级，求面试者最终录取结果的不确定性。

公式如下：

H(Y∣X)=∑i=1npiH(Y∣X=xi) H(Y|X) = \sum_{i=1}^{n}p_{i}H(Y|X=x_{i}) H(Y∣X)=i=1∑n​pi​H(Y∣X=xi​)

信息增益(information gain)

有了熵和条件熵还不够，我们的目的是减少熵，为此引入了信息增益。

g(D,A)=H(D)−H(D∣A) g(D,A) = H(D) - H(D|A) g(D,A)=H(D)−H(D∣A) 上面 D 指代训练集。 H(D) 被称为经验熵。 H(D|A) 经验条件熵 g(D,A) A 对 D 的信息增益

H(D) 说明的是训练集合，分类的不确定程度。 H(D|A) 说明的是特征 A 选定条件下，训练集的分类不确定程度。 g(D,A) 说明的是选定特征 A 后，对于提升 D 的分类确定性有多少。

g(D,A) 自然是越高越好，这也是它增益的意义体现。

不同的特征，信息增益不一样，所以它们对于构建准确的决策树价值也不一样。

我们构建决策树时，以信息增益最大的特征为基础。

信息增益

我们可以针对示例中不同的特征，求其信息增益

首先看经验熵。

所以的训练样本记为 D,分类结果为 C

C 有两种取值：录取和淘汰

我们观察表格，可以知道录取 2 人，淘汰 7 人，共 9 人。

H(D)=−∑k=1K∣Ck∣∣D∣log⁡2∣Ck∣∣D∣ H(D) = -\sum_{k=1}^{K}\frac{|C_{k}|}{|D|}\log_{2}\frac{|C_{k}|}{|D|} H(D)=−k=1∑K​∣D∣∣Ck​∣​log2​∣D∣∣Ck​∣​

CkC_{k}Ck​ 表示某一类别，∣Ck∣|C_{k}|∣Ck​∣ 该类别下的样本数量。

比如C1C_{1}C1​代表录取的人，录取的人数是 2 个，C2C_{2}C2​代表淘汰的人，淘汰的人数是 7 个。

所以 H(D)=−29∗log⁡229−79∗log⁡279=0.764 H(D)=-\frac{2}{9}*\log_{2} \frac{2}{9}-\frac{7}{9}*\log_{2} \frac{7}{9} = 0.764 H(D)=−92​∗log2​92​−97​∗log2​97​=0.764

经验条件熵也有公式

H(D,A)=−∑i=1n∣Di∣∣D∣H(Di)=−∑i=1n∣Di∣∣D∣∑k=1Klog⁡2∣Dik∣∣Di∣ H(D,A) = -\sum_{i=1}^{n}\frac{|D_{i}|}{|D|}H(D_{i})=-\sum_{i=1}^{n}\frac{|D_{i}|}{|D|}\sum_{k=1}^{K}\log_{2}\frac{|D_{ik}|}{|D_{i}|} H(D,A)=−i=1∑n​∣D∣∣Di​∣​H(Di​)=−i=1∑n​∣D∣∣Di​∣​k=1∑K​log2​∣Di​∣∣Dik​∣​

公式可能比较复杂，但是还是比较容易理解的。

A 指代某种特征，A 将 DDD 划分了不同的子集，DiD_{i}Di​ 是某一个子集。∣Di∣|D_{i}|∣Di​∣ 是对应的子集中样本的数量。

比如按照Python 这个特征，可以将 D 划分为 D1,D2 两个子集，D1 代表会，D2 代表不会。两者的数量分别为 4 和 5。

DikD_{ik}Dik​ 表示 Di 子集中，属于类别 CkC_{k}Ck​ 的集合。

比如会 Python 的人中，最终被录取的那些人。

下面求Python这一特征的经验条件熵，设 Python 为 特征 A1.

H(D1)=−14∗log⁡214−34∗log⁡234=0.811 H(D_{1})=-\frac{1}{4}*\log_{2} \frac{1}{4}-\frac{3}{4}*\log_{2} \frac{3}{4} = 0.811 H(D1​)=−41​∗log2​41​−43​∗log2​43​=0.811

H(D2)=−15∗log⁡215−45∗log⁡245=0.722 H(D_{2})=-\frac{1}{5}*\log_{2} \frac{1}{5}-\frac{4}{5}*\log_{2} \frac{4}{5} = 0.722 H(D2​)=−51​∗log2​51​−54​∗log2​54​=0.722

H(D,A1)=−29∗H(D1)−79∗H(D2)=0.762 H(D,A_{1})=-\frac{2}{9}*H(D_{1})-\frac{7}{9}*H({D_{2}}) = 0.762 H(D,A1​)=−92​∗H(D1​)−97​∗H(D2​)=0.762

有了H(D)H(D)H(D)和H(D,A)H(D,A)H(D,A)之后，就可以求信息增益了

g(D,A1)=H(D)−H(D,A1)=0.764−0.762=0.002 g(D,A_{1})=H(D)-H(D,A_{1}) = 0.764 - 0.762 = 0.002 g(D,A1​)=H(D)−H(D,A1​)=0.764−0.762=0.002

增益为 0.002 ,这代表着以 Python 为特征划分数据集 D,对于减少分类不确定性毫无帮助。

那么，设机器学习为 A2,数学为 A3,按照同样的结果，它们的信息增益分别是：

H(D,A2)=−39∗0.918−69∗0=0.306g(D,A2)=0.764−0.306=0.458 H(D,A_{2}) = -\frac{3}{9}*0.918- \frac{6}{9}*0 = 0.306 g(D,A_{2}) = 0.764 - 0.306 = 0.458 H(D,A2​)=−93​∗0.918−96​∗0=0.306g(D,A2​)=0.764−0.306=0.458

H(D,A3)=−49∗0.811−59∗0.722=0.762g(D,A2)=0.764−0.762=0.002 H(D,A_{3}) = -\frac{4}{9}*0.811 -\frac{5}{9}*0.722= 0.762 g(D,A_{2}) = 0.764 - 0.762 = 0.002 H(D,A3​)=−94​∗0.811−95​∗0.722=0.762g(D,A2​)=0.764−0.762=0.002

按照信息增益，机器学习应该就是最关键的特征。

但是，信息增益 有个缺点，就是结果容易偏向样本多的特征。

因此，除了信息增益外还有个信息增益比.

定义如下 gR(D,A)=g(D,A)HA(D) g_{R}(D,A)=\frac{g(D,A)}{H_{A}(D)} gR​(D,A)=HA​(D)g(D,A)​

其中， HA(D)=−∑i=1n∣Di∣∣D∣log⁡2∣Di∣∣D∣ H_A(D)=-\sum_{i=1}^{n}\frac{|D_{i}|}{|D|}\log_{2}\frac{|D_{i}|}{|D|} HA​(D)=−i=1∑n​∣D∣∣Di​∣​log2​∣D∣∣Di​∣​

我们也可以按照公式来计算，每个特征的信息增益比。

gR(D,A1)=0.003 g_{R}(D,A_{1}) = 0.003 gR​(D,A1​)=0.003

gR(D,A2)=0.499 g_{R}(D,A_{2}) = 0.499 gR​(D,A2​)=0.499

gR(D,A3)=0.003 g_{R}(D,A_{3}) = 0.003 gR​(D,A3​)=0.003

可以看到，仍然说明了机器学习是录取判断中的关键特征。

特征的选取是递归进行的，先选取最优的特征，然后用同样的方法选取次优的特征，直到满足预设的条件。

常见的有 2 种算法，ID3 和 C4.5。

ID3 是以信息增益为选择依据，C4.5 以信息增益比为算法依据。

后续的博文将详细讲解它们的算法实践过程。