随机森林（random forest）模型原理及sklearn实现

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原创最新推荐文章于 2026-08-05 16:36:13 发布 1w 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

机器学习中Random Forest 随机森林小结（5步算法，11个优缺点，例子演示解决Kaggle高频竞赛题泰坦尼克沉船） 随机森林属于集成学习中的 Bagging方法。由多个随机树构成，然后通过投票共同学习特征。因为生长很深的树容易学习到高度不规则的模式，即overfit，在训练集上具有低bias和高variance的特点。随机森林是平均多个深决策树以降低variance的一种方法，其中，决策树是在一个数据集上的不同子集进行训练的，在最终的模型中通常会大大提高性能。这有些像解决一道预测何时世界末日的难题，你给一个大学生解决，又给了一个在家里自学的人解决。两个人的解法很大概率是不一样的，你提取两个人解法的优势合起来就阅读详情

本文的主要内容是基于Python机器学习基础教程决策树部分进行整理和总结。

目的

决策树的主要缺点在于，即使做了剪枝处理，也会出现过拟合的情况，泛化能力相对而言并不高，为此，在大多数的应用中，往往使用集成（ensemble）方法来代替单棵决策树。集成是合并多个机器学习模型来构建更强大模型的方法，目前已经证明随机森林（random forest）作为决策树集成方法对大量分类和回归的数据集都是有效的。

思想

随机森林本质上是许多决策树的集合，，其中每棵树都和其他树有所不同，随机森林的思想在于，保证每棵树的预测都是相对较好的，但是可能对部分数据存在过拟合的情况，我们可以通过构造很多树，并且构造的树都是以不同的方式过拟合，那么我们可以对这些树的结果取平均来降低过拟合。

策略

那么要如何才能保证每棵树有很好的预测并且各有不同呢？随机森林的名字来自于将随机性添加到树的构造过程中，以确保每棵树各有不同，随机森林的随机化方法有两种：

通过选择构造书的数据点，实现的方法叫做随机采样（booststrap sample），从n_samples个数据点中有放回的重复抽取一个样本，并且抽取n_samples次，也就是说每个数据点是会被多次抽取的，有的数据点可能一次也不会被抽到（通过数学证明这类样本占到1/3），这样就会生成一个数据点数量和原数据集数量相同的样本集合；
通过选择每次划分测试的特征：仅使用随机采样的方法生成随机森林的方法是不够的，我们还需要针对决策树在每个节点处随机算则特征集合的一个子集，在sklearn中，算则的特征个数由max_features参数控制，每个节点中特征子集的选择是相互独立的，这样树的节点可以使用特征的不同子集进行决策。

由此可知，随机森林中构造每棵决策树的数据集都是稍有不同的，同时由于每个节点的特征选择，每棵树的每次特征划分都是基于特征的不同子集，这两种方法共同保证随机森林中所有树都不相同。

sklearn实现与可视化分析

使用5棵树组成的随机森林应用到two_moons数据集上。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.datasets import make_moons

X,y = make_moons(n_samples=100,noise=0.25,random_state=3)
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,stratify=y,random_state=42)

forest = RandomForestClassifier(n_estimators=5,random_state=2)
forest.fit(X_train,y_train)

作为随机森林的一部分，树被保存在estimator_属性中，我们将每棵树学到的决策树边界可视化，也将它们的总预测（即整个森林做出的预测）可视化。

fig,axes = plt.subplots(2,3,figsize=(20,10))
for i,(ax,tree) in enumerate(zip(axes.ravel(),forest.estimators_)):
    ax.set_title("Tree {}".format(i))
    mglearn.plots.plot_tree_partition(X_train,y_train,tree,ax=ax)
    
mglearn.plots.plot_2d_separator(forest,X_train,fill=True,ax=axes[-1,-1],alpha=.4)
axes[-1,-1].set_title("random_forest")
mglearn.discrete_scatter(X_train[:,0],X_train[:,1],y_train)

在这里插入图片描述
从训练结果可以看出，生成的5棵决策树决策边界各不相同，每棵树也都多多少少犯了一些错误，因为由于自助采样，一些训练点实际上并没有包含在训练集中。
随机森林的结果比单独每棵树的过拟合都要小，给出的决策边界也更加符合直观感受，在任何使用应用中，我们都会用到更多的树（几百乃至上千），从而得到更平滑的边界。
在这里插入图片描述
现在我们将100棵树的随机森林应用到乳腺癌的数据中

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.model_selection import train_test_split
import mglearn
from sklearn.datasets import load_breast_cancer

cancer = load_breast_cancer()
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(cancer['data'],cancer['target'],random_state=0)
forest = RandomForestClassifier(n_estimators=100,random_state=0)
forest.fit(X_train,y_train)

print("Accuracy of train set {:.3f}".format(forest.score(X_train,y_train)))
print("Accuracy of test set {:.3f}".format(forest.score(X_test,y_test)))

Accuracy of train set 1.000
Accuracy of test set 0.972

可以发现，在没有调节任何参数的情况下，随机森林的精度为97%，比线性模型或单棵决策树都要好，我们可以调节max_features参数，或者像单棵树那样进行预剪枝，但是一般情况下，随机森林的默认参数就能给出很好的结果。
给出随机森林的特征重要性直方图，随机森林特征重要性相比单棵决策树也会更加可靠。

def plot_feature_importances_cancer(model):
    n_features = cancer.data.shape[1]
    plt.barh(range(n_features),model.feature_importances_,align='center')
    plt.yticks(np.arange(n_features),cancer.feature_names)
    plt.xlabel('Feature importance')
    plt.ylabel("Feature")

plot_feature_importances_cancer(forest)

在这里插入图片描述

模型评价

用于回归和分类的随机森林是目前应用最广泛的机器学习方法之一，通常不需要反复调节参数就能得到很好的结果，也不需要对数据进行缩放（如归一化或标准化）；
随机森林拥有决策树的所有优点，同时弥补了决策树的一些缺陷，森林中的树越多，他对随机状态选择的鲁棒性也会越好；
max_features决定了每棵树的随机性大小，较小的max_features可以降低过拟合，对于分类，默认值是max_features=sqrt(n_features)，对于回归，默认值是max_features=n_features，增大max_features或max_leaf_nodes有时也会提高性能；
对于维度非常高的稀疏矩阵（如文本数据），随机森林的表现往往不是很好，对于这种数据，线性模型可能会更合适一些；