机器学习实战 -- 决策树(ID3)

决策树ID3算法详解

最新推荐文章于 2025-09-07 20:32:33 发布

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文章标签：数据结构与算法 python 人工智能

原文链接：http://www.cnblogs.com/sytt3/p/10094109.html

本文深入探讨了经典的决策树算法ID3，介绍了其通过计算信息熵选择最优特征进行决策的过程，展示了如何利用Python实现ID3算法，包括构建决策树、绘制决策树以及存储决策树的完整流程。

机器学习实战 -- 决策树(ID3)

ID3是什么我也不知道，不急，知道他是干什么的就行

ID3是最经典最基础的一种决策树算法，他会将每一个特征都设为决策节点，有时候，一个数据集中，某些特征属性是不必要的或者说信息熵增加的很少，这种决策信息是可以合并的修剪的，但是ID3算法并不会这么做

决策树的核心论点是香农信息论，借此理论得出某种分类情况下的信息熵

某种决策下，分类趋向于统一，则香农熵很小（熵描述杂乱无序的程度，如果'YES', 'NO' 可能性对半分，那么这个分类决策最终是趋向于杂乱的熵值会很大，只出现 'YES' 那么表示这个决策的结果趋向于一个统一的结果，固定，那么熵就很小）

综上：某个决策节点下，信息熵越小，说明这个决策方式越好

整个决策树分为三个部分：1.学习出决策树 2.绘制决策树 3.存储决策树

比起sklearn这个决策树更简单，没有考虑基尼系数，只关注信息熵

from math import log
'''''
计算香农熵
'''
def calcShannonEnt(dataset):
'''''
dataset —— 数据集 eg:[[f1,f2,f3,L1],[f1,f2,f3,L2]]
f表示特征，L表示标签
shannonEnt —— 香农熵
'''
numEntries=len(dataset) #统计数据集中样本数量
labelCounts={}
for featVec in dataset:
currentLabel=featVec[-1]
if currentLabel not in labelCounts.keys():
labelCounts[currentLabel]=0
labelCounts[currentLabel] +=1
#for循环统计数据集中各个标签量的个数。如：有几种情况下是'no'
shannonEnt=0.0
for key in labelCounts:
prob=float(labelCounts[key])/numEntries
shannonEnt-=prob*log(prob,2)
#香农熵计算见word
return shannonEnt
'''''
根据特征值划分数据集
'''
def splitDataSet(dataSet,axis,value):
'''''
dataset ——要数据集
axis ——要从哪一个特征划分
value ——精确到特征下的哪一个值
eg：（dataSet,0,0) 表示划分dataSet数据集，按照第0个特征值为0时划分
实际效果：将每个样本中特征值符合(axis,value)定位条件的样本找出来，并删除这个特征
retDataSet——按照特征值划分出的数据子集
'''
retDataSet=[]
for featVec in dataSet:
if featVec[axis] == value: #找到定位点
_=featVec.copy() #拷贝，防止删除特征时影响到原数据集
del _[axis] #删除特征
retDataSet.append(_) #将该样本添加到子集中
return retDataSet
'''''
判断当前数据集中最好的数据划分形式
'''
def Best(dataSet):
numFeatures=len(dataSet[0])-1
baseEntropy=calcShannonEnt(dataSet)
bestInfoGain=0.0
bestFeature=-1
for i in range(numFeatures):
#将每个特征都作为决策节点进行一一尝试，找出最佳
featList=[example[i] for example in dataSet]
#提取每个样本中第i个特征
uniqueVals=set(featList)
newEntropy=0.0
for value in uniqueVals:
#一个特征下有几个特征值，分特征值进行香农熵计算
subDataSet=splitDataSet(dataSet,i,value)
prob=len(subDataSet)/float(len(dataSet))
newEntropy+=prob*calcShannonEnt(subDataSet)
infoGain=baseEntropy-newEntropy
if(infoGain>bestInfoGain):
bestInfoGain=infoGain
bestFeature=i
return bestFeature
'''''
多数表决
当所有特征都决策完时，标签还没有统一，此时就使用多数服从少数的原则
该分类下，哪种标签多，就以哪种标签作为分类依据
'''
def majorityCnt(classList):
'''''
classlist ——关于标签的列表
书上的
classCount={}
for vote in classList:
if vote not in classCount.keys():
classCount[vote]=0
classCount[vote]+=1
sortedClassCount=sorted(classCount.items(),
key=operator.itemgetter(1),
reverse=True)
return sortedClassCount[0][0]
'''
value=0
for i in classList:
if classlist.count(i) >value:
max_label=i
value=classlist.count(i)
return max_label
def createTree(dataSet,labels):
classList=[example[-1] for example in dataSet]
#标签中只有一种了，说明到叶子节点了，直接返回标签
if len(set(classList)) ==1:
return classList[0]
#样本中没有特征了，只能多数服从小数了
if len(dataSet[0])==1:
return majorityCnt(classList)
#先找好决策节点
bestFeat=Best(dataSet)
bestFeatlabel=labels[bestFeat]
myTree={bestFeatlabel:{}}
del labels[bestFeat]#此处，标签列表要随着子集变化而变化
#找出决策节点后，继续深入分析特征值
featValues=[example[bestFeat] for example in dataSet]
uniqueVals=set(featValues)
#遍历特征值进行树创建
for value in uniqueVals:
subLabels=labels[:]
#此处，记得保留最顶层的标签，不能递归的时候让孙子辈的子节点把爷爷辈的标签给改了
myTree[bestFeatlabel][value]=createTree(
splitDataSet(dataSet,bestFeat,value),
subLabels)
return myTree
'''''
-------------------------
绘制决策树
主要是接通matplotlib中的annotate函数来绘画
实际上现在可以借用graphviz来绘制，没去了解这个东西
-------------------------
'''
import matplotlib.pyplot as plt
#建立绘图参数
decisionNode=dict(boxstyle='sawtooth',fc='0.8')
leafNode=dict(boxstyle='round',fc='0.8')
arrow_args=dict(arrowstyle='<-')
#创建图纸，以及设立好初始xoff和yoff
def createPlot(inTree):
fig=plt.figure(1,facecolor='white')
fig.clf()
axprops=dict(xticks=[],yticks=[])
createPlot.ax1=plt.subplot(111,frameon=False,**axprops)
plotTree.totalW=float(getNumLeafs(inTree))
plotTree.totalD=float(getTreeDepth(inTree))
plotTree.xoff=-0.5/plotTree.totalW
plotTree.yoff=1.0
plotTree(inTree,(0.5,1.0),'')
plt.show()
#递归绘制决策树，遇到决策节点就递归，所以最后会有那条+1.0/plotTree.totalD语句返回分叉点
def plotTree(myTree,parentPt,nodeTxt):
numLeafs=getNumLeafs(myTree)
depth=getTreeDepth(myTree)
firstStr=list(myTree.keys())[0]
cntrPt=(plotTree.xoff+(1+float(numLeafs))/2.0/plotTree.totalW,plotTree.yoff)
#上面关于子节点的x值计算，有点绕，可以慢慢调整参数值，知道如何影响决策图的
plotMidText(cntrPt,parentPt,nodeTxt)
plotNode(firstStr,cntrPt,parentPt,decisionNode)
secondDict=myTree[firstStr]
plotTree.yoff=plotTree.yoff-1.0/plotTree.totalD
for key in secondDict.keys():
if type(secondDict[key])==dict:
plotTree(secondDict[key],cntrPt,str(key))
else:
plotTree.xoff=plotTree.xoff+1.0/plotTree.totalW
plotNode(secondDict[key],(plotTree.xoff,plotTree.yoff),cntrPt,leafNode)
plotMidText((plotTree.xoff,plotTree.yoff),cntrPt,str(key))
plotTree.yoff=plotTree.yoff+1.0/plotTree.totalD
'''''
获取叶子节点数量
遍历所有节点，只要不是dict即不是决策节点，numLeafs就+1
'''
def getNumLeafs(myTree):
numLeafs=0
firstStr=list(myTree.keys())[0]
secondDict=myTree[firstStr]
for key in secondDict.keys():
if type(secondDict[key]) ==dict:
numLeafs+=getNumLeafs(secondDict[key])
else:
numLeafs+=1
return numLeafs
'''''
获取决策节点的数量
遍历所有节点，只要是dict，即决策节点，深度就+1
注意的是，没遍历一个特征就需要和储存的depth比较一番，选取最深的才是树的深度
'''
def getTreeDepth(myTree):
maxDepth=0
firstStr=list(myTree.keys())[0]
secondDict=myTree[firstStr]
for key in secondDict.keys():
if type(secondDict[key])==dict:
thisTreeDepth=1+getTreeDepth(secondDict[key])
else:
thisTreeDepth=1
if thisTreeDepth>maxDepth:
maxDepth=thisTreeDepth
return maxDepth
#在连接线的中间标注特征值
def plotMidText(cntrPt,parentPt,txtString):
xmid=(parentPt[0]-cntrPt[0])/2.0+cntrPt[0]
ymid=(parentPt[1]-cntrPt[1])/2.0+cntrPt[1]
createPlot.ax1.text(xmid,ymid,txtString)
#绘制节点以及箭头
def plotNode(nodeTxt,centerPt,parentPt,nodeType):
createPlot.ax1.annotate(nodeTxt,xy=parentPt,xycoords='axes fraction',
xytext=centerPt,textcoords='axes fraction',
va='center',ha='center',bbox=nodeType,
arrowprops=arrow_args)
'''''
-------------------------
储存决策树，使用pickle，序列化存储
-------------------------
'''
import pickle
def storeTree(inputTree,filename):
with open(filename,'wb') as fw:
pickle.dump(inputTree,fw)
def loadTree(filename):
with open(filename,'rb') as fr:
return pickle.load(fr)
if __name__=='__main__':
fr=open('lenses.txt')
lenses=[inst.strip().split('\t') for inst in fr.readlines()]
lensesLabels=['age','prescript','astigmatic','tearRate']
lensesTree=createTree(lenses,lensesLabels)
createPlot(lensesTree)
storeTree(lensesTree,'lensesTree-syt.txt')

转载于:https://www.cnblogs.com/sytt3/p/10094109.html