机器学习之决策树与决策森林：机器学习中的强大工具

机器学习之决策树与决策森林：机器学习中的强大工具

摘要：本文深入探讨决策树和决策森林在机器学习中的应用优势及其适用场景。决策树凭借其易于配置、原生处理多种数据类型、鲁棒性及可解释性等特点，在小数据集和表格数据处理方面表现卓越。决策森林更是在分类、回归等多种任务中展现出强大的性能。文章还对比了决策树与神经网络在数据处理上的差异，指出了决策树在表格数据上的优势以及在非结构化数据上的局限性，并强调了决策森林在性能方面的高效性。

决策树的优势

与神经网络相比，决策树在多个方面展现出显著优势：

• 易于配置 ：决策树的超参数较少，并且这些超参数通常具有良好的默认值，这使得决策树的配置过程更加简单。
• 原生处理多种数据类型 ：决策树能够原生处理数值、分类和缺失特征，这大大减少了预处理代码的编写量，节省了时间并降低了错误发生的可能性。
• 鲁棒性与可解释性 ：决策树对噪声数据具有鲁棒性，并且具有可解释的属性，这使得它们在实际应用中更加可靠。
• 高效性 ：在小数据集（少于 100 万个示例）上，决策树的推理和训练速度远快于神经网络。

此外，决策树在机器学习竞赛和工业任务中也取得了出色的成效。

决策森林的能力

决策森林是一类强大的机器学习算法，它在处理表格数据方面表现出色，能够执行多种任务，包括：

• 分类 ：对数据进行分类，例如将动物按物种分类。
• 回归 ：预测连续值，如预测某地区的房价。
• 排名 ：对数据项进行排序，比如在搜索引擎中对搜索结果进行排序。
• 异常值检测 ：识别数据中的异常值，这对于数据清洗和异常检测任务非常重要。
• 效果提升建模 ：通过对数据的深入分析来提升模型的效果。

适合决策森林的数据

决策树在处理表格数据时最为有效。表格数据是最常见的数据格式之一，通常在电子表格、CSV 文件或数据库表中表示。例如，以下是一个表格数据集的示例：

航段数	眼睛数量	重量（磅）	物种（标签）
2	2	12	企鹅
8	6	0.1	蜘蛛
4	2	44	狗
…	…	…	…

与神经网络不同，决策树在开发决策森林时无需执行特征归一化或独热编码等预处理，也不需要对缺失值进行插值。然而，决策树不适合直接处理非表格数据（如图片或文本），尽管存在一些解决方法，但神经网络在处理非结构化数据方面通常表现更好。

性能特点

决策森林对样本的利用率很高，特别适合在小数据集或特征数 / 示例数比率较高的数据集上进行训练。虽然决策树对样本的利用效率很高，但与其他机器学习模型一样，决策树在有大量数据可用时效果最佳。

决策树通常比类似的神经网络具有更快的推理速度。例如，中等规模的决策森林可以在新型 CPU 上几微秒内完成推理，这使得决策森林在需要快速响应的应用场景中具有显著优势。