詳解機器學習決策樹的優(yōu)缺點

概述

決策樹（Decision Tree）是在已知各種情況發(fā)生概率的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)成決策樹來求取凈現(xiàn)值的期望值大于等于零的概率，評價項目風險，判斷其可行性的決策分析方法，是直觀運用概率分析的一種圖解法。由于這種決策分支畫成圖形很像一棵樹的枝干，故稱決策樹。在機器學習中，決策樹是一個預(yù)測模型，他代表的是對象屬性與對象值之間的一種映射關(guān)系。Entropy = 系統(tǒng)的凌亂程度，使用算法ID3， C4.5和C5.0生成樹算法使用熵。這一度量是基于信息學理論中熵的概念。

決策樹是一種樹形結(jié)構(gòu)，其中每個內(nèi)部節(jié)點表示一個屬性上的測試，每個分支代表一個測試輸出，每個葉節(jié)點代表一種類別。

分類樹（決策樹）是一種十分常用的分類方法。他是一種監(jiān)管學習，所謂監(jiān)管學習就是給定一堆樣本，每個樣本都有一組屬性和一個類別，這些類別是事先確定的，那么通過學習得到一個分類器，這個分類器能夠?qū)π鲁霈F(xiàn)的對象給出正確的分類。這樣的機器學習就被稱之為監(jiān)督學習。

畫法

機器學習中，決策樹是一個預(yù)測模型；他代表的是對象屬性與對象值之間的一種映射關(guān)系。樹中每個節(jié)點表示某個對象，而每個分叉路徑則代表的某個可能的屬性值，而每個葉結(jié)點則對應(yīng)從根節(jié)點到該葉節(jié)點所經(jīng)歷的路徑所表示的對象的值。決策樹僅有單一輸出，若欲有復數(shù)輸出，可以建立獨立的決策樹以處理不同輸出。

數(shù)據(jù)挖掘中決策樹是一種經(jīng)常要用到的技術(shù)，可以用于分析數(shù)據(jù)，同樣也可以用來作預(yù)測。

從數(shù)據(jù)產(chǎn)生決策樹的機器學習技術(shù)叫做決策樹學習， 通俗說就是決策樹。

一個決策樹包含三種類型的節(jié)點：

① 決策節(jié)點：通常用矩形框來表示。

是對幾種可能方案的選擇，即最后選擇的最佳方案。

如果決策屬于多級決策，則決策樹的中間可以有多個決策點，

以決策樹根部的決策點為最終決策方案。

② 機會節(jié)點：通常用圓圈來表示。

代表備選方案的經(jīng)濟效果（期望值），

通過各狀態(tài)節(jié)點的經(jīng)濟效果的對比，

按照一定的決策標準就可以選出最佳方案。

由狀態(tài)節(jié)點引出的分支稱為概率枝，

概率枝的數(shù)目表示可能出現(xiàn)的自然狀態(tài)數(shù)目每個分枝上要注明該狀態(tài)出現(xiàn)的概率。

③ 終結(jié)點：通常用三角形來表示。

將每個方案在各種自然狀態(tài)下取得的損益值標注于結(jié)果節(jié)點的右端。

決策樹學習也是資料探勘中一個普通的方法。在這里，每個決策樹都表述了一種樹型結(jié)構(gòu)，它由它的分支來對該類型的對象依靠屬性進行分類。每個決策樹可以依靠對源數(shù)據(jù)庫的分割進行數(shù)據(jù)測試。這個過程可以遞歸式的對樹進行修剪。 當不能再進行分割或一個單獨的類可以被應(yīng)用于某一分支時，遞歸過程就完成了。另外，隨機森林分類器將許多決策樹結(jié)合起來以提升分類的正確率。

決策樹同時也可以依靠計算條件概率來構(gòu)造。

剪枝

剪枝是決策樹停止分支的方法之一，剪枝有分預(yù)先剪枝和后剪枝兩種。

預(yù)先剪枝是在樹的生長過程中設(shè)定一個指標，當達到該指標時就停止生長，這樣做容易產(chǎn)生“視界局限”，就是一旦停止分支，使得節(jié)點N成為葉節(jié)點，就斷絕了其后繼節(jié)點進行“好”的分支操作的任何可能性。不嚴格的說這些已停止的分支會誤導學習算法，導致產(chǎn)生的樹不純度降差最大的地方過分靠近根節(jié)點。

后剪枝中樹首先要充分生長，直到葉節(jié)點都有最小的不純度值為止，因而可以克服“視界局限”。然后對所有相鄰的成對葉節(jié)點考慮是否消去它們，如果消去能引起令人滿意的不純度增長，那么執(zhí)行消去，并令它們的公共父節(jié)點成為新的葉節(jié)點。這種“合并”葉節(jié)點的做法和節(jié)點分支的過程恰好相反，經(jīng)過剪枝后葉節(jié)點常常會分布在很寬的層次上，樹也變得非平衡。

后剪枝技術(shù)的優(yōu)點是克服了“視界局限”效應(yīng)，而且無需保留部分樣本用于交叉驗證，所以可以充分利用全部訓練集的信息。但后剪枝的計算量代價比預(yù)剪枝方法大得多，特別是在大樣本集中，不過對于小樣本的情況，后剪枝方法還是優(yōu)于預(yù)剪枝方法的。

決策樹的優(yōu)缺點

優(yōu)點

決策樹易于理解和實現(xiàn)，人們在在學習過程中不需要使用者了解很多的背景知識，這同時是它的能夠直接體現(xiàn)數(shù)據(jù)的特點，只要通過解釋后都有能力去理解決策樹所表達的意義。

對于決策樹，數(shù)據(jù)的準備往往是簡單或者是不必要的，而且能夠同時處理數(shù)據(jù)型和常規(guī)型屬性，在相對短的時間內(nèi)能夠?qū)Υ笮蛿?shù)據(jù)源做出可行且效果良好的結(jié)果。

易于通過靜態(tài)測試來對模型進行評測，可以測定模型可信度；如果給定一個觀察的模型，那么根據(jù)所產(chǎn)生的決策樹很容易推出相應(yīng)的邏輯表達式。

缺點

對連續(xù)性的字段比較難預(yù)測。

對有時間順序的數(shù)據(jù)，需要很多預(yù)處理的工作。

當類別太多時，錯誤可能就會增加的比較快。

一般的算法分類的時候，只是根據(jù)一個字段來分類。

ID3算法

決策樹基本上就是把我們以前的經(jīng)驗總結(jié)出來。

如果我們要出門打籃球，一般會根據(jù)“天氣”、“溫度”、“濕度”、“刮風”這幾個條件來判斷，最后得到結(jié)果：去打籃球？還是不去？

在這里我們先介紹兩個指標：純度和信息熵。

純度

你可以把決策樹的構(gòu)造過程理解成為尋找純凈劃分的過程。數(shù)學上，我們可以用純度來表示，純度換一種方式來解釋就是讓目標變量的分歧最小。

舉個例子，假設(shè)有 3 個集合：

集合 1：6 次都去打籃球；

集合 2：4 次去打籃球，2 次不去打籃球；

集合 3：3 次去打籃球，3 次不去打籃球。

按照純度指標來說，集合 1》 集合 2》 集合 3。因為集合1 的分歧最小，集合 3 的分歧最大。

信息熵

表示信息的不確定度

在信息論中，隨機離散事件出現(xiàn)的概率存在著不確定性。為了衡量這種信息的不確定性，信息學之父香農(nóng)引入了信息熵的概念，并給出了計算信息熵的數(shù)學公式：

p（i|t） 代表了節(jié)點 t 為分類 i 的概率，其中 log2 為取以 2 為底的對數(shù)。存在一種度量，它能幫我們反映出來這個信息的不確定度。當不確定性越大時，它所包含的信息量也就越大，信息熵也就越高。

舉個例子，假設(shè)有 2 個集合：

? 集合 1：5 次去打籃球，1 次不去打籃球；

? 集合 2：3 次去打籃球，3 次不去打籃球。

在集合 1 中，有 6 次決策，其中打籃球是 5 次，不打籃球是 1 次。那么假設(shè)：類別 1 為“打籃球”，即次數(shù)為 5；類別 2 為“不打籃球”，即次數(shù)為 1。那么節(jié)點劃分為類別1的概率是 5/6，為類別2的概率是1/6，帶入上述信息熵公式可以計算得出：

同樣，集合 2 中，也是一共 6 次決策，其中類別 1 中“打籃球”的次數(shù)是 3，類別 2“不打籃球”的次數(shù)也是 3，那么信息熵為多少呢？我們可以計算得出：

從上面的計算結(jié)果中可以看出，信息熵越大，純度越低。當集合中的所有樣本均勻混合時，信息熵最大，純度最低。

我們在構(gòu)造決策樹的時候，會基于純度來構(gòu)建。而經(jīng)典的 “不純度”的指標有三種，分別是信息增益（ID3 算法）、信息增益率（C4.5 算法）以及基尼指數(shù)（Cart 算法）。

信息增益

信息增益指的就是劃分可以帶來純度的提高，信息熵的下降。它的計算公式，是父親節(jié)點的信息熵減去所有子節(jié)點的信息熵。在計算的過程中，我們會計算每個子節(jié)點的歸一化信息熵，即按照每個子節(jié)點在父節(jié)點中出現(xiàn)的概率，來計算這些子節(jié)點的信息熵。

所以信息增益的公式可以表示為：

公式中 D 是父親節(jié)點，Di 是子節(jié)點，Gain（D，a）中的 a 作為 D 節(jié)點的屬性選擇。

假設(shè)D 天氣 = 晴的時候，會有 5 次去打籃球，5 次不打籃球。其中 D1 刮風 = 是，有 2 次打籃球，1 次不打籃球。D2 刮風 = 否，有 3 次打籃球，4 次不打籃球。那么a 代表節(jié)點的屬性，即天氣 = 晴。

針對圖上這個例子，D 作為節(jié)點的信息增益為：

也就是 D 節(jié)點的信息熵 -2 個子節(jié)點的歸一化信息熵。2個子節(jié)點歸一化信息熵 =3/10 的 D1 信息熵 +7/10 的 D2 信息熵。

我們基于 ID3 的算法規(guī)則，完整地計算下我們的訓練集，訓練集中一共有 7 條數(shù)據(jù)，3 個打籃球，4 個不打籃球，所以根節(jié)點的信息熵是：

如果你將天氣作為屬性的劃分，會有三個葉子節(jié)點 D1、D2 和D3，分別對應(yīng)的是晴天、陰天和小雨。我們用 + 代表去打籃球，- 代表不去打籃球。那么第一條記錄，晴天不去打籃球，可以記為 1-，于是我們可以用下面的方式來記錄 D1，D2，D3：

D1（天氣 = 晴天）={1-，2-，6+}

D2（天氣 = 陰天）={3+，7-}

D3（天氣 = 小雨）={4+，5-}

我們先分別計算三個葉子節(jié)點的信息熵：

因為 D1 有 3 個記錄，D2 有 2 個記錄，D3 有2 個記錄，所以 D 中的記錄一共是 3+2+2=7，即總數(shù)為 7。所以 D1 在 D（父節(jié)點）中的概率是 3/7，D2在父節(jié)點的概率是 2/7，D3 在父節(jié)點的概率是 2/7。那么作為子節(jié)點的歸一化信息熵 = 3/70.918+2/71.0=0.965。

因為我們用 ID3 中的信息增益來構(gòu)造決策樹，所以要計算每個節(jié)點的信息增益。

天氣作為屬性節(jié)點的信息增益為，Gain（D ， 天氣）=0.985-0.965=0.020。

同理我們可以計算出其他屬性作為根節(jié)點的信息增益，它們分別為：

Gain（D ， 溫度）=0.128

Gain（D ， 濕度）=0.020

Gain（D ， 刮風）=0.020

我們能看出來溫度作為屬性的信息增益最大。因為 ID3 就是要將信息增益最大的節(jié)點作為父節(jié)點，這樣可以得到純度高的決策樹，所以我們將溫度作為根節(jié)點。其決策樹狀圖分裂為下圖所示：

然后我們要將上圖中第一個葉節(jié)點，也就是 D1={1-，2-，3+，4+}進一步進行分裂，往下劃分，計算其不同屬性（天氣、濕度、刮風）作為節(jié)點的信息增益，可以得到：

Gain（D ， 天氣）=0

Gain（D ， 濕度）=0

Gain（D ， 刮風）=0.0615

我們能看到刮風為 D1 的節(jié)點都可以得到最大的信息增益，這里我們選取刮風作為節(jié)點。同理，我們可以按照上面的計算步驟得到完整的決策樹，結(jié)果如下：

于是我們通過 ID3 算法得到了一棵決策樹。ID3 的算法規(guī)則相對簡單，可解釋性強。同樣也存在缺陷，比如我們會發(fā)現(xiàn)ID3 算法傾向于選擇取值比較多的屬性。這樣，如果我們把“編號”作為一個屬性（一般情況下不會這么做，這里只是舉個例子），那么“編號”將會被選為最優(yōu)屬性 。但實際上“編號”是無關(guān)屬性的，它對“打籃球”的分類并沒有太大作用。

所以 ID3 有一個缺陷就是，有些屬性可能對分類任務(wù)沒有太大作用，但是他們?nèi)匀豢赡軙贿x為最優(yōu)屬性。這種缺陷不是每次都會發(fā)生，只是存在一定的概率。在大部分情況下，ID3 都能生成不錯的決策樹分類。針對可能發(fā)生的缺陷，后人提出了新的算法進行改進。

C4.5 算法

信息增益率

因為 ID3 在計算的時候，傾向于選擇取值多的屬性。為了避免這個問題，C4.5 采用信息增益率的方式來選擇屬性。信息增益率 = 信息增益 / 屬性熵

當屬性有很多值的時候，相當于被劃分成了許多份，雖然信息增益變大了，但是對于 C4.5 來說，屬性熵也會變大，所以整體的信息增益率并不大。

悲觀剪枝

ID3 構(gòu)造決策樹的時候，容易產(chǎn)生過擬合的情況。在 C4.5中，會在決策樹構(gòu)造之后采用悲觀剪枝（PEP），這樣可以提升決策樹的泛化能力。

悲觀剪枝是后剪枝技術(shù)中的一種，通過遞歸估算每個內(nèi)部節(jié)點的分類錯誤率，比較剪枝前后這個節(jié)點的分類錯誤率來決定是否對其進行剪枝。這種剪枝方法不再需要一個單獨的測試數(shù)據(jù)集。

離散化處理連續(xù)屬性

C4.5 可以處理連續(xù)屬性的情況，對連續(xù)的屬性進行離散化的處理。比如打籃球存在的“濕度”屬性，不按照“高、中”劃分，而是按照濕度值進行計算，那么濕度取什么值都有可能。該怎么選擇這個閾值呢，C4.5 選擇具有最高信息增益的劃分所對應(yīng)的閾值。

處理缺失值

針對數(shù)據(jù)集不完整的情況，C4.5 也可以進行處理。

假如我們得到的是如下的數(shù)據(jù)，你會發(fā)現(xiàn)這個數(shù)據(jù)中存在兩點問題。第一個問題是，數(shù)據(jù)集中存在數(shù)值缺失的情況，如何進行屬性選擇？第二個問題是，假設(shè)已經(jīng)做了屬性劃分，但是樣本在這個屬性上有缺失值，該如何對樣本進行劃分？

我們不考慮缺失的數(shù)值，可以得到溫度 D={2-，3+，4+，5-，6+，7-}。溫度 = 高：D1={2-，3+，4+}；溫度 = 中：D2={6+，7-}；溫度 = 低：D3={5-} 。這里 + 號代表打籃球，- 號代表不打籃球。比如ID=2 時，決策是不打籃球，我們可以記錄為 2-。

所以三個葉節(jié)點的信息熵可以結(jié)算為：

這三個節(jié)點的歸一化信息熵為 3/60.918+2/61.0+1/6*0=0.792。

針對將屬性選擇為溫度的信息增益率為：

Gain（D′， 溫度）=Ent（D′）-0.792=1.0-0.792=0.208

D′的樣本個數(shù)為 6，而 D 的樣本個數(shù)為 7，所以所占權(quán)重比例為 6/7，所以 Gain（D′，溫度） 所占權(quán)重比例為6/7，所以：

Gain（D， 溫度）=6/7*0.208=0.178

這樣即使在溫度屬性的數(shù)值有缺失的情況下，我們依然可以計算信息增益，并對屬性進行選擇。

小結(jié)

首先 ID3 算法的優(yōu)點是方法簡單，缺點是對噪聲敏感。訓練數(shù)據(jù)如果有少量錯誤，可能會產(chǎn)生決策樹分類錯誤。C4.5 在 IID3 的基礎(chǔ)上，用信息增益率代替了信息增益，解決了噪聲敏感的問題，并且可以對構(gòu)造樹進行剪枝、處理連續(xù)數(shù)值以及數(shù)值缺失等情況，但是由于 C4.5 需要對數(shù)據(jù)集進行多次掃描，算法效率相對較低。