【Python机器学习】实验09 决策树2

简介: 【Python机器学习】实验09 决策树

决策树分类

from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.tree import export_graphviz
import graphviz
#1 导入相关包
from sklearn import tree
#2 构建一个决策树分类器模型
clf = DecisionTreeClassifier(criterion="entropy")
#3 采用数据来构建决策树
clf.fit(X_train, y_train)
#4 对决策树模型进行测试
clf.score(X_test, y_test)
0.9

一旦经过训练,就可以用 plot_tree函数绘制树:

tree.plot_tree(clf)
[Text(0.6, 0.9, 'X[1] <= 3.15\nentropy = 0.998\nsamples = 70\nvalue = [37, 33]'),
 Text(0.4, 0.7, 'X[0] <= 4.95\nentropy = 0.639\nsamples = 37\nvalue = [6, 31]'),
 Text(0.3, 0.5, 'X[1] <= 2.7\nentropy = 0.592\nsamples = 7\nvalue = [6, 1]'),
 Text(0.2, 0.3, 'X[0] <= 4.7\nentropy = 1.0\nsamples = 2\nvalue = [1, 1]'),
 Text(0.1, 0.1, 'entropy = 0.0\nsamples = 1\nvalue = [1, 0]'),
 Text(0.3, 0.1, 'entropy = 0.0\nsamples = 1\nvalue = [0, 1]'),
 Text(0.4, 0.3, 'entropy = 0.0\nsamples = 5\nvalue = [5, 0]'),
 Text(0.5, 0.5, 'entropy = 0.0\nsamples = 30\nvalue = [0, 30]'),
 Text(0.8, 0.7, 'X[0] <= 6.05\nentropy = 0.33\nsamples = 33\nvalue = [31, 2]'),
 Text(0.7, 0.5, 'entropy = 0.0\nsamples = 31\nvalue = [31, 0]'),
 Text(0.9, 0.5, 'entropy = 0.0\nsamples = 2\nvalue = [0, 2]')]

b979c66f9a3d45e4a97d99fd93c308a4.png

也可以导出树

tree_pic = export_graphviz(clf, out_file="mytree.pdf")
with open('mytree.pdf') as f:
    dot_graph = f.read()

或者,还可以使用函数 export_text以文本格式导出树。此方法不需要安装外部库,而且更紧凑:

from sklearn.tree import export_text
r = export_text(clf)
print(r)
|--- feature_1 <= 3.15
|   |--- feature_0 <= 4.95
|   |   |--- feature_1 <= 2.70
|   |   |   |--- feature_0 <= 4.70
|   |   |   |   |--- class: 0.0
|   |   |   |--- feature_0 >  4.70
|   |   |   |   |--- class: 1.0
|   |   |--- feature_1 >  2.70
|   |   |   |--- class: 0.0
|   |--- feature_0 >  4.95
|   |   |--- class: 1.0
|--- feature_1 >  3.15
|   |--- feature_0 <= 6.05
|   |   |--- class: 0.0
|   |--- feature_0 >  6.05
|   |   |--- class: 1.0

决策树回归

import numpy as np
from sklearn.tree import DecisionTreeRegressor
import matplotlib.pyplot as plt
rng = np.random.RandomState(1)
rng
RandomState(MT19937) at 0x1AD2E576840
X = np.sort(5 * rng.rand(80, 1), axis=0)
# Create a random dataset
rng = np.random.RandomState(1)
X = np.sort(5 * rng.rand(80, 1), axis=0)
y = np.sin(X).ravel()
y[::5] += 3 * (0.5 - rng.rand(16))
X.shape,y.shape
((80, 1), (80,))
X_test = np.arange(0.0, 5.0, 0.01)[:, np.newaxis]
X_test.shape
(500, 1)
# Fit regression model
regr_1 = DecisionTreeRegressor(max_depth=2)
regr_2 = DecisionTreeRegressor(max_depth=5)
regr_1.fit(X, y)
regr_2.fit(X, y)
# Predict
X_test = np.arange(0.0, 5.0, 0.01)[:, np.newaxis]
y_1 = regr_1.predict(X_test)
y_2 = regr_2.predict(X_test)
# Plot the results
plt.figure()
plt.scatter(X, y, s=20, edgecolor="black", c="darkorange", label="data")
plt.plot(X_test, y_1, color="cornflowerblue", label="max_depth=2", linewidth=2)
plt.plot(X_test, y_2, color="yellowgreen", label="max_depth=5", linewidth=2)
plt.xlabel("data")
plt.ylabel("target")
plt.title("Decision Tree Regression")
plt.legend()
plt.show()

1fe5c0103f384d6681128cfd589f8d2f.png

Scikit-learn 的决策树参数

DecisionTreeClassifier(criterion=“gini”,

splitter=“best”,

max_depth=None,

min_samples_split=2,

min_samples_leaf=1,

min_weight_fraction_leaf=0.,

max_features=None,

random_state=None,

max_leaf_nodes=None,

min_impurity_decrease=0.,

min_impurity_split=None,

class_weight=None,

presort=False)


参数含义:


criterion:string, optional (default=“gini”)

(1).criterion=‘gini’,分裂节点时评价准则是Gini指数。

(2).criterion=‘entropy’,分裂节点时的评价指标是信息增益。

max_depth:int or None, optional (default=None)。指定树的最大深度。

如果为None,表示树的深度不限。直到所有的叶子节点都是纯净的,即叶子节点

中所有的样本点都属于同一个类别。或者每个叶子节点包含的样本数小于min_samples_split。

splitter:string, optional (default=“best”)。指定分裂节点时的策略。

(1).splitter=‘best’,表示选择最优的分裂策略。

(2).splitter=‘random’,表示选择最好的随机切分策略。

min_samples_split:int, float, optional (default=2)。表示分裂一个内部节点需要的做少样本数。

(1).如果为整数,则min_samples_split就是最少样本数。

(2).如果为浮点数(0到1之间),则每次分裂最少样本数为ceil(min_samples_split * n_samples)

min_samples_leaf: int, float, optional (default=1)。指定每个叶子节点需要的最少样本数。

(1).如果为整数,则min_samples_split就是最少样本数。

(2).如果为浮点数(0到1之间),则每个叶子节点最少样本数为ceil(min_samples_leaf * n_samples)

min_weight_fraction_leaf:float, optional (default=0.)

指定叶子节点中样本的最小权重。

max_features:int, float, string or None, optional (default=None).

搜寻最佳划分的时候考虑的特征数量。

(1).如果为整数,每次分裂只考虑max_features个特征。

(2).如果为浮点数(0到1之间),每次切分只考虑int(max_features * n_features)个特征。

(3).如果为’auto’或者’sqrt’,则每次切分只考虑sqrt(n_features)个特征

(4).如果为’log2’,则每次切分只考虑log2(n_features)个特征。

(5).如果为None,则每次切分考虑n_features个特征。

(6).如果已经考虑了max_features个特征,但还是没有找到一个有效的切分,那么还会继续寻找

下一个特征,直到找到一个有效的切分为止。

random_state:int, RandomState instance or None, optional (default=None)

(1).如果为整数,则它指定了随机数生成器的种子。

(2).如果为RandomState实例,则指定了随机数生成器。

(3).如果为None,则使用默认的随机数生成器。

max_leaf_nodes: int or None, optional (default=None)。指定了叶子节点的最大数量。

(1).如果为None,叶子节点数量不限。

(2).如果为整数,则max_depth被忽略。

min_impurity_decrease:float, optional (default=0.)

如果节点的分裂导致不纯度的减少(分裂后样本比分裂前更加纯净)大于或等于min_impurity_decrease,则分裂该节点。

加权不纯度的减少量计算公式为:

min_impurity_decrease=N_t / N * (impurity - N_t_R / N_t * right_impurity

- N_t_L / N_t * left_impurity)

其中N是样本的总数,N_t是当前节点的样本数,N_t_L是分裂后左子节点的样本数,

N_t_R是分裂后右子节点的样本数。impurity指当前节点的基尼指数,right_impurity指

分裂后右子节点的基尼指数。left_impurity指分裂后左子节点的基尼指数。

min_impurity_split:float

树生长过程中早停止的阈值。如果当前节点的不纯度高于阈值,节点将分裂,否则它是叶子节点。

这个参数已经被弃用。用min_impurity_decrease代替了min_impurity_split。

class_weight:dict, list of dicts, “balanced” or None, default=None

类别权重的形式为{class_label: weight}

(1).如果没有给出每个类别的权重,则每个类别的权重都为1。

(2).如果class_weight=‘balanced’,则分类的权重与样本中每个类别出现的频率成反比。

计算公式为:n_samples / (n_classes * np.bincount(y))

(3).如果sample_weight提供了样本权重(由fit方法提供),则这些权重都会乘以sample_weight。

presort:bool, optional (default=False)

指定是否需要提前排序数据从而加速训练中寻找最优切分的过程。设置为True时,对于大数据集

会减慢总体的训练过程;但是对于一个小数据集或者设定了最大深度的情况下,会加速训练过程。

决策树调参

# 导入库
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn import datasets
from sklearn.model_selection import train_test_split
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.tree import DecisionTreeRegressor
from sklearn import metrics
# 导入数据集
X = datasets.load_iris()  # 以全部字典形式返回,有data,target,target_names三个键
data = X.data
target = X.target
name = X.target_names
x, y = datasets.load_iris(return_X_y=True)  # 能一次性取前2个
print(x.shape, y.shape)
(150, 4) (150,)
# 数据分为训练集和测试集
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x,y,test_size=0.2,random_state=100)
# 用GridSearchCV寻找最优参数(字典)
param = {
    'criterion': ['gini'],
    'max_depth': [30, 50, 60, 100],
    'min_samples_leaf': [2, 3, 5, 10],
    'min_impurity_decrease': [0.1, 0.2, 0.5]
}
grid = GridSearchCV(DecisionTreeClassifier(), param_grid=param, cv=6)
grid.fit(x_train, y_train)
print('最优分类器:', grid.best_params_, '最优分数:', grid.best_score_)  # 得到最优的参数和分值
最优分类器: {'criterion': 'gini', 'max_depth': 50, 'min_impurity_decrease': 0.2, 'min_samples_leaf': 10} 最优分数: 0.9416666666666665
param = {
    'criterion': ['gini',"entropy"],
    'max_depth': [30, 50, 60, 100,80],
    'min_samples_leaf': [2, 3, 5, 10],
    'min_impurity_decrease': [0.1, 0.2, 0.5,0.8],
    "splitter":["random","best"]
}
grid=GridSearchCV(DecisionTreeClassifier(),param_grid=param,cv=5)
grid.fit(x_train,y_train)
print(grid.best_params_,grid.best_score_,grid.n_splits_)
{'criterion': 'entropy', 'max_depth': 50, 'min_impurity_decrease': 0.1, 'min_samples_leaf': 10, 'splitter': 'random'} 0.95 5

实验1:通过sklearn来做breast_cancer数据集的决策树分类器训练

准备数据
from sklearn.datasets import load_breast_cancer
bst = load_breast_cancer()
data=bst.data
bst.feature_names
array(['mean radius', 'mean texture', 'mean perimeter', 'mean area',
       'mean smoothness', 'mean compactness', 'mean concavity',
       'mean concave points', 'mean symmetry', 'mean fractal dimension',
       'radius error', 'texture error', 'perimeter error', 'area error',
       'smoothness error', 'compactness error', 'concavity error',
       'concave points error', 'symmetry error',
       'fractal dimension error', 'worst radius', 'worst texture',
       'worst perimeter', 'worst area', 'worst smoothness',
       'worst compactness', 'worst concavity', 'worst concave points',
       'worst symmetry', 'worst fractal dimension'], dtype='<U23')
data.shape
(569, 30)
x=data[:,:2]
labels=bst.feature_names[:2]
labels
array(['mean radius', 'mean texture'], dtype='<U23')
y=bst.target
datasets=np.insert(x,x.shape[1],y,axis=1)
datasets.shape
(569, 3)
data_df = pd.DataFrame(datasets,columns=['mean radius', 'mean texture',"结果"])
data_df
mean radius mean texture 结果
0 17.99 10.38 0.0
1 20.57 17.77 0.0
2 19.69 21.25 0.0
3 11.42 20.38 0.0
4 20.29 14.34 0.0
... ... ... ...
564 21.56 22.39 0.0
565 20.13 28.25 0.0
566 16.60 28.08 0.0
567 20.60 29.33 0.0
568 7.76 24.54 1.0

569 rows × 3 columns

# 数据分为训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.3)
X_train.shape,X_test.shape,y_train.shape,y_test.shape
((398, 2), (171, 2), (398,), (171,))
训练模型
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.tree import export_graphviz
import graphviz
clf = DecisionTreeClassifier(criterion="entropy")
clf.fit(X_train, y_train)
DecisionTreeClassifier(criterion='entropy')
测试模型
#4 对决策树模型进行测试
clf.score(X_test, y_test)
0.8713450292397661

实验2:构造下面的数据,并调用前面手写代码实现决策树分类器

def create_demo():
    datasets=[['sunny','hot','high','False','No'],
              ['sunny','hot','high','True','No'],
              ['overcast','hot','high','False','Yes'],
              ['rain','mild','high','False','Yes'],
              ['rain','cool','normal','False','Yes'],
              ['rain','cool','normal','True','No'],
              ['overcast','cool','normal','True','Yes'],
              ['sunny','mild','high','False','No'],
              ['sunny','cool','normal','False','Yes'],
              ['rain','mild','normal','True','Yes'],
              ['sunny','mild','normal','False','Yes'],
              ['overcast','mild','high','True','Yes'],
              ['overcast','hot','normal','False','Yes'],
              ['rain','mild','high','True','No']]
    labels=['Outlook','Temperature','Humidity','Windy','Play']
    return datasets,labels
datasets,labels=create_demo()
data_df = pd.DataFrame(datasets,columns=labels)
data_df
Outlook Temperature Humidity Windy Play
0 sunny hot high False No
1 sunny hot high True No
2 overcast hot high False Yes
3 rain mild high False Yes
4 rain cool normal False Yes
5 rain cool normal True No
6 overcast cool normal True Yes
7 sunny mild high False No
8 sunny cool normal False Yes
9 rain mild normal True Yes
10 sunny mild normal False Yes
11 overcast mild high True Yes
12 overcast hot normal False Yes
13 rain mild high True No
train_data=pd.DataFrame(datasets,columns=labels)
dt = DTree()
tree = dt.fit(data_df)
tree
{'label:': None, 'feature': 0, 'tree': {'sunny': {'label:': None, 'feature': 1, 'tree': {'high': {'label:': 'No', 'feature': None, 'tree': {}}, 'normal': {'label:': 'Yes', 'feature': None, 'tree': {}}}}, 'rain': {'label:': None, 'feature': 2, 'tree': {'True': {'label:': None, 'feature': 0, 'tree': {'mild': {'label:': None, 'feature': 0, 'tree': {'normal': {'label:': 'Yes', 'feature': None, 'tree': {}}, 'high': {'label:': 'No', 'feature': None, 'tree': {}}}}, 'cool': {'label:': 'No', 'feature': None, 'tree': {}}}}, 'False': {'label:': 'Yes', 'feature': None, 'tree': {}}}}, 'overcast': {'label:': 'Yes', 'feature': None, 'tree': {}}}}
                      Outlook
      sunny            rain           overcast
       ↓                 ↓               ↓
     Humidity          Windy            Yes
 high    normal    True       False
  ↓        ↓         ↓          ↓
   No     Yes   Temperature    Yes
               mild      cool
                 ↓        ↓
             Humidity     No
           normal  high  
             ↓       ↓
            Yes     No
采用下面的样本进行测试
test=["sunny","hot","normal","True"]
tree.predict(test)
'Yes'


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