【人工智能与机器学习】决策树ID3及其python实现

1 决策树算法

决策树（Decision Tree)是一类常见的机器学习方法，是一种非常常用的分类方法，它是一种监督学习。常见的决策树算法有ID3，C4.5、C5.0和CART（classification and regression tree），CART的分类效果一般要优于其他决策树。

决策树是基于树状结构来进行决策的，一般地，一棵决策树包含一个根节点、若干个内部节点和若干个叶节点。

每个内部节点表示一个属性上的判断
每个分支代表一个判断结果的输出
每个叶节点代表一种分类结果。
根节点包含样本全集
决策树学习的目的是为了产生一棵泛化能力强，即处理未见示例能力强的决策树，其基本流程遵循简单且直观的“分而治之”（divide-and-conquer）策略。

本文主要介绍ID3算法，ID3算法的核心是根据信息增益来选择进行划分的特征，然后递归地构建决策树。

1.1 特征选择

特征选择也即选择最优划分属性，从当前数据的特征中选择一个特征作为当前节点的划分标准。 随着划分过程不断进行，希望决策树的分支节点所包含的样本尽可能属于同一类别，即节点的“纯度”越来越高。

1.2 熵（entropy）

熵表示事务不确定性的程度，也就是信息量的大小（一般说信息量大，就是指这个时候背后的不确定因素太多），熵的公式如下：

其中， p(xi)是分类 xi 出现的概率，n是分类的数目。可以看出，熵的大小只和变量的概率分布有关。
对于在X的条件下Y的条件熵，是指在X的信息之后，Y这个变量的信息量（不确定性）的大小，计算公式如下：

例如，当只有A类和B类的时候，p(A)=p(B)=0.5，熵的大小为：

当只有A类或只有B类时，

所以当Entropy最大为1的时候，是分类效果最差的状态，当它最小为0的时候，是完全分类的状态。因为熵等于零是理想状态，一般实际情况下，熵介于0和1之间 。

熵的不断最小化，实际上就是提高分类正确率的过程。

1.3 信息增益

信息增益：在划分数据集之前之后信息发生的变化，计算每个特征值划分数据集获得的信息增益，获得信息增益最高的特征就是最好的选择。

定义属性A对数据集D的信息增益为infoGain(D|A)，它等于D本身的熵，减去 给定A的条件下D的条件熵，即：

信息增益的意义：引入属性A后，原来数据集D的不确定性减少了多少。

计算每个属性引入后的信息增益，选择给D带来的信息增益最大的属性，即为最优划分属性。一般，信息增益越大，则意味着使用属性A来进行划分所得到的的“纯度提升”越大。

2 ID3算法的python实现

以西瓜数据集为例
·watermalon.csv·文件内容如下：

读取文件数据

import numpy as np
import pandas as pd
import math
data = pd.read_csv('work/watermalon.csv')
data

计算熵

def info(x,y):
    if x != y and x != 0:
        # 计算当前情况的熵
        return -(x/y)*math.log2(x/y) - ((y-x)/y)*math.log2((y-x)/y)
    if x == y or x == 0:
        # 纯度最大，熵值为0
        return 0
info_D = info(8,17)
info_D

结果为：
0.9975025463691153

计算信息增益

# 计算每种情况的熵
seze_black_entropy = -(4/6)*math.log2(4/6)-(2/6)*math.log2(2/6)
seze_green_entropy = -(3/6)*math.log2(3/6)*2
seze_white_entropy = -(1/5)*math.log2(1/5)-(4/5)*math.log2(4/5)

# 计算色泽特征色信息熵
seze_entropy = (6/17)*seze_black_entropy+(6/17)*seze_green_entropy+(5/17)*seze_white_entropy
print(seze_entropy)
# 计算信息增益
info_D - seze_entropy

结果为：
0.10812516526536531

查看每种根蒂中好坏瓜情况的分布情况

data.根蒂.value_counts()
# 查看每种根蒂中好坏瓜情况的分布情况
print(data[data.根蒂=='蜷缩'])
print(data[data.根蒂=='稍蜷'])
print(data[data.根蒂=='硬挺'])

gendi_entropy = (8/17)*info(5,8)+(7/17)*info(3,7)+(2/17)*info(0,2)
gain_col = info_D - gendi_entropy
gain_col

根蒂的信息增益为：0.142674959566793

查看每种敲声中好坏瓜情况的分布情况

data.敲声.value_counts()
# 查看每种敲声中好坏瓜情况的分布情况
print(data[data.敲声=='浊响'])
print(data[data.敲声=='沉闷'])
print(data[data.敲声=='清脆'])
qiaosheng_entropy = (10/17)*info(6,10)+(5/17)*info(2,5)+(2/17)*info(0,2)
info_gain = info_D - qiaosheng_entropy
info_gain

查看每种纹理中好坏瓜情况的分布情况

data.纹理.value_counts()
# 查看每种纹理中好坏瓜情况的分布情况
print(data[data.纹理=="清晰"])
print(data[data.纹理=="稍糊"])
print(data[data.纹理=="模糊"])
wenli_entropy = (9/17)*info(7,9)+(5/17)*info(1,5)+(3/17)*info(0,3)
info_gain = info_D - wenli_entropy
info_gain

同理查看其他列的分布情况，这里不做演示

绘制可视化树

import matplotlib.pylab as plt
import matplotlib

# 能够显示中文
matplotlib.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
matplotlib.rcParams['font.serif'] = ['SimHei']

# 分叉节点，也就是决策节点
decisionNode = dict(boxstyle="sawtooth", fc="0.8")

# 叶子节点
leafNode = dict(boxstyle="round4", fc="0.8")

# 箭头样式
arrow_args = dict(arrowstyle="<-")


def plotNode(nodeTxt, centerPt, parentPt, nodeType):
    """
    绘制一个节点
    :param nodeTxt: 描述该节点的文本信息
    :param centerPt: 文本的坐标
    :param parentPt: 点的坐标，这里也是指父节点的坐标
    :param nodeType: 节点类型,分为叶子节点和决策节点
    :return:
    """
    createPlot.ax1.annotate(nodeTxt, xy=parentPt, xycoords='axes fraction',
                            xytext=centerPt, textcoords='axes fraction',
                            va="center", ha="center", bbox=nodeType, arrowprops=arrow_args)


def getNumLeafs(myTree):
    """
    获取叶节点的数目
    :param myTree:
    :return:
    """
    # 统计叶子节点的总数
    numLeafs = 0

    # 得到当前第一个key，也就是根节点
    firstStr = list(myTree.keys())[0]

    # 得到第一个key对应的内容
    secondDict = myTree[firstStr]

    # 递归遍历叶子节点
    for key in secondDict.keys():
        # 如果key对应的是一个字典，就递归调用
        if type(secondDict[key]).__name__ == 'dict':
            numLeafs += getNumLeafs(secondDict[key])
        # 不是的话，说明此时是一个叶子节点
        else:
            numLeafs += 1
    return numLeafs


def getTreeDepth(myTree):
    """
    得到数的深度层数
    :param myTree:
    :return:
    """
    # 用来保存最大层数
    maxDepth = 0

    # 得到根节点
    firstStr = list(myTree.keys())[0]

    # 得到key对应的内容
    secondDic = myTree[firstStr]

    # 遍历所有子节点
    for key in secondDic.keys():
        # 如果该节点是字典，就递归调用
        if type(secondDic[key]).__name__ == 'dict':
            # 子节点的深度加1
            thisDepth = 1 + getTreeDepth(secondDic[key])

        # 说明此时是叶子节点
        else:
            thisDepth = 1

        # 替换最大层数
        if thisDepth > maxDepth:
            maxDepth = thisDepth

    return maxDepth


def plotMidText(cntrPt, parentPt, txtString):
    """
    计算出父节点和子节点的中间位置，填充信息
    :param cntrPt: 子节点坐标
    :param parentPt: 父节点坐标
    :param txtString: 填充的文本信息
    :return:
    """
    # 计算x轴的中间位置
    xMid = (parentPt[0]-cntrPt[0])/2.0 + cntrPt[0]
    # 计算y轴的中间位置
    yMid = (parentPt[1]-cntrPt[1])/2.0 + cntrPt[1]
    # 进行绘制
    createPlot.ax1.text(xMid, yMid, txtString)


def plotTree(myTree, parentPt, nodeTxt):
    """
    绘制出树的所有节点，递归绘制
    :param myTree: 树
    :param parentPt: 父节点的坐标
    :param nodeTxt: 节点的文本信息
    :return:
    """
    # 计算叶子节点数
    numLeafs = getNumLeafs(myTree=myTree)

    # 计算树的深度
    depth = getTreeDepth(myTree=myTree)

    # 得到根节点的信息内容
    firstStr = list(myTree.keys())[0]

    # 计算出当前根节点在所有子节点的中间坐标,也就是当前x轴的偏移量加上计算出来的根节点的中心位置作为x轴（比如说第一次：初始的x偏移量为：-1/2W,计算出来的根节点中心位置为：(1+W)/2W，相加得到：1/2），当前y轴偏移量作为y轴
    cntrPt = (plotTree.xOff + (1.0 + float(numLeafs))/2.0/plotTree.totalW, plotTree.yOff)

    # 绘制该节点与父节点的联系
    plotMidText(cntrPt, parentPt, nodeTxt)

    # 绘制该节点
    plotNode(firstStr, cntrPt, parentPt, decisionNode)

    # 得到当前根节点对应的子树
    secondDict = myTree[firstStr]

    # 计算出新的y轴偏移量，向下移动1/D，也就是下一层的绘制y轴
    plotTree.yOff = plotTree.yOff - 1.0/plotTree.totalD

    # 循环遍历所有的key
    for key in secondDict.keys():
        # 如果当前的key是字典的话，代表还有子树，则递归遍历
        if isinstance(secondDict[key], dict):
            plotTree(secondDict[key], cntrPt, str(key))
        else:
            # 计算新的x轴偏移量，也就是下个叶子绘制的x轴坐标向右移动了1/W
            plotTree.xOff = plotTree.xOff + 1.0/plotTree.totalW
            # 打开注释可以观察叶子节点的坐标变化
            # print((plotTree.xOff, plotTree.yOff), secondDict[key])
            # 绘制叶子节点
            plotNode(secondDict[key], (plotTree.xOff, plotTree.yOff), cntrPt, leafNode)
            # 绘制叶子节点和父节点的中间连线内容
            plotMidText((plotTree.xOff, plotTree.yOff), cntrPt, str(key))

    # 返回递归之前，需要将y轴的偏移量增加，向上移动1/D，也就是返回去绘制上一层的y轴
    plotTree.yOff = plotTree.yOff + 1.0/plotTree.totalD


def createPlot(inTree):
    """
    需要绘制的决策树
    :param inTree: 决策树字典
    :return:
    """
    # 创建一个图像
    fig = plt.figure(1, facecolor='white')
    fig.clf()
    axprops = dict(xticks=[], yticks=[])
    createPlot.ax1 = plt.subplot(111, frameon=False, **axprops)
    # 计算出决策树的总宽度
    plotTree.totalW = float(getNumLeafs(inTree))
    # 计算出决策树的总深度
    plotTree.totalD = float(getTreeDepth(inTree))
    # 初始的x轴偏移量，也就是-1/2W，每次向右移动1/W，也就是第一个叶子节点绘制的x坐标为：1/2W，第二个：3/2W，第三个：5/2W，最后一个：(W-1)/2W
    plotTree.xOff = -0.5/plotTree.totalW
    # 初始的y轴偏移量，每次向下或者向上移动1/D
    plotTree.yOff = 1.0
    # 调用函数进行绘制节点图像
    plotTree(inTree, (0.5, 1.0), '')
    # 绘制
    plt.show()


if __name__ == '__main__':
    createPlot(mytree)

总结

决策树ID3是一种经典的机器学习算法，用于解决分类问题。它通过在特征空间中构建树形结构来进行决策，并以信息增益作为划分标准。ID3算法的关键在于选择最佳的属性进行划分，以最大化信息增益。通过Python实现ID3算法，我们可以构建出一棵高效而准确的决策树模型，用于分类预测和决策分析。

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参考
https://zhuanlan.zhihu.com/p/133846252
https://cuijiahua.com/blog/2017/11/ml_2_decision_tree_1.html
https://blog.csdn.net/tauvan/article/details/121028351