机器学习算法（六）：基于决策树的分类预测

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田野间的狗尾巴草
    阅读 11 分钟

    声明：本次撰写以Datawhale团队提供的学习材料以自学为主，代码为Datawhale团队提供，利用阿里云天池实验室与编辑器pycharm完成测试。

    学习目标
    • 了解 决策树 的理论知识
    • 掌握 决策树 的 sklearn 函数调用使用并将其运用到企鹅数据集预测
    决策树介绍与应用
    决策树介绍

    决策树(decision tree)是一种基本的分类与回归方法。决策树的主要优点：

    1. 具有很好的解释性，模型可以生成可以理解的规则。
    2. 可以发现特征的重要程度。
    3. 模型的计算复杂度较低。

    决策树的主要缺点：

    1. 模型容易过拟合，需要采用减枝技术处理。
    2. 不能很好利用连续型特征。
    3. 预测能力有限，无法达到其他强监督模型效果。
    4. 方差较高，数据分布的轻微改变很容易造成树结构完全不同。

    算例：
    此算例为书中摘抄过来，主要是为了计算一遍，熟悉一下算法的计算流程。
    image.png
    为了得到最优的决策结果。我们必须向决策树中引入熵和信息增益的概念。
    image.png
    image.png

    决策树的应用

    由于决策树模型中自变量与因变量的非线性关系以及决策树简单的计算方法，使得它成为集成学习中最为广泛使用的基模型。梯度提升树(GBDT)，XGBoost以及LightGBM等先进的集成模型都采用了决策树作为基模型，在广告计算、CTR预估、金融风控等领域大放异彩，成为当今与神经网络相提并论的复杂模型，更是数据挖掘比赛中的常客。在新的研究中，南京大学周志华老师提出一种多粒度级联森林模型，创造了一种全新的基于决策树的深度集成方法，为我们提供了决策树发展的另一种可能。

    同时决策树在一些需要明确可解释甚至提取分类规则的场景中被广泛应用，而其他机器学习模型在这一点很难做到。例如在医疗辅助系统中，为了方便专业人员发现错误，常常将决策树算法用于辅助病症检测。例如在一个预测哮喘患者的模型中，医生发现测试的许多高级模型的效果非常差。所以他们在数据上运行了一个决策树的模型，发现算法认为剧烈咳嗽的病人患哮喘的风险很小。但医生非常清楚剧烈咳嗽一般都会被立刻检查治疗，这意味着患有剧烈咳嗽的哮喘病人都会马上得到收治。用于建模的数据认为这类病人风险很小，是因为所有这类病人都得到了及时治疗，所以极少有人在此之后患病或死亡。

    代码流程

    Part1 Demo实践

    • Step1:库函数导入
    • Step2:模型训练
    • Step3:数据和模型可视化
    • Step4:模型预测

    Part2 数据分析

    • Step1:库函数导入
    • Step2:数据读取/载入
    • Step3:数据信息简单查看
    • Step4:可视化描述

    Part3 建模预测

    • Step1:利用 决策树模型 在二分类上 进行训练和预测
    • Step2:利用 决策树模型 在三分类(多分类)上 进行训练和预测

    决策

    程序

    Step1: 库函数导入

    ##  基础函数库
import numpy as np 

## 导入画图库
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

## 导入决策树模型函数
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn import tree

    Step2: 训练模型

    ##Demo演示LogisticRegression分类

## 构造数据集
x_fearures = np.array([[-1, -2], [-2, -1], [-3, -2], [1, 3], [2, 1], [3, 2]])
y_label = np.array([0, 1, 0, 1, 0, 1])

## 调用决策树模型
tree_clf = DecisionTreeClassifier()

## 用决策树模型拟合构造的数据集
tree_clf = tree_clf.fit(x_fearures, y_label)

    Step3: 数据和模型可视化（需要用到graphviz可视化库，关于graphviz安装的一些问题，请参见CSDN连接）

    ## 可视化构造的数据样本点
plt.figure()
plt.scatter(x_fearures[:,0],x_fearures[:,1], c=y_label, s=50, cmap='viridis')
plt.title('Dataset')
plt.show()
###### 本段代码实际效果为本地生成PDF可视化文档，在体验过程中可以不运行，可能无法正常展示结果；
###### 代码生成的可视化结果会截图展示实际效果
import graphviz
dot_data = tree.export_graphviz(tree_clf, out_file=None)
graph = graphviz.Source(dot_data)
graph.render("pengunis") #pdf名称
###### 'pengunis.pdf'

    image.png
    image.png

    Step4:模型预测

    ## 创建新样本
x_fearures_new1 = np.array([[0, -1]])
x_fearures_new2 = np.array([[2, 1]])
## 在训练集和测试集上分布利用训练好的模型进行预测
y_label_new1_predict = tree_clf.predict(x_fearures_new1)
y_label_new2_predict = tree_clf.predict(x_fearures_new2)
print('The New point 1 predict class:\n',y_label_new1_predict)
print('The New point 2 predict class:\n',y_label_new2_predict)
# The New point 1 predict class:
 # [1]
# The New point 2 predict class:
 # [0]

    预测结果：
    The New point 1 predict class:
    [1]
    The New point 2 predict class:
    [0]
    ##### 数据分析
    在实践的最开始，我们首先需要导入一些基础的函数库包括：numpy （Python进行科学计算的基础软件包），pandas（pandas是一种快速，强大，灵活且易于使用的开源数据分析和处理工具），matplotlib和seaborn绘图。

    ##  基础函数库
import numpy as np 
import pandas as pd

## 绘图函数库
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

    本次我们选择企鹅数据（palmerpenguins）进行方法的尝试训练，该数据集一共包含8个变量，其中7个特征变量，1个目标分类变量。共有150个样本，目标变量为 企鹅的类别 其都属于企鹅类的三个亚属，分别是(Adélie, Chinstrap and Gentoo)。包含的三种种企鹅的七个特征，分别是所在岛屿，嘴巴长度，嘴巴深度，脚蹼长度，身体体积，性别以及年龄。
    image.png
    Step2：数据读取/载入

    ## 我们利用Pandas自带的read_csv函数读取并转化为DataFrame格式

data = pd.read_csv('datalab/531811/Datawhale/penguins_raw.csv')
## 为了方便我们仅选取四个简单的特征，有兴趣的同学可以研究下其他特征的含义以及使用方法
data = data[['Species','Culmen Length (mm)','Culmen Depth (mm)',
            'Flipper Length (mm)','Body Mass (g)']]

    Step3：数据信息简单查看

    ## 利用.info()查看数据的整体信息
data.info()

    ## 进行简单的数据查看，我们可以利用 .head() 头部.tail()尾部
data.head()

    image.png
    这里我们发现数据集中存在NaN，一般的我们认为NaN在数据集中代表了缺失值，可能是数据采集或处理时产生的一种错误。这里我们采用-1将缺失值进行填补，还有其他例如“中位数填补、平均数填补”的缺失值处理方法有兴趣的同学也可以尝试。
    image.png

    data = data.fillna(-1)
data.tail()
## 其对应的类别标签为'Adelie Penguin', 'Gentoo penguin', 'Chinstrap penguin'三种不同企鹅的类别。
data['Species'].unique()
## array(['Adelie Penguin (Pygoscelis adeliae)',
##       'Gentoo penguin (Pygoscelis papua)',
##       'Chinstrap penguin (Pygoscelis antarctica)'], dtype=object)

    因为步骤有点多，粘贴复制有点麻烦，直接贴上代码如下所示:

    ##  基础函数库
import numpy as np
import pandas as pd

## 绘图函数库
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
## 我们利用Pandas自带的read_csv函数读取并转化为DataFrame格式

data = pd.read_csv('penguins_raw.csv')
## 为了方便我们仅选取四个简单的特征，有兴趣的同学可以研究下其他特征的含义以及使用方法
data = data[['Species','Culmen Length (mm)','Culmen Depth (mm)',
            'Flipper Length (mm)','Body Mass (g)']]
## 利用.info()查看数据的整体信息
data.info()
## <class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
## RangeIndex: 344 entries, 0 to 343
## Data columns (total 5 columns):
## Species                344 non-null object
## Culmen Length (mm)     342 non-null float64
## Culmen Depth (mm)      342 non-null float64
## Flipper Length (mm)    342 non-null float64
## Body Mass (g)          342 non-null float64
## dtypes: float64(4), object(1)
## memory usage: 13.6+ KB
## 进行简单的数据查看，我们可以利用 .head() 头部.tail()尾部
data.head()
data = data.fillna(-1)
data.tail()
## 其对应的类别标签为'Adelie Penguin', 'Gentoo penguin', 'Chinstrap penguin'三种不同企鹅的类别。
data['Species'].unique()
## array(['Adelie Penguin (Pygoscelis adeliae)',
##       'Gentoo penguin (Pygoscelis papua)',
##       'Chinstrap penguin (Pygoscelis antarctica)'], dtype=object)
## 利用value_counts函数查看每个类别数量
pd.Series(data['Species']).value_counts()
## Adelie Penguin (Pygoscelis adeliae)          152
## Gentoo penguin (Pygoscelis papua)            124
## Chinstrap penguin (Pygoscelis antarctica)     68
## Name: Species, dtype: int64
## 对于特征进行一些统计描述
data.describe()
## 特征与标签组合的散点可视化
sns.pairplot(data=data, diag_kind='hist', hue= 'Species')
plt.show()
'''为了方便我们将标签转化为数字
       'Adelie Penguin (Pygoscelis adeliae)'        ------0
       'Gentoo penguin (Pygoscelis papua)'          ------1
       'Chinstrap penguin (Pygoscelis antarctica)   ------2 '''

def trans(x):
    if x == data['Species'].unique()[0]:
        return 0
    if x == data['Species'].unique()[1]:
        return 1
    if x == data['Species'].unique()[2]:
        return 2

data['Species'] = data['Species'].apply(trans)
for col in data.columns:
    if col != 'Species':
        sns.boxplot(x='Species', y=col, saturation=0.5, palette='pastel', data=data)
        plt.title(col)
        plt.show()
# 选取其前三个特征绘制三维散点图
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

fig = plt.figure(figsize=(10,8))
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

data_class0 = data[data['Species']==0].values
data_class1 = data[data['Species']==1].values
data_class2 = data[data['Species']==2].values
# 'setosa'(0), 'versicolor'(1), 'virginica'(2)
ax.scatter(data_class0[:,0], data_class0[:,1], data_class0[:,2],label=data['Species'].unique()[0])
ax.scatter(data_class1[:,0], data_class1[:,1], data_class1[:,2],label=data['Species'].unique()[1])
ax.scatter(data_class2[:,0], data_class2[:,1], data_class2[:,2],label=data['Species'].unique()[2])
plt.legend()

plt.show()
## 为了正确评估模型性能，将数据划分为训练集和测试集，并在训练集上训练模型，在测试集上验证模型性能。
from sklearn.model_selection import train_test_split

## 选择其类别为0和1的样本 （不包括类别为2的样本）
data_target_part = data[data['Species'].isin([0,1])][['Species']]
data_features_part = data[data['Species'].isin([0,1])][['Culmen Length (mm)','Culmen Depth (mm)',
            'Flipper Length (mm)','Body Mass (g)']]

## 测试集大小为20%， 80%/20%分
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(data_features_part, data_target_part, test_size = 0.2, random_state = 2020)
## 从sklearn中导入决策树模型
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn import tree
## 定义 决策树模型
clf = DecisionTreeClassifier(criterion='entropy')
## 在训练集上训练决策树模型
clf.fit(x_train, y_train)
## DecisionTreeClassifier(class_weight=None, criterion='entropy', max_depth=None,
##            max_features=None, max_leaf_nodes=None,
##            min_impurity_decrease=0.0, min_impurity_split=None,
##            min_samples_leaf=1, min_samples_split=2,
##            min_weight_fraction_leaf=0.0, presort=False, random_state=None,
##            splitter='best')
## 可视化
## 本段代码实际效果为本地生成PDF可视化文档，在体验过程中可以不运行，可能无法正常展示结果；
## 代码生成的可视化结果会截图展示实际效果
import graphviz
dot_data = tree.export_graphviz(clf, out_file=None)
graph = graphviz.Source(dot_data)
graph.render("penguins")
## 'penguins.pdf'
## 在训练集和测试集上分布利用训练好的模型进行预测
train_predict = clf.predict(x_train)
test_predict = clf.predict(x_test)
from sklearn import metrics
## 利用accuracy（准确度）【预测正确的样本数目占总预测样本数目的比例】评估模型效果
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_train,train_predict))
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_test,test_predict))
## 查看混淆矩阵 (预测值和真实值的各类情况统计矩阵)
confusion_matrix_result = metrics.confusion_matrix(test_predict,y_test)
print('The confusion matrix result:\n',confusion_matrix_result)
# 利用热力图对于结果进行可视化
plt.figure(figsize=(8, 6))
sns.heatmap(confusion_matrix_result, annot=True, cmap='Blues')
plt.xlabel('Predicted labels')
plt.ylabel('True labels')
plt.show()
## The accuracy of the Logistic Regression is: 0.9954545454545455
## The accuracy of the Logistic Regression is: 1.0
## The confusion matrix result:
## [[31  0]
## [ 0 25]]
## 测试集大小为20%， 80%/20%分
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(data[['Culmen Length (mm)','Culmen Depth (mm)',
            'Flipper Length (mm)','Body Mass (g)']], data[['Species']], test_size = 0.2, random_state = 2020)
## 定义 决策树模型
clf = DecisionTreeClassifier()
# 在训练集上训练决策树模型
clf.fit(x_train, y_train)
## DecisionTreeClassifier(class_weight=None, criterion='gini', max_depth=None,
##            max_features=None, max_leaf_nodes=None,
##            min_impurity_decrease=0.0, min_impurity_split=None,
##            min_samples_leaf=1, min_samples_split=2,
##            min_weight_fraction_leaf=0.0, presort=False, random_state=None,
##            splitter='best')
## 在训练集和测试集上分布利用训练好的模型进行预测
train_predict = clf.predict(x_train)
test_predict = clf.predict(x_test)
## 由于逻辑回归模型是概率预测模型（前文介绍的 p = p(y=1|x,\theta)）,所有我们可以利用 predict_proba 函数预测其概率
train_predict_proba = clf.predict_proba(x_train)
test_predict_proba = clf.predict_proba(x_test)
print('The test predict Probability of each class:\n',test_predict_proba)
## 其中第一列代表预测为0类的概率，第二列代表预测为1类的概率，第三列代表预测为2类的概率。
## 利用accuracy（准确度）【预测正确的样本数目占总预测样本数目的比例】评估模型效果
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_train,train_predict))
print('The accuracy of the Logistic Regression is:',metrics.accuracy_score(y_test,test_predict))
#  The test predict Probability of each class:
#    [[0. 0. 1.]
#    [0. 1. 0.]
#    [0. 1. 0.]
#    [1. 0. 0.]
#    …………
#    [0. 1. 0.]
#    [0. 0. 1.]
#    [1. 0. 0.]
#    [1. 0. 0.]]
#  The accuracy of the Logistic Regression is: 0.996363636364

#  The accuracy of the Logistic Regression is: 0.971014492754

    ## 查看混淆矩阵
confusion_matrix_result = metrics.confusion_matrix(test_predict,y_test)
print('The confusion matrix result:\n',confusion_matrix_result)
# 利用热力图对于结果进行可视化
plt.figure(figsize=(8, 6))
sns.heatmap(confusion_matrix_result, annot=True, cmap='Blues')
plt.xlabel('Predicted labels')
plt.ylabel('True labels')
plt.show()

    结果图：
    image.png
    image.png
    image.png
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    image.png
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    image.png
    image.png

    python机器学习pycharm编辑器
    田野间的狗尾巴草
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    在读研究生，目前主要在研究齿轮传动系统的数据库及数据挖掘方面的工作，欢迎一起交流进步！

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