机器学习实战-决策树

这是本文所用的数据集：

海洋生物数据

	不浮出水面是否可以生存	是否有脚踝	属于鱼类
1	是	是	是
2	是	是	是
3	是	否	否
4	否	是	否
5	否	是	否

1.思想

　　决策树是机器学习里面比较常见的一种算法。决策树它是这样工作的：给你一个海洋生物的数据集，那么我怎么来判断这个样本是否属于鱼类？我们常规的是不是首先观察它是否在水面上能够生存，如果不能，那么根据常识我们知道它不是海洋生物。如果能够生存，那么我们接下来又回去观察它是否有脚踝，如果有，我们判断它为海洋生物，如果没有，我们判断它不是海洋生物。 简单的说，上面这个判断的过程就是决策的过程！

　　这里，我们就有另外一个问题了，我们为何选择首先观察它是否在水面上能够生存，然后再观察它是否有脚踝呢？ 我们这篇文章采用ID3算法，那么这就涉及到信息增益的问题了。关于这个问题理解以及公式推导，我们可以参考这个博客。简单的来说，就是我们选择这个特征能够让我们样本集合获得的“纯度提升”越大。

2.伪代码

　　训练集D={(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_m,y_m)}

　　属性集A={a₁,a₂,...,a_d}

　　  TreeGenerate(D,A)

　　  1.生成节点node

　　  2.if D中所有样本属于同一类别C then

　　  3.　　将node标记为类别为C的叶子节点; 　　return

　　  4.else if A=Ø 或者 D中样本在A上取值相同 then

　　  5.　　将node标记为叶节点，其类别标记为D中样本数最多的类;　　return

　　  6.从A中选取最优属性a_k

　　  7.for a_k中的每一个值a_ki：

　　  8.　　为node生成一个分支；令D_i表示D在属性a_k上取值为a_ki的样本子集

　　  9.　　if D_i = Ø then

　　10.　　　　将分支节点标记为叶节点，类别标记为D中样本最多的类;　　return

　　11. 　　else

　　12.　　　　以TreeGenerate(D_i,A{a_k})为分支节点递归创建决策树

3.代码实现

import numpy as np
from math import log

#创建数据集
def createDataSet():
    # data =    [[0, 0, 0, 0, 'no'],  # 数据集
    #            [0, 0, 0, 1, 'no'],
    #            [0, 1, 0, 1, 'yes'],
    #            [0, 1, 1, 0, 'yes'],
    #            [0, 0, 0, 0, 'no'],
    #            [1, 0, 0, 0, 'no'],
    #            [1, 0, 0, 1, 'no'],
    #            [1, 1, 1, 1, 'yes'],
    #            [1, 0, 1, 2, 'yes'],
    #            [1, 0, 1, 2, 'yes'],
    #            [2, 0, 1, 2, 'yes'],
    #            [2, 0, 1, 1, 'yes'],
    #            [2, 1, 0, 1, 'yes'],
    #            [2, 1, 0, 2, 'yes'],
    #            [2, 0, 0, 0, 'no']]
    # labels = ['年龄', '有工作', '有自己的房子', '信贷情况']
    data = [[1,1,'yes'],
            [1,1,'yes'],
            [1,0,'no'],
            [0,1,'no'],
            [0,1,'no']]
    labels = ['no surfacing','flippers']
    return data,labels

#计算香农熵
def calEnt(dataSet):
    labelsCount ={}
    num = len(dataSet)
    for featVec in dataSet:
        currentLabel = featVec[-1]
        if currentLabel  not in labelsCount.keys():
            labelsCount[currentLabel]=1
        else:
            labelsCount[currentLabel]+=1
    prob = 0.0
    for key in labelsCount:
        p = float(labelsCount[key]) / num
        prob -= p * log(p,2)
    return prob
#得到相应子集
def splitDataSet(dataSet,axis,value):   #axis=n 则表示取第n个特征列，且特征取值为value的子数据集
    subDataSet = []
    for data in dataSet:
        if data[axis] == value:
            reData = data[:axis]
            reData.extend(data[axis+1:])
            subDataSet.append(reData)
    return subDataSet

#得到最佳的划分特征
def getbestFeat(dataSet):
    num_features = len(dataSet[0]) - 1  # 特征数2
    num = len(dataSet)                  # 样本数
    baseInfoGain = 0.0
    for feature in range(num_features):
        #得到该特征有几个属性值
        feature_data = [example[feature] for example in dataSet]
        feature_property = set(feature_data)
        labelsCount = {}
        newEntropy = 0.0
        for label in feature_data:
            if label not in labelsCount:
                labelsCount[label] = 0
            labelsCount[label] += 1
        for property in feature_property: #属性值 0 1
            subSet = splitDataSet(dataSet, feature, property)
            prob = float(labelsCount[property]) / num
            newEntropy = newEntropy + prob*calEnt(subSet)
        InfoGain = calEnt(dataSet) - newEntropy
        #print('第',feature,'个特征的增益为：',InfoGain)
        if InfoGain>baseInfoGain:
            baseInfoGain = InfoGain
            bestFeat = feature
    return bestFeat


#投票
def majority(classList):
    classCount = {}
    for vote in classList:
        if vote not in classCount:
            classCount[vote] = 0
        classCount[vote] += 1
    cla = sorted(classCount.items(),key = lambda x:x[1],reverse=True)
    return cla[0][0]

#创建决策树
def createDecisionTree(dataSet,labels):
    classList = [example[-1] for example in dataSet]
    classListSet = set(classList)
    if len(classListSet) == 1:
        return classList[0]
    if len(dataSet[0]) == 1:
        return majority(classList)
    bestFeat = getbestFeat(dataSet)
    print(bestFeat)
    bestLabel = labels[bestFeat]
    del(labels[bestFeat])
    mytree = {bestLabel:{}}
    uniqueProperty = {}
    for property in [example[bestFeat] for example in dataSet]:
        if property not in uniqueProperty:
            uniqueProperty[property] = 0
        uniqueProperty[property] += 1
    for value in uniqueProperty.keys():
        subLabels = labels[:]
        subSet = splitDataSet(dataSet,bestFeat,value)
        mytree[bestLabel][value] = createDecisionTree(subSet,subLabels)
    return mytree

if __name__ =='__main__':
    data,labels = createDataSet()
    result = calEnt(data)
    print(result)  #0.970950594454668

    # print(majority([1,0,1,0,0,0]))
    # getbestFeat(data)
    print(createDecisionTree(data,labels))   #{'no surfacing': {1: {'flippers': {1: 'yes', 0: 'no'}}, 0: 'no'}}

###################################
#获取叶子节点的数目
def getNumLeafs(myTree):
    numLeafs = 0
    firstStr = list(myTree.keys())[0]
    secondDict = myTree[firstStr]
    for i in secondDict.keys():
        if type(secondDict[i]).__name__ == 'dict':
            numLeafs += getNumLeafs(secondDict[i])
        else:
            numLeafs += 1
    return numLeafs

#获取树的层数
def getTreeDepth(myTree):
    maxDepth = 0
    firstStr = next(iter(myTree))
    secondDict = myTree[firstStr]
    for i in secondDict.keys():
        if type(secondDict[i]).__name__ == 'dict':
            thisDepth = 1 + getTreeDepth(secondDict[i])
        else:
            thisDepth = 1
        if thisDepth>maxDepth:
            maxDepth = thisDepth
    return maxDepth