什么是决策树?
2023-11-01 · 百度认证:SPSSAU官方账号,优质教育领域创作者
决策树(Decision Tree)常用于研究类别归属和预测关系的模型,比如是否抽烟、是否喝酒、年龄、体重等4项个人特征可能会影响到‘是否患癌症’,上述4项个人特征称作‘特征’,也即自变量(影响因素X),‘是否患癌症’称为‘标签’,也即因变量(被影响项Y)。决策树模型时,其可先对年龄进行划分,比如以70岁为界,年龄大于70岁时,可能更容易归类为‘患癌症’,接着对体重进行划分,比如大于50公斤为界,大于50公斤时更可能划分为‘患癌症’,依次循环下去,特征之间的逻辑组合后(比如年龄大于70岁,体重大于50公斤),会对应到是否患癌症这一标签上。
决策树是一种预测模型,为让其有着良好的预测能力,因此通常需要将数据分为两组,分别是训练数据和测试数据。训练数据用于建立模型使用,即建立特征组合与标签之间的对应关系,得到这样的对应关系后(模型后),然后使用测试数据用来验证当前模型的优劣。通常情况下,训练数据和测试数据的比例通常为9:1,8:2,7:3,6:4或者5:5(比如9:1时指所有数据中90%作为训练模型使用,余下10%作为测试模型好坏使用)。具体比例情况似研究数据量而定无固定标准,如果研究数据较少,比如仅几百条数据,可考虑将70%或者60%,甚至50%的数据用于训练,余下数据用于测试。上述中包括模型构建和模型预测两项,如果训练数据得到的模型优秀,此时可考虑将其进行保存并且部署出去使用(此为计算机工程中应用,SPSSAU暂不提供);除此之外,当决策树模型构建完成后可进行预测,比如新来一个病人,他是否会患癌症及患癌症的可能性有多高。
决策树模型可用于特征质量判断,比如上述是否抽烟、是否喝酒、年龄、体重等4项,该四项对于‘是否患癌症’的预测作用重要性大小可以进行排名用于筛选出最有用的特征项。
决策树模型的构建时,需要对参数进行设置,其目的在于构建良好的模型(良好模型的标准通常为:训练数据得到的模型评估结果良好,并且测试数据时评估结果良好)。需要特别注意一点是:训练数据模型评估结果可能很好(甚至准确率等各项指标为100%),但是在测试数据上评估结果确很糟糕,此种情况称为‘过拟合’。因而在实际研究数据中,需要特别注意此种情况。模型的构建时通常情况下参数设置越复杂,其会带来训练数据的模型评估结果越好,但测试效果却很糟糕,因而在决策树构建时,需要特别注意参数的相关设置,接下来会使用案例数据进行相关说明。SPSSAU的操作如下:
训练集比例默认选择为:0.8即80%(150*0.8=120个样本)进行训练决策树模型,余下20%即30个样本(测试数据)用于模型的验证。需要注意的是,多数情况下,会首先对数据进行标准化处理,处理方式一般使用为正态标准化,此处理目的是让数据保持一致性量纲。当然也可使用其它的量纲方式,比如区间化,归一化等。
接着对参数设置如下:
节点分裂标准默认为gini系数(该参数值只是计算分裂标准的方式,不需要设置),节点划分方式为best法,即为结合特征的优劣顺序进行分类划分,如果为了设置参数对比需要考虑,建议可对该参数值进行切换为random即随机特征的优先顺序,用于对比模型训练效果。
节点分列最小样本量默认为2即可,叶节点最小样本量默认为1即可。需要注意的是:如果数据量较大时,建议将该2个参数值尽量大,以减少过拟合现象,但该2个参数值越大时通常训练模型的拟合效果越差。具体应该以测试数据的拟合效果为准,因为训练模型容易出现过拟合现象。树最大深度这个参数时,其代表决策树最多有几层的意思,该参数值设置越大时,训练模型拟合效果通常越好,但可能带来过拟合情况,本案例出于演示需求,先设置为4层。(另提示:树最大深度会受到节点分裂最小样本量、叶节点最小样本量的影响,并非设置为4它一定就会为4)。
SPSSAU部分结果示例:
决策树是一种树形结构,其中每个内部节点表示一个属性上的测试,每个分支代表一个测试输出,每个叶节点代表一种类别。
分类树(决策树)是一种十分常用的分类方法。他是一种监管学习,所谓监管学习就是给定一堆样本,每个样本都有一组属性和一个类别,这些类别是事先确定的,那么通过学习得到一个分类器,这个分类器能够对新出现的对象给出正确的分类。这样的机器学习就被称之为监督学习。
机器学习中,决策树是一个预测模型;他代表的是对象属性与对象值之间的一种映射关系。树中每个节点表示某个对象,而每个分叉路径则代表的某个可能的属性值,而每个叶结点则对应从根节点到该叶节点所经历的路径所表示的对象的值。决策树仅有单一输出,若欲有复数输出,可以建立独立的决策树以处理不同输出。数据挖掘中决策树是一种经常要用到的技术,可以用于分析数据,同样也可以用来作预测。
从数据产生决策树的机器学习技术叫做决策树学习, 通俗说就是决策树。
一个决策树包含三种类型的节点:
决策节点:通常用矩形框来表示
机会节点:通常用圆圈来表示
终结点:通常用三角形来表示
决策树学习也是资料探勘中一个普通的方法。在这里,每个决策树都表述了一种树型结构,它由它的分支来对该类型的对象依靠属性进行分类。每个决策树可以依靠对源数据库的分割进行数据测试。这个过程可以递归式的对树进行修剪。 当不能再进行分割或一个单独的类可以被应用于某一分支时,递归过程就完成了。另外,随机森林分类器将许多决策树结合起来以提升分类的正确率。
决策树同时也可以依靠计算条件概率来构造。
决策树如果依靠数学的计算方法可以取得更加理想的效果。 数据库已如下所示:
(x, y) = (x1, x2, x3…, xk, y)
相关的变量 Y 表示我们尝试去理解,分类或者更一般化的结果。 其他的变量x1, x2, x3 等则是帮助我们达到目的的变量。