決策樹算法介紹

3.1 分類與決策樹概述3.1.1 分類與預(yù)測分類是一種應(yīng)用非常廣泛的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，應(yīng)用的例子也很多。例如，根據(jù)信用卡支付歷史記錄，來判斷具備哪些特征的用戶往往具有良好的信用；根據(jù)某種病癥的診斷記錄，來分析哪些藥物組合可以帶來良好的治療效果。這些過程的一個共同特點是：根據(jù)數(shù)據(jù)的某些屬性，來估計一個特定屬性的值。例如在信用分析案例中，根據(jù)用戶的“年齡”、“性別”、“收入水平”、“職業(yè)”等屬性的值，來估計該用戶“信用度”屬性的值應(yīng)該取“好”還是“差”，在這個例子中，所研究的屬性“信用度”是一個離散屬性，它的取值是一個類別值，這種問題在數(shù)據(jù)挖掘中被稱為分類。還有一種問題，例如根據(jù)股市交易的歷史數(shù)據(jù)估計下一個交易日的大盤指數(shù)，這里所研究的屬性“大盤指數(shù)”是一個連續(xù)屬性，它的取值是一個實數(shù)。那么這種問題在數(shù)據(jù)挖掘中被稱為預(yù)測?？傊?，當(dāng)估計的屬性值是離散值時，這就是分類；當(dāng)估計的屬性值是連續(xù)值時，這就是預(yù)測。3.1.2 決策樹的基本原理1.構(gòu)建決策樹通過一個實際的例子，來了解一些與決策樹有關(guān)的基本概念。表3-1是一個數(shù)據(jù)庫表，記載著某銀行的客戶信用記錄，屬性包括“姓名”、“年齡”、“職業(yè)”、“月薪”、.、“信用等級”，每一行是一個客戶樣本，每一列是一個屬性（字段）。這里把這個表記做數(shù)據(jù)集D。銀行需要解決的問題是，根據(jù)數(shù)據(jù)集D，建立一個信用等級分析模型，并根據(jù)這個模型，產(chǎn)生一系列規(guī)則。當(dāng)銀行在未來的某個時刻收到某個客戶的貸款申請時，依據(jù)這些規(guī)則，可以根據(jù)該客戶的年齡、職業(yè)、月薪等屬性，來預(yù)測其信用等級，以確定是否提供貸款給該用戶。這里的信用等級分析模型，就可以是一棵決策樹。在這個案例中，研究的重點是“信用等級”這個屬性。給定一個信用等級未知的客戶，要根據(jù)他/她的其他屬性來估計“信用等級”的值是“優(yōu)”、“良”還是“差”，也就是說，要把這客戶劃分到信用等級為“優(yōu)”、“良”、“差”這3個類別的某一類別中去。這里把“信用等級”這個屬性稱為“類標(biāo)號屬性”。數(shù)據(jù)集D中“信用等級”屬性的全部取值就構(gòu)成了類別集合：Class=“優(yōu)”，“良”，“差”。在決策樹方法中，有兩個基本的步驟。其一是構(gòu)建決策樹，其二是將決策樹應(yīng)用于數(shù)據(jù)庫。大多數(shù)研究都集中在如何有效地構(gòu)建決策樹，而應(yīng)用則相對比較簡單。構(gòu)建決策樹算法比較多，在Clementine中提供了4種算法，包括C&RT、CHAID、QUEST和C5.0。采用其中的某種算法，輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，就可以構(gòu)造出一棵類似于圖3.1所示的決策樹。一棵決策樹是一棵有向無環(huán)樹，它由若干個節(jié)點、分支、分裂謂詞以及類別組成。節(jié)點是一棵決策樹的主體。其中，沒有父親節(jié)點的節(jié)點稱為根節(jié)點，如圖3.1中的節(jié)點1；沒有子節(jié)點的節(jié)點稱為葉子節(jié)點，如圖3.1中的節(jié)點4、5、6、7、8。一個節(jié)點按照某個屬性分裂時，這個屬性稱為分裂屬性，如節(jié)點1按照“年齡”被分裂，這里“年齡”就是分裂屬性，同理，“職業(yè)”、“月薪”也是分裂屬性。每一個分支都會被標(biāo)記一個分裂謂詞，這個分裂謂詞就是分裂父節(jié)點的具體依據(jù)，例如在將節(jié)點1分裂時，產(chǎn)生兩個分支，對應(yīng)的分裂謂詞分別是“年齡=40”。另外，每一個葉子節(jié)點都被確定一個類標(biāo)號，這里是“優(yōu)”、“良”或者“差”?；谝陨厦枋觯旅娼o出決策樹的定義：由此可以看出，構(gòu)建一棵決策樹，關(guān)鍵問題就在于，如何選擇一個合適的分裂屬性來進行一次分裂，以及如何制定合適的分裂謂詞來產(chǎn)生相應(yīng)的分支。各種決策樹算法的主要區(qū)別也正在于此。2.修剪決策樹利用決策樹算法構(gòu)建一個初始的樹之后，為了有效地分類，還要對其進行剪枝。這是因為，由于數(shù)據(jù)表示不當(dāng)、有噪音等原因，會造成生成的決策樹過大或過度擬合。因此為了簡化決策樹，尋找一顆最優(yōu)的決策樹，剪枝是一個必不可少的過程。通常，決策樹越小，就越容易理解，其存儲與傳輸?shù)拇鷥r也就越小，但決策樹過小會導(dǎo)致錯誤率較大。反之，決策樹越復(fù)雜，節(jié)點越多，每個節(jié)點包含的訓(xùn)練樣本個數(shù)越少，則支持每個節(jié)點樣本數(shù)量也越少，可能導(dǎo)致決策樹在測試集上的分類錯誤率越大。因此，剪枝的基本原則就是，在保證一定的決策精度的前提下，使樹的葉子節(jié)點最少，葉子節(jié)點的深度最小。要在樹的大小和正確率之間尋找平衡點。不同的算法，其剪枝的方法也不盡相同。常有的剪枝方法有預(yù)剪枝和后剪枝兩種。例如CHAID和C5.0采用預(yù)剪枝，CART則采用后剪枝。預(yù)剪枝，是指在構(gòu)建決策樹之前，先制定好生長停止準則（例如指定某個評估參數(shù)的閾值），在樹的生長過程中，一旦某個分支滿足了停止準則，則停止該分支的生長，這樣就可以限制樹的過度生長。采用預(yù)剪枝的算法有可能過早地停止決策樹的構(gòu)建過程，但由于不必生成完整的決策樹，算法的效率很高，適合應(yīng)用于大規(guī)模問題。后剪枝，是指待決策樹完全生長結(jié)束后，再根據(jù)一定的準則，剪去決策樹中那些不具一般代表性的葉子節(jié)點或者分支。這時，可以將數(shù)據(jù)集劃分為兩個部分，一個是訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，一個是測試數(shù)據(jù)集。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集用來生成決策樹，而測試數(shù)據(jù)集用來對生成的決策樹進行測試，并在測試的過程中通過剪枝來對決策樹進行優(yōu)化。3.生成原則在生成一棵最優(yōu)的決策樹之后，就可以根據(jù)這棵決策樹來生成一系列規(guī)則。這些規(guī)則采用“If.，Then.”的形式。從根節(jié)點到葉子節(jié)點的每一條路徑，都可以生成一條規(guī)則。這條路徑上的分裂屬性和分裂謂詞形成規(guī)則的前件（If部分），葉子節(jié)點的類標(biāo)號形成規(guī)則的后件（Then部分）。例如，圖3.1的決策樹可以形成以下5條規(guī)則：If（年齡40）and（職業(yè)=“學(xué)生” or 職業(yè)=“教師”）Then 信用等級=“優(yōu)”If（年齡=40）and（月薪=40）and（月薪=1000 and 月薪=40）and（月薪3000）Then 信用等級=“優(yōu)”這些規(guī)則即可應(yīng)用到對未來觀測樣本的分類中了。3.2 ID3、C4.5與C5.0ID3算法是最有影響力的決策樹算法之一，由Quinlan提出。ID3算法的某些弱點被改善之后得到了C4.5算法；C5.0則進一步改進了C4.5算法，使其綜合性能大幅度提高。但由于C5.0是C4.5的商業(yè)版本，其算法細節(jié)屬于商業(yè)機密，因此沒有被公開，不過在許多數(shù)據(jù)挖掘軟件包中都嵌入了C5.0算法，包括Clementine。3.2.1 ID31.信息增益任何一個決策樹算法，其核心步驟都是為每一次分裂確定一個分裂屬性，即究竟按照哪一個屬性來把當(dāng)前數(shù)據(jù)集劃分為若干個子集，從而形成若干個“樹枝”。ID3算法采用“信息增益”為度量來選擇分裂屬性的。哪個屬性在分裂中產(chǎn)生的信息增益最大，就選擇該屬性作為分裂屬性。那么什么是信息增益呢？這需要首先了解“熵”這個概念。熵，是數(shù)據(jù)集中的不確定性、突發(fā)性或隨機性的程度的度量。當(dāng)一個數(shù)據(jù)集中的記錄全部都屬于同一類的時候，則沒有不確定性，這種情況下的熵為0。決策樹分類的基本原則是，數(shù)據(jù)集被分裂為若干個子集后，要使每個子集中的數(shù)據(jù)盡可能的“純”，也就是說子集中的記錄要盡可能屬于同一個類別。如果套用熵的概念，即要使分裂后各子集的熵盡可能的小。例如在一次分裂中，數(shù)據(jù)集D被按照分裂屬性“年齡”分裂為兩個子集D1和D2，如圖3.2所示。2.ID3算法的流程ID3算法是一個從上到下、分而治之的歸納過程。ID3算法的核心是：在決策樹各級節(jié)點上選擇分裂屬性時，通過計算信息增益來選擇屬性，以使得在每一個非葉節(jié)點進行測試時，能獲得關(guān)于被測試樣本最大的類別信息。其具體方法是：檢測所有的屬性，選擇信息增益最大的屬性產(chǎn)生決策樹節(jié)點，由該屬性的不同取值建立分支，再對各分支的子集遞歸調(diào)用該方法建立決策樹節(jié)點的分支，直到所有子集僅包括同一類別的數(shù)據(jù)為止。最后得到一棵決策樹，它可以用來對新的樣本進行分類。下面通過一個實例來了解一下決策樹的構(gòu)建過程。表3-2是一個假想的銀行貸款客戶歷史信息（略去了客戶姓名），包含14個樣本?，F(xiàn)要求以這14個樣本為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，以“提供貸款”為類標(biāo)號屬性，用ID3算法構(gòu)造決策樹。3.ID3算法的性能分析ID3算法是一種典型的決策樹分析算法，后來發(fā)展的許多決策樹算法都是以ID3算法為基礎(chǔ)發(fā)展而來的。ID3算法的優(yōu)點在于它構(gòu)建決策樹的速度比較快，它的計算時間隨問題的難度只是線性地增加，適合處理大批量數(shù)據(jù)集。同時，ID3算法的缺點也是突出的，包括以下幾點。（1）ID3算法對訓(xùn)練樣本的質(zhì)量的依賴性很強，訓(xùn)練樣本的質(zhì)量主要是指是否存在噪聲和是否存在足夠的樣本。（2）ID3算法只能處理分類屬性（離散屬性），而不能處理連續(xù)屬性（數(shù)值屬性）。在處理連續(xù)屬性時，一般要先將連續(xù)屬性劃分為多個區(qū)間，轉(zhuǎn)化為分類屬性。例如“年齡”，要把其數(shù)值事先轉(zhuǎn)換為諸如“小于30歲”、“3050歲”、“大于50歲”這樣的區(qū)間，再根據(jù)年齡值落入了某一個區(qū)間取相應(yīng)的類別值。通常，區(qū)間端點的選取包含著一定的主觀因素和大量的計算。（3）ID3算法生成的決策樹是一棵多叉樹，分支的數(shù)量取決于分裂屬性有多少個不同的取值。這不利于處理分裂屬性取值數(shù)目較多的情況。因此目前流行的決策樹算法大多采用二叉樹模型。（4）ID3算法不包含對樹的修剪，無法對決策樹進行優(yōu)化。正因為ID3還存在著許多不足的地方，Quinlan對ID3算法進行了改進，并于1993年提出了ID3的改進算法C4.5。3.2.2 C4.5C4.5算法的核心思想與ID3完全相同，但在實現(xiàn)方法上做了更好的改進，并增加了新的功能。主要包括：采用“增益比例”來選擇分裂屬性、對連續(xù)屬性的處理、對樣本屬性值缺失情況的處理、規(guī)則的產(chǎn)生、交叉驗證等。1.用“增益比例”來選擇分裂屬性如前所述，ID3是采用“信息增益”來選擇分裂屬性的。雖然這是一種有效地方法，但其具有明顯的傾向性，即它傾向于選擇具有大量不同取值的屬性，從而產(chǎn)生許多小而純的子集。尤其是關(guān)系數(shù)據(jù)庫中作為主鍵的屬性，每個樣本都有一個不同的取值。如果以這樣的屬性作為分裂屬性，那么將產(chǎn)生非常多的分支，而且每一個分支產(chǎn)生的子集的熵均為0（因為子集中只有一個樣本?。?。顯然，這樣的決策樹是沒有實際意義的。因此，Quinlan提出使用增益比例來代替信息增益。2.連續(xù)屬性的處理ID3最初的定義假設(shè)數(shù)據(jù)集的各屬性都必須是離散的。如果有連續(xù)屬性，則可以采用劃分區(qū)間的方法來離散化。假如在前面的例子中，屬性“年齡”由于是連續(xù)型屬性，被劃分為“50”3個區(qū)間，這樣屬性“年齡” 的不同取值就只有3個了，這就是被離散化的過程。在C4.5中，算法采用另外一種方法來實現(xiàn)連續(xù)屬性的離散化。設(shè)數(shù)據(jù)集中有一連續(xù)屬性Y，現(xiàn)要測試是否可以選用該屬性來對數(shù)據(jù)集進行分裂以及如何分裂（即通過計算信息增益或增益比例來確認Y是否可以作為分裂屬性，如果可以，還要確定分裂謂詞）。例如在表3-3所示的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中，如果要計算“年齡”屬性的信息增益，則首先將不同的屬性值排序20，25，28，40，46，55，56，58，60，65，70，那么可能的閾值集合為20，25，28，40，46，55，56，58，60，65，從中一一取出，并形成分裂謂詞，例如取出“20”，形成謂詞“20”，用它們劃分訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，然后計算信息增益或增益比例。3.處理有缺失值的樣本ID3是基于所有屬性值都已經(jīng)確定這一假設(shè)的。但是在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會因為搜集樣本時有的樣本數(shù)據(jù)不完整，或者輸入數(shù)據(jù)是有人為的誤差等原因，一個數(shù)據(jù)集中會有某些樣本缺少一些屬性值。例如在表3-3中，有兩個樣本的“收入水平”缺失了（用“？”代替）。在用一個屬性對數(shù)據(jù)集進行劃分時，必須知道一個樣本屬于哪一類（以便于計算每類有多少個樣本，進而計算該屬性的信息增益），這是根據(jù)這個樣本的屬性值來決定的，但是由于屬性值缺失，那么該如何判斷這個樣本屬于哪一類呢？C4.5并不會武斷地將一個有缺省值的樣本拋棄（當(dāng)然，樣本數(shù)量很大的時候可以這么做），也不會隨意地將它分配到某個類別中去。C4.5會根據(jù)其他已知屬性值來計算一個有缺失值的樣本屬于某個類別的概率，這個樣本可以屬于每一個類，只是概率不同而已。例如，在表3-3的14個樣本中，“收入水平”有兩個缺失值，其他的12個樣本的分布如表3-4所示。4.樹的修剪C4.5采用的修剪方法是所謂的“后剪枝”，即待決策樹完全生長結(jié)束之后，再來修剪掉那些對分類精度貢獻不大的葉子節(jié)點。對于某個節(jié)點，計算該節(jié)點分裂之前的誤分類損失（由于錯誤地預(yù)測了樣本的類別而導(dǎo)致的損失）和分裂成子樹之后的誤分類損失，如果分裂后的誤分類損失沒有得到顯著降低，就可以考慮修剪掉這棵子樹。在計算分類精度之前，用戶可以自行定義各種誤分類損失的權(quán)重，例如“A類樣本被誤分類為B類導(dǎo)致的損失”比“B類樣本誤分類為A類導(dǎo)致的損失”要大得多，在這種情況下就可以通過設(shè)置誤分類損失的權(quán)重來加以區(qū)分。5.規(guī)則的產(chǎn)生C4.5提供了將決策樹模型轉(zhuǎn)換為If-Then規(guī)則的算法。規(guī)則存儲于一個二維數(shù)組中，每一行代表一個規(guī)則。表的每一列代表樣本的一個屬性，列的值代表了屬性的不同取值。例如，0和1分別代表“小于等于閾值”和“大于閾值”。如果列值為-1，則代表規(guī)則中不包含該屬性。6.交叉驗證分類是有監(jiān)督學(xué)習(xí)，通過學(xué)習(xí)可以對未知的數(shù)據(jù)進行預(yù)測。在訓(xùn)練過程開始之前，將一部分數(shù)據(jù)保留下來，在訓(xùn)練之后，利用這部分數(shù)據(jù)對學(xué)習(xí)的結(jié)果進行驗證，這種模型評估方法稱為交叉驗證。如果將這個“學(xué)習(xí)-驗證”的過程重復(fù)k次，就稱為k次迭代交叉驗證。首先將所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)平均分成k份，每次使用其中一份作為測試樣本，其余的k-1份數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，然后選擇平均分類精度最高的樹作為最后的結(jié)果。通常，分類精度最高的樹并不是節(jié)點最多的樹。另外，交叉驗證還可以用于決策樹的修剪。k次迭代交叉驗證非常適合訓(xùn)練樣本書目比較少