【机器学习】DecisionTreeClassifier与红酒数据集_红酒数据集特征名

1，决策树

决策树（Decision Tree）是一种非参数的有监督学习方法，它能够从一系列有特征和标签的数据中总结出决策规则，并用树状图的结构来呈现这些规则，以解决分类和回归问题。决策树算法容易理解，适用各种数据，在解决各种问题时都有良好表现，尤其是以树模型为核心的各种集成算法，在各个行业和领域都有广泛的应用。

sklearn中决策树的类都在”tree“这个模块之下。这个模块总共包含五个类：

2，红酒数据集

在这里我们只讨论利用DecisionTreeClassifier来画出红酒数据集相关的决策树。所用软件是anacanda。sklearn库和graphviz都需要下载。可以参考我的另一篇文来下载。

from sklearn import tree  #导入需要的模块
from sklearn.datasets import load_wine  #导入红酒数据集
from sklearn.model_selection import train_test_split  #导入划分训练集测试集的库
 
wine = load_wine()
wine.data.shape  #查看特征矩阵的行和列
 
wine.target  #查看标签列
 
#如果wine是一张表，应该长这样：
import pandas as pd   #导入pandas库
pd.concat([pd.DataFrame(wine.data),pd.DataFrame(wine.target)],axis=1)  #将特征矩阵和标签列
合并
 
wine.feature_names  #查看特征矩阵的列名，即特征名
wine.target_names   #查看标签名
 
#将数据集按照测试集占0.3的比例划分成测试集和训练集两部分
Xtrain, Xtest, Ytrain, Ytest = train_test_split(wine.data,wine.target,test_size=0.3)
 
Xtrain.shape #查看训练集的行和列
Xtest.shape  #查看测试集的行和列
 
#建模三部曲
clf = tree.DecisionTreeClassifier(criterion="entropy")  #实例化
clf = clf.fit(Xtrain, Ytrain)            #用训练集数据训练模型
score = clf.score(Xtest, Ytest) #返回预测的准确度
score
 
#将特征名重命名成中文
feature_name = ["酒精","苹果酸","灰","灰的碱性","镁","总酚","类黄酮","非黄烷类酚类","花青素","颜色强度","色调","od280/od315稀释葡萄酒","脯氨酸"]
 
import graphviz  #导入graphviz库
dot_data = tree.export_graphviz(clf
                               ,out_file = None
                               ,feature_names= feature_name
                               ,class_names=["琴酒","雪莉","贝尔摩德"]
                               ,filled=True
                               ,rounded=True
                               )
graph = graphviz.Source(dot_data)
graph

 作出的决策树如下：

3，DecisionTreeClassifier中的重要参数

1，DecisionTreeClassifier方法如下：

class sklearn.tree.DecisionTreeClassifier (criterion=’gini’, splitter=’best’, max_depth=None, min_samples_split=2, min_samples_leaf=1, min_weight_fraction_leaf=0.0, max_features=None, random_state=None, max_leaf_nodes=None, min_impurity_decrease=0.0, min_impurity_split=None, class_weight=None, presort=False)

2，criterion

对分类树来说，衡量这个“最佳”的指标叫做“不纯度”。通常来说，不纯度越低，决策树对训练集的拟合越好。现在使用的决策树算法在分枝方法上的核心 大多是围绕在对某个不纯度相关指标的最优化上。

不纯度基于节点来计算，树中的每个节点都会有一个不纯度，并且子节点的不纯度一定是低于父节点的，也就是说，在同一棵决策树上，叶子节点的不纯度一定是最低的。

Criterion这个参数正是用来决定不纯度的计算方法的。sklearn提供了两种选择：

1）输入”entropy“，使用信息熵（Entropy）

2）输入”gini“，使用基尼系数（Gini Impurity）

注意，当使用信息熵 时，sklearn实际计算的是基于信息熵的信息增益(Information Gain)，即父节点的信息熵和子节点的信息熵之差。

比起基尼系数，信息熵对不纯度更加敏感，对不纯度的惩罚最强。但是在实际使用中，信息熵和基尼系数的效果基本相同。信息熵的计算比基尼系数缓慢一些，因为基尼系数的计算不涉及对数。另外，因为信息熵对不纯度更加敏感，所以信息熵作为指标时，决策树的生长会更加“精细”，因此对于高维数据或者噪音很多的数据，信息熵很容易过拟合，基尼系数在这种情况下效果往往比较好。当模型拟合程度不足的时候，即当模型在训练集和测试集上都表 现不太好的时候，使用信息熵。当然，这些不是绝对的。

3，random_state & splitter

random_state用来设置分枝中的随机模式的参数，默认None，在高维度时随机性会表现更明显，低维度的数据 （比如鸢尾花数据集），随机性几乎不会显现。输入任意整数，会一直长出同一棵树，让模型稳定下来。

splitter也是用来控制决策树中的随机选项的，有两种输入值，输入”best"，决策树在分枝时虽然随机，但是还是会优先选择更重要的特征进行分枝（重要性可以通过属性feature_importances_查看），输入“random"，决策树在 分枝时会更加随机，树会因为含有更多的不必要信息而更深更大，并因这些不必要信息而降低对训练集的拟合。这也是防止过拟合的一种方式。当你预测到你的模型会过拟合，用这两个参数来帮助你降低树建成之后过拟合的可能 性。当然，树一旦建成，我们依然是使用剪枝参数来防止过拟合。

4， 剪枝参数

在不加限制的情况下，一棵决策树会生长到衡量不纯度的指标最优，或者没有更多的特征可用为止。这样的决策树往往会过拟合，即在训练集上表现很好，在测试集上却表现糟糕。我们收集的样本数据不可能和整体的状况完全一致，因此当一棵决策树对训练数据有了过于优秀的解释性，它找出的规则必然包含了训练样本中的噪声，并使它对未知数据的拟合程度不足。为了让决策树有更好的泛化性，我们要对决策树进行剪枝。剪枝策略对决策树的影响巨大，正确的剪枝策略是优化 决策树算法的核心。sklearn为我们提供了不同的剪枝策略：

1）max_depth：限制树的最大深度，超过设定深度的树枝全部剪掉 这是用得最广泛的剪枝参数，在高维度低样本量时非常有效。决策树多生长一层，对样本量的需求会增加一倍，所 以限制树深度能够有效地限制过拟合。在集成算法中也非常实用。实际使用时，建议从=3开始尝试，看看拟合的效果再决定是否增加设定深度。

2）min_samples_leaf & min_samples_split

min_samples_leaf限定，一个节点在分枝后的每个子节点都必须包含至少min_samples_leaf个训练样本，否则分枝就不会发生，或者，分枝会朝着满足每个子节点都包含min_samples_leaf个样本的方向去发生 一般搭配max_depth使用。

min_samples_split限定，一个节点必须要包含至少min_samples_split个训练样本，这个节点才允许被分枝，否则分枝就不会发生。

3）max_features & min_impurity_decrease

 max_features：限制分枝时考虑的特征个数，超过限制个数的特征都会被舍弃。和max_depth异曲同工， max_features是用来限制高维度数据的过拟合的剪枝参数，但其方法比较暴力，是直接限制可以使用的特征数量 而强行使决策树停下的参数，在不知道决策树中的各个特征的重要性的情况下，强行设定这个参数可能会导致模型 学习不足。如果希望通过降维的方式防止过拟合，建议使用PCA，ICA或者特征选择模块中的降维算法。

min_impurity_decrease：限制信息增益的大小，信息增益小于设定数值的分枝不会发生。这是在0.19版本中更新的 功能，在0.19版本之前时使用min_impurity_split。

4）确认最优的剪枝参数

那具体怎么来确定每个参数填写什么值呢？这时候，我们就要使用确定超参数的曲线来进行判断了，继续使用我们 已经训练好的决策树模型clf。超参数的学习曲线，是一条以超参数的取值为横坐标，模型的度量指标为纵坐标的曲线，它是用来衡量不同超参数取值下模型的表现的线。在我们建好的决策树里，我们的模型度量指标就是score。

import matplotlib.pyplot as plt
test = []
for i in range(10):
    clf = tree.DecisionTreeClassifier(max_depth=i+1
                                     ,criterion="entropy"
                                     ,random_state=30
                                     ,splitter="random"
                                     )
    clf = clf.fit(Xtrain, Ytrain)
    score = clf.score(Xtest, Ytest)
    test.append(score)
plt.plot(range(1,11),test,color="red",label="max_depth")
plt.legend()
plt.show()

根据打分作出的图如下所示： 

 由图可知，树的最大深度为4时打分最高。所以可以选择4为树的深度的最佳剪枝参数。