Python學習教程：決策樹算法（三）sklearn決策樹實戰

前面有跟大家出過兩期關于決策樹算法的 Python學習教程 ，伙伴們學了學了，今天來點實際的吧，實踐一把！做個鞏固！

Python有一個著名的機器學習框架，叫sklearn。我們可以用sklearn來運行前面說到的賴床的例子。不過在這之前，我們需要介紹一下sklearn中訓練一顆決策樹的具體參數。

另外sklearn中訓練決策樹的默認算法是CART，使用CART決策樹的好處是可以用它來進行回歸和分類處理，不過這里我們只進行分類處理。

一. sklearn決策樹參數詳解

我們都知道，一個模型中很重要的一步是調參。在sklearn中，模型的參數是通過方法參數來決定的，以下給出sklearn中，決策樹的參數：

DecisionTreeClassifier(criterion="gini",

splitter="best",

max_depth=None,

min_samples_split=2,

min_samples_leaf=1,

min_weight_fraction_leaf=0.,

max_features=None,

random_state=None,

max_leaf_nodes=None,

min_impurity_decrease=0.,

min_impurity_split=None,

class_weight=None,

presort=False)

參數含義：

1.criterion:string, optional (default="gini")

(1).criterion='gini',分裂節點時評價準則是Gini指數。

(2).criterion='entropy',分裂節點時的評價指標是信息增益。

2.max_depth:int or None, optional (default=None)。指定樹的最大深度。

如果為None，表示樹的深度不限。直到所有的葉子節點都是純凈的，即葉子節點

中所有的樣本點都屬于同一個類別。或者每個葉子節點包含的樣本數小于min_samples_split。

3.splitter:string, optional (default="best")。指定分裂節點時的策略。

(1).splitter='best',表示選擇最優的分裂策略。

(2).splitter='random',表示選擇最好的隨機切分策略。

4.min_samples_split:int, float, optional (default=2)。表示分裂一個內部節點需要的做少樣本數。

(1).如果為整數，則min_samples_split就是最少樣本數。

(2).如果為浮點數(0到1之間)，則每次分裂最少樣本數為ceil(min_samples_split * n_samples)

5.min_samples_leaf: int, float, optional (default=1)。指定每個葉子節點需要的最少樣本數。

(1).如果為整數，則min_samples_split就是最少樣本數。

(2).如果為浮點數(0到1之間)，則每個葉子節點最少樣本數為ceil(min_samples_leaf * n_samples)

6.min_weight_fraction_leaf:float, optional (default=0.)

指定葉子節點中樣本的最小權重。

7.max_features:int, float, string or None, optional (default=None).

搜尋最佳劃分的時候考慮的特征數量。

(1).如果為整數，每次分裂只考慮max_features個特征。

(2).如果為浮點數(0到1之間)，每次切分只考慮int(max_features * n_features)個特征。

(3).如果為'auto'或者'sqrt',則每次切分只考慮sqrt(n_features)個特征

(4).如果為'log2',則每次切分只考慮log2(n_features)個特征。

(5).如果為None,則每次切分考慮n_features個特征。

(6).如果已經考慮了max_features個特征，但還是沒有找到一個有效的切分，那么還會繼續尋找

下一個特征，直到找到一個有效的切分為止。

8.random_state:int, RandomState instance or None, optional (default=None)

(1).如果為整數，則它指定了隨機數生成器的種子。

(2).如果為RandomState實例，則指定了隨機數生成器。

(3).如果為None，則使用默認的隨機數生成器。

9.max_leaf_nodes: int or None, optional (default=None)。指定了葉子節點的最大數量。

(1).如果為None,葉子節點數量不限。

(2).如果為整數，則max_depth被忽略。

10.min_impurity_decrease:float, optional (default=0.)

如果節點的分裂導致不純度的減少(分裂后樣本比分裂前更加純凈)大于或等于min_impurity_decrease，則分裂該節點。

加權不純度的減少量計算公式為：

min_impurity_decrease=N_t / N * (impurity - N_t_R / N_t * right_impurity

- N_t_L / N_t * left_impurity)

其中N是樣本的總數，N_t是當前節點的樣本數，N_t_L是分裂后左子節點的樣本數，

N_t_R是分裂后右子節點的樣本數。impurity指當前節點的基尼指數，right_impurity指

分裂后右子節點的基尼指數。left_impurity指分裂后左子節點的基尼指數。

11.min_impurity_split:float

樹生長過程中早停止的閾值。如果當前節點的不純度高于閾值，節點將分裂，否則它是葉子節點。

這個參數已經被棄用。用min_impurity_decrease代替了min_impurity_split。

12.class_weight:dict, list of dicts, "balanced" or None, default=None

類別權重的形式為{class_label: weight}

(1).如果沒有給出每個類別的權重，則每個類別的權重都為1。

(2).如果class_weight='balanced'，則分類的權重與樣本中每個類別出現的頻率成反比。

計算公式為：n_samples / (n_classes * np.bincount(y))

(3).如果sample_weight提供了樣本權重(由fit方法提供)，則這些權重都會乘以sample_weight。

13.presort:bool, optional (default=False)

指定是否需要提前排序數據從而加速訓練中尋找最優切分的過程。設置為True時，對于大數據集

會減慢總體的訓練過程；但是對于一個小數據集或者設定了最大深度的情況下，會加速訓練過程。

雖然看起來參數眾多，但通常參數都會有默認值，我們只需要調整其中較為重要的幾個參數就行。

通常來說，較為重要的參數有：

1. criterion：用以設置用信息熵還是基尼系數計算。
2. splitter：指定分支模式
3. max_depth：最大深度，防止過擬合
4. min_samples_leaf：限定每個節點分枝后子節點至少有多少個數據，否則就不分枝
5. 
   

二. sklearn決策樹實戰

2.1 準備數據及讀取

數據就是上次說到的賴床特征，

季節時間已過 8 點風力情況要不要賴床springnobreezeyeswinternono windyesautumnyesbreezeyeswinternono windyessummernobreezeyeswinteryesbreezeyeswinternogaleyeswinternono windyesspringyesno windnosummeryesgalenosummernogalenoautumnyesbreezeno

將它存儲成 csv 文件

spring,no,breeze,yes
winter,no,no wind,yes
autumn,yes,breeze,yes
winter,no,no wind,yes
summer,no,breeze,yes
winter,yes,breeze,yes
winter,no,gale,yes
winter,no,no wind,yes
spring,yes,no wind,no
summer,yes,gale,no
summer,no,gale,no
autumn,yes,breeze,no

2.2 決策樹的特征向量化DictVectorizer

sklearn的DictVectorizer能對字典進行向量化。什么叫向量化呢？比如說你有季節這個屬性有[春,夏,秋,冬]四個可選值，那么如果是春季，就可以用[1,0,0,0]表示，夏季就可以用[0,1,0,0]表示。不過在調用DictVectorizer它會將這些屬性打亂，不會按照我們的思路來運行，但我們也可以一個方法查看，我們看看代碼就明白了。

import pandas as pd
from sklearn.feature_extraction import DictVectorizer
from sklearn import tree
from sklearn.model_selection import train_test_split
#pandas 讀取 csv 文件，header = None 表示不將首行作為列
data = pd.read_csv('data/laic.csv',header =None)
#指定列
data.columns = ['season','after 8','wind','lay bed']
#sparse=False意思是不產生稀疏矩陣
vec=DictVectorizer(sparse=False)
#先用 pandas 對每行生成字典，然后進行向量化
feature = data[['season','after 8','wind']]
X_train = vec.fit_transform(feature.to_dict(orient='record'))
#打印各個變量
print('show feature\n',feature)
print('show vector\n',X_train)
print('show vector name\n',vec.get_feature_names())

我們來看看打印的結果：

show feature
 season after 8 wind
0 spring no breeze
1 winter no no wind
2 autumn yes breeze
3 winter no no wind
4 summer no breeze
5 winter yes breeze
6 winter no gale
7 winter no no wind
8 spring yes no wind
9 summer yes gale
10 summer no gale
11 autumn yes breeze
show vector
 [[1. 0. 0. 1. 0. 0. 1. 0. 0.]
 [1. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 1.]
 [0. 1. 1. 0. 0. 0. 1. 0. 0.]
 [1. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 1.]
 [1. 0. 0. 0. 1. 0. 1. 0. 0.]
 [0. 1. 0. 0. 0. 1. 1. 0. 0.]
 [1. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 1. 0.]
 [1. 0. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 1.]
 [0. 1. 0. 1. 0. 0. 0. 0. 1.]
 [0. 1. 0. 0. 1. 0. 0. 1. 0.]
 [1. 0. 0. 0. 1. 0. 0. 1. 0.]
 [0. 1. 1. 0. 0. 0. 1. 0. 0.]]
show vector name
 ['after 8=no', 'after 8=yes', 'season=autumn', 'season=spring', 'season=summer', 'season=winter', 'wind=breeze', 'wind=gale', 'wind=no wind']

通過DictVectorizer，我們就能夠把字符型的數據，轉化成0 1的矩陣，方便后面進行運算。額外說一句，這種轉換方式其實就是one-hot編碼。

2.4 決策樹訓練

可以發現在向量化的時候，屬性都被打亂了，但我們也可以通過get_feature_names()這個方法查看對應的屬性值。有了數據后，就可以來訓練一顆決策樹了，用sklearn很方便，只需要很少的代碼

#劃分成訓練集，交叉集，驗證集，不過這里我們數據量不夠大，沒必要
#train_x, test_x, train_y, test_y = train_test_split(X_train, Y_train, test_size = 0.3)
#訓練決策樹
clf = tree.DecisionTreeClassifier(criterion='gini')
clf.fit(X_train,Y_train)
#保存成 dot 文件，后面可以用 dot out.dot -T pdf -o out.pdf 轉換成圖片
with open("out.dot", 'w') as f :
 f = tree.export_graphviz(clf, out_file = f,
 feature_names = vec.get_feature_names())

2.5 決策樹可視化

當完成一棵樹的訓練的時候，我們也可以讓它可視化展示出來，不過sklearn沒有提供這種功能，它僅僅能夠讓訓練的模型保存到dot文件中。但我們可以借助其他工具讓模型可視化，先看保存到dot的代碼：

from sklearn import tree
with open("out.dot", 'w') as f :
 f = tree.export_graphviz(clf, out_file = f,
 feature_names = vec.get_feature_names())

決策樹可視化我們用Graphviz這個東西。當然需要先用pip安裝對應的庫類。然后再去官網下載它的一個發行版本，用以將dot文件轉化成pdf圖片。

官網下載方式如下：

然后進入到上面保存好的dot所在目錄，打開cmd運行dot out.dot -T pdf -o out.pdf 命令，pdf 圖片就會出現了。

小結：

今天我們介紹了sklearn，決策樹模型的各個參數，并且使用sklearn模型對上一節中的例子訓練出一個決策樹模型，然后用Graphviz讓決策樹模型可視化。到此，決策樹算法算是講完啦。

不知道大家對于這個決策樹的實操掌握的有多少，不清楚的地方，歡迎大家留言，更多的Python學習教程也會繼續為大家更新！