sklearn 中的决策树

小伙伴们大家好~o(￣▽￣)ブ，首先声明一下，我的开发环境是Jupyter lab，所用的库和版本大家参考：

Python 3.7.1 （你的版本至少要 3.4 以上

Scikit-learn 0.20.0 （你的版本至少要 0.20

Graphviz 0.8.4 (没有画不出决策树哦，安装代码 conda install python-graphviz

Numpy 1.15.3, Pandas 0.23.4, Matplotlib 3.0.1, SciPy 1.1.0

1. 决策树是如何工作的

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。

我们来简单了解一下决策树是如何工作的。决策树算法的本质是一种图结构，我们只需要问一系列问题就可以对数据进行分类了。比如说，来看看下面这组数据集，这是一系列已知物种以及所属类别的数据：

我们现在的目标是，将动物们分为哺乳类和非哺乳类。那根据已经收集到的数据，决策树算法为我们算出了下面的这棵决策树：

假如我们现在发现了一种新物种 Python，它是冷血动物，体表带鳞片，并且不是胎生，我们就可以通过这棵决策树来判断它的所属类别。

可以看出，在这个决策过程中，我们一直在对记录的特征进行提问。最初的问题所在的地方叫做根节点，在得到结论前的每一个问题都是中间节点，而得到的每一个结论（动物的类别）都叫做叶子节点。

| 关键概念：节点 | | ------------------------------------------------------------ | | 根节点：没有进边，有出边。包含最初的，针对特征的提问。
中间节点：既有进边也有出边，进边只有一条，出边可以有很多条。都是针对特征的提问。
叶子节点：有进边，没有出边，每个叶子节点都是一个类别标签。
*子节点和父节点：在两个相连的节点中，更接近根节点的是父节点，另一个是子节点。 |

2. 决策树算法的核心是什么

决策树算法的核心是要解决两个问题：

1 ）如何从数据表中找出最佳节点和最佳分枝？

2 ）如何让决策树停止生长，防止过拟合？

几乎所有决策树有关的模型调整方法，都围绕这两个问题展开。这两个问题背后的原理十分复杂，我会在讲解模型参数和属性的时候为大家简单解释涉及到的部分。在这里，我会尽量避免让大家太过深入到决策树复杂的原理和数学公式中（尽管决策树的原理相比其他高级的算法来说是非常简单了），专注于实践和应用。

3. sklearn 中的决策树

模块 sklearn.tree

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：

| tree.DecisionTreeClassifier | 分类树 | | ------------------------------ | ----------------------------------------- | | tree.DecisionTreeRegressor | 回归树 | | tree.export_graphviz | 将生成的决策树导出为 DOT 格式，画图专用 | | tree.ExtraTreeClassifier | 高随机版本的分类树 | | tree.ExtraTreeRegressor | 高随机版本的回归树 |

我们会主要讲解分类树和回归树，并用图像呈现给大家。

sklearn 的基本建模流程

在那之前，我们先来了解一下 sklearn 建模的基本流程。

在这个流程下，分类树对应的代码是：

from sklearn import tree						#导入需要的模块

clf = tree.DecisionTreeClassifier()     		#实例化
clf = clf.fit(X_train,y_train)					#用训练集数据训练模型
result = clf.score(X_test,y_test)				#导入测试集，从接口中调用需要的信息

4. 分类决策树的实现

classsklearn.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)

这里以 SKlearn 自带的红酒数据集为例，画一棵分类决策树。

#导入需要的算法库和模块
from sklearn import tree
from sklearn.datasets import load_wine
from sklearn.model_selection import train_test_split

#探索数据
wine = load_wine()  
wine.data
wine.data.shape
wine.target
wine.target.shape

#如果 wine 是一张表，应该长这样：
import pandas as pd
pd.concat([pd.DataFrame(wine.data),pd.DataFrame(wine.target)],axis=1)

wine.feature_names
wine.target_names

#切分训练集和测试集
Xtrain, Xtest, Ytrain, Ytest = train_test_split(wine.data,wine.target,test_size=0.3)

Xtrain.shape
Xtest.shape

#建立模型
clf = tree.DecisionTreeClassifier()
clf = clf.fit(Xtrain, Ytrain)
score = clf.score(Xtest, Ytest) #返回预测的准确度
score

#绘制树
import graphviz
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']
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

最后绘制出来的树就长这个样子：