周志華《機器學習》課後習題解答系列（五）：Ch4 - 決策樹

本章所涉及程式設計練習採用Python-sklearn的方式，環境搭建可參考 資料探勘入門：Python開發環境搭建（eclipse-pydev模式）.

檢視相關答案和原始碼，歡迎訪問我的Github：PY131/Machine-Learning_ZhouZhihua.

本章概要

本章講述決策樹（decision tree），相關內容包括：

• 決策樹生成（construction）

子決策（sub-decision）、遞迴生成演算法（basic algorithm）、最優劃分屬性、純度（purity）、資訊熵（information entropy）、資訊增益（information gain）、ID3 、增益率（gain ratio）、C4.5 、基尼指數（gini index）、CART；

• 剪枝（pruning）

過擬合、泛化能力、預剪枝（prepruning）（自上而下）、決策樹樁（decision stump）、欠擬合、後剪枝（postpruning）（自下而上）、完全樹。

• 連續屬性、缺失值（continuous variables, missing values）

連續屬性離散化、二分法（bi-partition）、值缺失時屬性劃分、缺值樣本劃分、權重、加權資訊增益；

• 多變數決策樹（multivariate decision tree）

斜劃分、斜決策樹（oblique decision tree）、非葉節點-線性分類器；

此外還提及了C4.5Rule、OC1、感知機樹等擴充方法，以及增量學習演算法ID4、ID5R、ITI等；

決策樹的優劣總結

根據sklearn官網 - 1.10.Decision Trees總結如下：

1. 優勢（Advantages）：

   • 易理解，解釋性好，易視覺化；
   • 資料預處理少；
   • 複雜度O(logN)；
   • 支援標稱變數+連續變數；
   • 支援多輸出；
   • 白盒模型，布林邏輯；
   • 模型好壞易驗證；
   • 容忍先驗知識錯；

2. 劣勢（Disadvantages）：

   • 決策樹生成易太大、過擬合；（需要剪枝、設定樹最大深度等後續操作。）
   • 模型生成不穩定，易受小錯誤樣本影響；
   • 學習最優模型是N-P難題，貪心搜尋易陷入區域性最優；（可採用隨機初始化生成多個模型。）
   • 不支援非線性邏輯，如XOR；
   • 資料不平衡時生成的樹形差；

課後練習

4.1 衝突資料影響決策樹

考慮決策樹的生成（書p74圖4.2），演算法生成葉節點，並遞迴返回條件有：

• 當前節點的所有樣本屬於同一類，葉節點類標籤 -> 當前類；
• 當前節點的所有樣本在屬性上取值相同，葉節點類標籤 -> 樣本中最多類；

由此可見，若兩訓練資料樣本特徵向量相同，那麼它們會到達決策樹的同一葉節點（只代表某一類），若二者資料標籤不同（衝突資料），則會出現訓練誤差，決策樹與訓練集不一致。

如果沒有衝突資料，到達某節點的樣本會出現以下兩種情況：

• 樣本間特徵向量相同且屬於同一類，滿足遞迴結束條件，該節點為葉節點，類標籤正確（無訓練誤差）；
• 樣本間特徵向量不同時，遞迴結束條件不滿足，資料會根據屬性繼續劃分，直到上一條情況出現。

綜上得證，當資料集不含衝突資料時，必存在與訓練集一致（訓練誤差為0）的決策樹。

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4.2 決策樹劃分選擇準則

由於訓練集和真實集往往存在差異，若採用訓練誤差作為度量，模型常會出現過擬合，導致泛化能力差。

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4.3 程式設計實現ID3演算法

即ID3演算法，這裡我們基於Python獨立程式設計實現。詳細過程見：

周志華《機器學習》課後習題解答系列（五）：Ch4.3 - 程式設計實現ID3演算法

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4.4 程式設計實現CART演算法與剪枝操作

即CART演算法，這裡我們基於Python獨立程式設計實現。詳細過程見：

周志華《機器學習》課後習題解答系列（五）：Ch4.4 - 程式設計實現CART演算法與剪枝操作

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4.5 基於對率迴歸進行劃分選擇

這裡提一下我的思路：
參考書p90-91的多變數決策樹模型，這裡我們將每個非葉節點作為一個對率迴歸分類器，輸出為”是”、”否”兩類，形成形如二叉樹的決策樹。

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4.6 各種決策樹演算法的比較

簡要的分析一下：

• ID3演算法基於資訊熵增益，CART演算法則採用了基尼係數。兩種劃分屬性選擇均是基於資料純度的角度，方法差距應該不大（CART可能要好一點）。而對率迴歸進行劃分選擇，以斜劃分的方式，實現了多變數參與劃分，其模型決策邊界更光滑。
• 相比於決策樹的生成演算法，剪枝操作更影響模型效能。

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4.7 非遞迴決策樹生成演算法 - DFS

下面主要是本題的一種視角：

首先做一些分析：

• 從資料結構演算法的角度來看，生成一棵樹常用遞迴和迭代兩種模式。
• 採用遞迴時，由於在遞迴時要儲存程式入口出口指標和大量臨時變數等，會涉及到不斷的壓棧與出棧，當遞迴層次加深，壓棧多於出棧，記憶體消耗擴大。
• 這裡要採用佇列資料結構來生成決策樹，雖然避免了遞迴操作產生的記憶體消耗，但需要更大的額外儲存空間。
• 用MaxDepth來控制樹的深度，即深度優先（Depth Fisrt）的形式，一般來說，使用遞迴實現相對容易，當然也可以用非遞迴來實現。

下面設計出基於佇列+深度控制的決策樹非遞迴生成演算法：

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輸入: 訓練集 D = {(x1,y1),(x2,y2),...,(xm,ym)}.
      屬性集 A = {a1, a2,...,ad}.

過程: 函式 TreeGenerate(D,A):
1. 生成根節點 root;
2. 初始化深度 depth = 0;
3. 生成棧 stack （為儲存頂節點root及其對應的資料D和深度depth）;
4. 
5. while D != Φ OR stack不為空:
6.     if D != Φ, then
7.         if D中樣本全屬於同一類別C, then
8.             root標記為C類葉節點, D = Φ, continue;
9.         end if
10.        if depth == MaxDepth OR D中樣本在屬性A上取值相同, then
11.             root標記為D取值中最多類的葉節點, D = Φ, continue;
12.        end if
13.        從A中選擇最優劃分屬性a*, 令Dv表示D中在a*上取值為a*v的樣本子集;
14.        生成子節點 child, 為root建立分支指向child;
15.        將[root, D\{Dv}, A, depth]壓入棧stack;
16.        令 root = child, D = Dv, A = A\{a*}, depth = depth+1;
17.    else
18.        從stack中彈出[root, D, A, depth];
19.    end if

輸出: 樹的根節點root.(即以root為根節點的樹) 
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實際上，這裡的演算法實用的是棧而非完全意義上的佇列。

個人認為，從資料結構的角度來看，棧和佇列的最大區別在於FILO和FIFO，即存取元素時索引的區別，並不存在太大的儲存實現區別。進一步說明，對於很多程式環境，如C++,Java等，均可以基於佇列（Queue）構造棧（Stack）結構，由此構建的棧資料結構和佇列底資料結構層實現相同。

題幹中所說的棧“溢位”，主要應該是指遞迴時程式資訊壓棧所導致，相比於非遞迴的演算法，其壓棧資料量大得多。

故而此處的演算法實現直接採用棧實現。

關於本題的另一種視角是：

對於深度優先搜尋，採用佇列儲存每層當前節點的兄弟節點與父節點，這樣佇列的消耗相較於上面的一種方法要大一些（如當前節點的兄弟節點，父節點及其兄弟節點，祖父節點及其兄弟節點…）。

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4.8 非遞迴決策樹生成演算法 - BFS

本題實際上是BFS與DFS的比較：

• 對於深度優先搜尋，每深入一層需要儲存上一層節點的資訊以方便回溯遍歷（其儲存的是一條路徑）；
• 對於廣度優先搜尋，每深入一層需要儲存當前層兄弟節點資訊以實現遍歷（其儲存的是每層資訊，儲存量會大一些）；

兩種方法各自有防止佇列過大化的閾值（即MaxDepth和MaxNode），所以兩種方法均可將記憶體消耗控制在一定範圍之內。

當資料屬性相對較多，屬性不同取值相對較少時，樹會比較寬，此時深度優先所需記憶體較小，反之寬度優先較小。

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