京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
分类算法之决策树(Decision tree)
在前面两篇文章中,分别介绍和讨论了朴素贝叶斯分类与贝叶斯网络两种分类算法。这两种算法都以贝叶斯定理为基础,可以对分类及决策问题进行概率推断。在这一篇文章中,将讨论另一种被广泛使用的分类算法——决策树(decision tree)。相比贝叶斯算法,决策树的优势在于构造过程不需要任何领域知识或参数设置,因此在实际应用中,对于探测式的知识发现,决策树更加适用。
3.2、决策树引导
通俗来说,决策树分类的思想类似于找对象。现想象一个女孩的母亲要给这个女孩介绍男朋友,于是有了下面的对话:
女儿:多大年纪了?
母亲:26。
女儿:长的帅不帅?
母亲:挺帅的。
女儿:收入高不?
母亲:不算很高,中等情况。
女儿:是公务员不?
母亲:是,在税务局上班呢。
女儿:那好,我去见见。
这个女孩的决策过程就是典型的分类树决策。相当于通过年龄、长相、收入和是否公务员对将男人分为两个类别:见和不见。假设这个女孩对男人的要求是:30岁以下、长相中等以上并且是高收入者或中等以上收入的公务员,那么这个可以用下图表示女孩的决策逻辑(声明:此决策树纯属为了写文章而YY的产物,没有任何根据,也不代表任何女孩的择偶倾向,请各位女同胞莫质问我^_^):
上图完整表达了这个女孩决定是否见一个约会对象的策略,其中绿色节点表示判断条件,橙色节点表示决策结果,箭头表示在一个判断条件在不同情况下的决策路径,图中红色箭头表示了上面例子中女孩的决策过程。
这幅图基本可以算是一颗决策树,说它“基本可以算”是因为图中的判定条件没有量化,如收入高中低等等,还不能算是严格意义上的决策树,如果将所有条件量化,则就变成真正的决策树了。
有了上面直观的认识,我们可以正式定义决策树了:
决策树(decision tree)是一个树结构(可以是二叉树或非二叉树)。其每个非叶节点表示一个特征属性上的测试,每个分支代表这个特征属性在某个值域上的输出,而每个叶节点存放一个类别。使用决策树进行决策的过程就是从根节点开始,测试待分类项中相应的特征属性,并按照其值选择输出分支,直到到达叶子节点,将叶子节点存放的类别作为决策结果。
可以看到,决策树的决策过程非常直观,容易被人理解。目前决策树已经成功运用于医学、制造产业、天文学、分支生物学以及商业等诸多领域。知道了决策树的定义以及其应用方法,下面介绍决策树的构造算法。
3.3、决策树的构造
不同于贝叶斯算法,决策树的构造过程不依赖领域知识,它使用属性选择度量来选择将元组最好地划分成不同的类的属性。所谓决策树的构造就是进行属性选择度量确定各个特征属性之间的拓扑结构。
构造决策树的关键步骤是分裂属性。所谓分裂属性就是在某个节点处按照某一特征属性的不同划分构造不同的分支,其目标是让各个分裂子集尽可能地“纯”。尽可能“纯”就是尽量让一个分裂子集中待分类项属于同一类别。分裂属性分为三种不同的情况:
1、属性是离散值且不要求生成二叉决策树。此时用属性的每一个划分作为一个分支。
2、属性是离散值且要求生成二叉决策树。此时使用属性划分的一个子集进行测试,按照“属于此子集”和“不属于此子集”分成两个分支。
3、属性是连续值。此时确定一个值作为分裂点split_point,按照>split_point和<=split_point生成两个分支。
构造决策树的关键性内容是进行属性选择度量,属性选择度量是一种选择分裂准则,是将给定的类标记的训练集合的数据划分D“最好”地分成个体类的启发式方法,它决定了拓扑结构及分裂点split_point的选择。
属性选择度量算法有很多,一般使用自顶向下递归分治法,并采用不回溯的贪心策略。这里介绍ID3和C4.5两种常用算法。
3.3.1、ID3算法
从信息论知识中我们直到,期望信息越小,信息增益越大,从而纯度越高。所以ID3算法的核心思想就是以信息增益度量属性选择,选择分裂后信息增益最大的属性进行分裂。下面先定义几个要用到的概念。
设D为用类别对训练元组进行的划分,则D的熵(entropy)表示为:
其中pi表示第i个类别在整个训练元组中出现的概率,可以用属于此类别元素的数量除以训练元组元素总数量作为估计。熵的实际意义表示是D中元组的类标号所需要的平均信息量。
现在我们假设将训练元组D按属性A进行划分,则A对D划分的期望信息为:
而信息增益即为两者的差值:
ID3算法就是在每次需要分裂时,计算每个属性的增益率,然后选择增益率最大的属性进行分裂。下面我们继续用SNS社区中不真实账号检测的例子说明如何使用ID3算法构造决策树。为了简单起见,我们假设训练集合包含10个元素:
其中s、m和l分别表示小、中和大。
设L、F、H和R表示日志密度、好友密度、是否使用真实头像和账号是否真实,下面计算各属性的信息增益。
因此日志密度的信息增益是0.276。
用同样方法得到H和F的信息增益分别为0.033和0.553。
因为F具有最大的信息增益,所以第一次分裂选择F为分裂属性,分裂后的结果如下图表示:
在上图的基础上,再递归使用这个方法计算子节点的分裂属性,最终就可以得到整个决策树。
上面为了简便,将特征属性离散化了,其实日志密度和好友密度都是连续的属性。对于特征属性为连续值,可以如此使用ID3算法:
先将D中元素按照特征属性排序,则每两个相邻元素的中间点可以看做潜在分裂点,从第一个潜在分裂点开始,分裂D并计算两个集合的期望信息,具有最小期望信息的点称为这个属性的最佳分裂点,其信息期望作为此属性的信息期望。
3.3.2、C4.5算法
ID3算法存在一个问题,就是偏向于多值属性,例如,如果存在唯一标识属性ID,则ID3会选择它作为分裂属性,这样虽然使得划分充分纯净,但这种划分对分类几乎毫无用处。ID3的后继算法C4.5使用增益率(gain ratio)的信息增益扩充,试图克服这个偏倚。
C4.5算法首先定义了“分裂信息”,其定义可以表示成:
其中各符号意义与ID3算法相同,然后,增益率被定义为:
C4.5选择具有最大增益率的属性作为分裂属性,其具体应用与ID3类似,不再赘述。
3.4、关于决策树的几点补充说明
3.4.1、如果属性用完了怎么办
在决策树构造过程中可能会出现这种情况:所有属性都作为分裂属性用光了,但有的子集还不是纯净集,即集合内的元素不属于同一类别。在这种情况下,由于没有更多信息可以使用了,一般对这些子集进行“多数表决”,即使用此子集中出现次数最多的类别作为此节点类别,然后将此节点作为叶子节点。
3.4.2、关于剪枝
在实际构造决策树时,通常要进行剪枝,这时为了处理由于数据中的噪声和离群点导致的过分拟合问题。剪枝有两种:
先剪枝——在构造过程中,当某个节点满足剪枝条件,则直接停止此分支的构造。
后剪枝——先构造完成完整的决策树,再通过某些条件遍历树进行剪枝。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
一、问题:为什么 ID 会"断号" 很多刚接触 MySQL 的同学都会有一个困惑:表里的主键 ID 是自增的,删了中间几行数据之后,ID 变 ...
2026-10-22一、问题场景:为什么会重复 JOIN 同一个子查询 在写复杂 SQL 时,经常遇到这种需求:同一张表或同一个聚合子查询,要和主表关联 ...
2026-10-22人力资源专员是HR体系的执行入口。招聘信息发布、简历初筛、面试安排、考勤汇总、入离职手续、劳动合同与档案管理,大多由这个岗 ...
2026-10-22人力资源经理问“必学技巧”,真正要解决的不是知识清单不够长,而是时间有限、业务催得紧,学完却用不上。更有效的路径是:先用 ...
2026-10-22内容营销岗位的核心任务,不是“把文案写得更漂亮”,而是围绕目标受众,用持续的内容供给影响认知、推动转化并沉淀复购。它至少 ...
2026-10-22理财经理培训课程很多,难的是判断“先学什么、后学什么、学完能做什么”。与其按课程名称罗列,不如先看岗位任务:客户分层与维 ...
2026-10-22理财经理的知识结构,可以先用一句话概括:合规与产品知识决定“不出错”,客户经营与资产配置决定“够不够专业”,市场研判与数 ...
2026-10-22经济学背景做数据分析,优势不在工具,而在问题意识:供需如何相互作用、成本与收益如何权衡、变量之间是相关还是因果。真正的缺 ...
2026-10-22需要,但要把“需要”理解准确。经济学本身就在处理数据:GDP、物价、就业、企业营收、问卷调研,都是经济分析的原料。真正的区 ...
2026-10-22经济学分析能力不是单一技能,它至少由三层构成:把现实问题转成可检验假设的理论框架能力、用数据与统计方法验证假设的工具能力 ...
2026-10-22金融分析师的知识提升,先补的不是更多模型,而是让结论可复核的底层能力。按任务顺序,大致是四层:财务与业务理解、指标口径管 ...
2026-10-22金融分析师的“通用技能”,指换到不同机构、不同行业组仍用得上的底层能力,而非某家公司内部系统的操作经验。按任务拆,日常要 ...
2026-10-22先给结论:数据分析证书不是金融分析师的准入条件,招聘方也不会因为一张证书就直接判断你能做分析。要不要考,取决于你当前任务 ...
2026-10-22金融分析师的核心技能,不是“会看K线”或“会讲宏观”,而是能把一家公司、一个行业或一类资产,转化为可核查的数据判断与书面 ...
2026-10-22产品经理的知识提升,不是把需求文档、原型、SQL、数据分析、项目管理都学一遍,而是先对准目标岗位的真实任务,找出自己最缺的 ...
2026-10-22产品专员提升工作知识,最有效的方式不是先囤课程,而是围绕日常交付的四件事来补:需求调研与优先级判断、原型与PRD表达、竞品 ...
2026-10-22产品运营专员提升个人能力,常见误区是先把Excel、SQL、Python列成一张学习清单,然后从第一个工具开始学。更有效的做法是先回答 ...
2026-10-22产品运营的能力提升,最怕从“课程目录”出发:今天学增长模型,明天背SQL语法,学完却说不清自己负责的功能为什么激活率低。更 ...
2026-10-22产品经理的技能和影响力不是两条分开的赛道。技能决定你能不能把问题分析清楚、把方案设计对;影响力决定你的判断能否被团队接受 ...
2026-10-22产品经理要学的数据分析能力,不是“会写SQL”或“会用BI工具”这么简单。更准确地说,是围绕需求评估、功能迭代、指标监控、实 ...
2026-10-22