決策樹算法廣泛應用于：語音識別、醫療診斷、客戶關系管理、模式識別、專家系統等，在實際工作中，必須根據數據類型的特點及數據集的大小，選擇合適的算法。
本文選擇經典案例——《鳶尾花分類》
一、決策樹定義
決策樹算法是一種基于實例的自上而下的算法，常用于分類與預測。利用樹型結構二分類，問題主要集中在剪枝與訓練樣本。
決策樹思維是一種邏輯思考方式，逐層的設定條件對事物進行刷選判斷，每一次刷選判斷都是一次決策，最終得到達到目的；整個思考過程，其邏輯結構類似分叉的樹狀，因此稱為決策樹思維；
決策樹森林由幾種決策樹的預測組合成一個最終的預測，為應用集成思想提高決策樹的準確率。
例：公式招聘時的決策樹思維
此過程形成了一個樹的結構，樹的葉子(錄用 / 考察)節點位置是做出的決定，也可以理解為是對輸出(也就是應聘者的信息)的分類：錄用、考察——這樣的邏輯思考的過程就叫決策樹。
二、決策樹分類的基本流程
2.1基本算法流程
2.2特征選擇與算法選擇
首先要考慮哪個變量是樹根，哪個是樹節點，為此，我們需要考慮變量的重要性。
怎么衡量？，或者說怎樣選擇？有三種算法：
- ID3算法 ：使用信息增益(作為不純度)——適合大規模數據處理
- C4.5算法 ：使用信息增益率(作為不純度)——適合大規模數據處理(相較于ID3算法更好，但是計算資源占用大)
- CART 算法：使用基尼系數(作為不純度)——適合小樣本數據處理
不同的方法形成不同的決策樹，決策樹方法會把每個特征都試一遍，最后選取能夠使分類分的最好的特征(e.g. 將A屬性作為父節點，產生的純度增益(GainA)要大于B屬性作為父節點，則A作為優先選取的屬性)。
2.3劃分選擇與剪枝
三、案例分析
基于決策樹對鳶尾花分類
#基于決策樹的鳶尾花分類
'''
- 描述：“代碼實操”以及內容延伸部分源代碼
- 時間：2019-07-24
- 作者：歐XX(Alan Ou)
- 程序開發環境：win10 64位
- Python版本：64位 3.7
- 依賴庫：numpy、pandas、sklearn、matplotlib
- 程序輸入：iris.cvs
- 程序輸出：iris_classification_result.xlsx
# -*- coding: utf-8 -*-
'''
導入模塊
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn import tree
讀取數據
iris = load_iris()
iris_feature = iris.data #特征數據
iris_target = iris.target #分類數據
#鳶尾花數組長度為150，共3種類別。
#種類為：Iris Setosa(山鳶花)、Iris Versicolour(雜色鳶尾)Iris Virginica(維吉尼亞鳶尾)，分別用0、1、2標簽代表
print (iris.data) #輸出數據集
print ('-----------------------------')
print (iris.target) #輸出真實標簽
print (len(iris.target) )
print ('-----------------------------')
print (iris.data.shape ) #150個樣本 每個樣本4個特征
print ('-----------------------------')
打印返回值：
[[5.1 3.5 1.4 0.2]
[4.9 3. 1.4 0.2]
[4.7 3.2 1.3 0.2]
[4.6 3.1 1.5 0.2]
[5. 3.6 1.4 0.2]
[5.4 3.9 1.7 0.4]
[4.6 3.4 1.4 0.3]
[5. 3.4 1.5 0.2]
[4.4 2.9 1.4 0.2]
[4.9 3.1 1.5 0.1]
[5.4 3.7 1.5 0.2]
[4.8 3.4 1.6 0.2]
[4.8 3. 1.4 0.1]
[4.3 3. 1.1 0.1]
[5.8 4. 1.2 0.2]
[5.7 4.4 1.5 0.4]
[5.4 3.9 1.3 0.4]
[5.1 3.5 1.4 0.3]
[5.7 3.8 1.7 0.3]
[5.1 3.8 1.5 0.3]
[5.4 3.4 1.7 0.2]
[5.1 3.7 1.5 0.4]
[4.6 3.6 1. 0.2]
[5.1 3.3 1.7 0.5]
[4.8 3.4 1.9 0.2]
[5. 3. 1.6 0.2]
[5. 3.4 1.6 0.4]
[5.2 3.5 1.5 0.2]
[5.2 3.4 1.4 0.2]
[4.7 3.2 1.6 0.2]
[4.8 3.1 1.6 0.2]
[5.4 3.4 1.5 0.4]
[5.2 4.1 1.5 0.1]
[5.5 4.2 1.4 0.2]
[4.9 3.1 1.5 0.2]
[5. 3.2 1.2 0.2]
[5.5 3.5 1.3 0.2]
[4.9 3.6 1.4 0.1]
[4.4 3. 1.3 0.2]
[5.1 3.4 1.5 0.2]
[5. 3.5 1.3 0.3]
[4.5 2.3 1.3 0.3]
[4.4 3.2 1.3 0.2]
[5. 3.5 1.6 0.6]
[5.1 3.8 1.9 0.4]
[4.8 3. 1.4 0.3]
[5.1 3.8 1.6 0.2]
[4.6 3.2 1.4 0.2]
[5.3 3.7 1.5 0.2]
[5. 3.3 1.4 0.2]
[7. 3.2 4.7 1.4]
[6.4 3.2 4.5 1.5]
[6.9 3.1 4.9 1.5]
[5.5 2.3 4. 1.3]
[6.5 2.8 4.6 1.5]
[5.7 2.8 4.5 1.3]
[6.3 3.3 4.7 1.6]
[4.9 2.4 3.3 1. ]
[6.6 2.9 4.6 1.3]
[5.2 2.7 3.9 1.4]
[5. 2. 3.5 1. ]
[5.9 3. 4.2 1.5]
[6. 2.2 4. 1. ]
[6.1 2.9 4.7 1.4]
[5.6 2.9 3.6 1.3]
[6.7 3.1 4.4 1.4]
[5.6 3. 4.5 1.5]
[5.8 2.7 4.1 1. ]
[6.2 2.2 4.5 1.5]
[5.6 2.5 3.9 1.1]
[5.9 3.2 4.8 1.8]
[6.1 2.8 4. 1.3]
[6.3 2.5 4.9 1.5]
[6.1 2.8 4.7 1.2]
[6.4 2.9 4.3 1.3]
[6.6 3. 4.4 1.4]
[6.8 2.8 4.8 1.4]
[6.7 3. 5. 1.7]
[6. 2.9 4.5 1.5]
[5.7 2.6 3.5 1. ]
[5.5 2.4 3.8 1.1]
[5.5 2.4 3.7 1. ]
[5.8 2.7 3.9 1.2]
[6. 2.7 5.1 1.6]
[5.4 3. 4.5 1.5]
[6. 3.4 4.5 1.6]
[6.7 3.1 4.7 1.5]
[6.3 2.3 4.4 1.3]
[5.6 3. 4.1 1.3]
[5.5 2.5 4. 1.3]
[5.5 2.6 4.4 1.2]
[6.1 3. 4.6 1.4]
[5.8 2.6 4. 1.2]
[5. 2.3 3.3 1. ]
[5.6 2.7 4.2 1.3]
[5.7 3. 4.2 1.2]
[5.7 2.9 4.2 1.3]
[6.2 2.9 4.3 1.3]
[5.1 2.5 3. 1.1]
[5.7 2.8 4.1 1.3]
[6.3 3.3 6. 2.5]
[5.8 2.7 5.1 1.9]
[7.1 3. 5.9 2.1]
[6.3 2.9 5.6 1.8]
[6.5 3. 5.8 2.2]
[7.6 3. 6.6 2.1]
[4.9 2.5 4.5 1.7]
[7.3 2.9 6.3 1.8]
[6.7 2.5 5.8 1.8]
[7.2 3.6 6.1 2.5]
[6.5 3.2 5.1 2. ]
[6.4 2.7 5.3 1.9]
[6.8 3. 5.5 2.1]
[5.7 2.5 5. 2. ]
[5.8 2.8 5.1 2.4]
[6.4 3.2 5.3 2.3]
[6.5 3. 5.5 1.8]
[7.7 3.8 6.7 2.2]
[7.7 2.6 6.9 2.3]
[6. 2.2 5. 1.5]
[6.9 3.2 5.7 2.3]
[5.6 2.8 4.9 2. ]
[7.7 2.8 6.7 2. ]
[6.3 2.7 4.9 1.8]
[6.7 3.3 5.7 2.1]
[7.2 3.2 6. 1.8]
[6.2 2.8 4.8 1.8]
[6.1 3. 4.9 1.8]
[6.4 2.8 5.6 2.1]
[7.2 3. 5.8 1.6]
[7.4 2.8 6.1 1.9]
[7.9 3.8 6.4 2. ]
[6.4 2.8 5.6 2.2]
[6.3 2.8 5.1 1.5]
[6.1 2.6 5.6 1.4]
[7.7 3. 6.1 2.3]
[6.3 3.4 5.6 2.4]
[6.4 3.1 5.5 1.8]
[6. 3. 4.8 1.8]
[6.9 3.1 5.4 2.1]
[6.7 3.1 5.6 2.4]
[6.9 3.1 5.1 2.3]
[5.8 2.7 5.1 1.9]
[6.8 3.2 5.9 2.3]
[6.7 3.3 5.7 2.5]
[6.7 3. 5.2 2.3]
[6.3 2.5 5. 1.9]
[6.5 3. 5.2 2. ]
[6.2 3.4 5.4 2.3]
[5.9 3. 5.1 1.8]]
-----------------------------
[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2 2]
150
-----------------------------
(150, 4)
-----------------------------
導入數據集
#導入數據集iris
url = "https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/iris/iris.data"
names = ['sepal-length', 'sepal-width', 'petal-length', 'petal-width', 'class']
dataset = pd.read_csv(url, names=names) #讀取csv數據
print(dataset.describe())
print ('-----------------------------')
打印返回值：
sepal-length sepal-width petal-length petal-width
count 150.000000 150.000000 150.000000 150.000000
mean 5.843333 3.054000 3.758667 1.198667
std 0.828066 0.433594 1.764420 0.763161
min 4.300000 2.000000 1.000000 0.100000
25% 5.100000 2.800000 1.600000 0.300000
50% 5.800000 3.000000 4.350000 1.300000
75% 6.400000 3.300000 5.100000 1.800000
max 7.900000 4.400000 6.900000 2.500000
數據可視化
#4種特征維度分布情況
#直方圖 histograms
dataset.hist()
plt.show()
訓練分類
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
clf = DecisionTreeClassifier() # 所以參數均置為默認狀態
clf.fit(iris.data, iris.target) # 使用訓練集訓練模型
print(clf)
print ('-----------------------------')
predicted = clf.predict(iris.data)
print(predicted)
print ('-----------------------------')
打印返回值
DecisionTreeClassifier(class_weight=None, criterion='gini', max_depth=None,
max_features=None, max_leaf_nodes=None,
min_impurity_decrease=0.0, min_impurity_split=None,
min_samples_leaf=1, min_samples_split=2,
min_weight_fraction_leaf=0.0, presort=False,
random_state=None, splitter='best')
-----------------------------
[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2 2]
# 獲取花卉兩列數據集
X = iris.data
L1 = [x[0] for x in X]
print(L1)
print ('-----------------------------')
L2 = [x[1] for x in X]
print (L2)
print ('-----------------------------')
打印返回值：
[5.1, 4.9, 4.7, 4.6, 5.0, 5.4, 4.6, 5.0, 4.4, 4.9, 5.4, 4.8, 4.8, 4.3, 5.8, 5.7, 5.4,
5.1, 5.7, 5.1, 5.4, 5.1, 4.6, 5.1, 4.8, 5.0, 5.0, 5.2, 5.2, 4.7, 4.8, 5.4, 5.2, 5.5,
4.9, 5.0, 5.5, 4.9, 4.4, 5.1, 5.0, 4.5, 4.4, 5.0, 5.1, 4.8, 5.1, 4.6, 5.3, 5.0, 7.0,
6.4, 6.9, 5.5, 6.5, 5.7, 6.3, 4.9, 6.6, 5.2, 5.0, 5.9, 6.0, 6.1, 5.6, 6.7, 5.6, 5.8,
6.2, 5.6, 5.9, 6.1, 6.3, 6.1, 6.4, 6.6, 6.8, 6.7, 6.0, 5.7, 5.5, 5.5, 5.8, 6.0, 5.4,
6.0, 6.7, 6.3, 5.6, 5.5, 5.5, 6.1, 5.8, 5.0, 5.6, 5.7, 5.7, 6.2, 5.1, 5.7, 6.3, 5.8,
7.1, 6.3, 6.5, 7.6, 4.9, 7.3, 6.7, 7.2, 6.5, 6.4, 6.8, 5.7, 5.8, 6.4, 6.5, 7.7, 7.7,
6.0, 6.9, 5.6, 7.7, 6.3, 6.7, 7.2, 6.2, 6.1, 6.4, 7.2, 7.4, 7.9, 6.4, 6.3, 6.1, 7.7,
6.3, 6.4, 6.0, 6.9, 6.7, 6.9, 5.8, 6.8, 6.7, 6.7, 6.3, 6.5, 6.2, 5.9]
-----------------------------
[3.5, 3.0, 3.2, 3.1, 3.6, 3.9, 3.4, 3.4, 2.9, 3.1, 3.7, 3.4, 3.0, 3.0, 4.0, 4.4, 3.9,
3.5, 3.8, 3.8, 3.4, 3.7, 3.6, 3.3, 3.4, 3.0, 3.4, 3.5, 3.4, 3.2, 3.1, 3.4, 4.1, 4.2,
3.1, 3.2, 3.5, 3.6, 3.0, 3.4, 3.5, 2.3, 3.2, 3.5, 3.8, 3.0, 3.8, 3.2, 3.7, 3.3, 3.2,
3.2, 3.1, 2.3, 2.8, 2.8, 3.3, 2.4, 2.9, 2.7, 2.0, 3.0, 2.2, 2.9, 2.9, 3.1, 3.0, 2.7,
2.2, 2.5, 3.2, 2.8, 2.5, 2.8, 2.9, 3.0, 2.8, 3.0, 2.9, 2.6, 2.4, 2.4, 2.7, 2.7, 3.0,
3.4, 3.1, 2.3, 3.0, 2.5, 2.6, 3.0, 2.6, 2.3, 2.7, 3.0, 2.9, 2.9, 2.5, 2.8, 3.3, 2.7,
3.0, 2.9, 3.0, 3.0, 2.5, 2.9, 2.5, 3.6, 3.2, 2.7, 3.0, 2.5, 2.8, 3.2, 3.0, 3.8, 2.6,
2.2, 3.2, 2.8, 2.8, 2.7, 3.3, 3.2, 2.8, 3.0, 2.8, 3.0, 2.8, 3.8, 2.8, 2.8, 2.6, 3.0,
3.4, 3.1, 3.0, 3.1, 3.1, 3.1, 2.7, 3.2, 3.3, 3.0, 2.5, 3.0, 3.4, 3.0]
-----------------------------
繪圖
plt.scatter(X[:50, 0], X[:50, 1], color='red', marker='o', label='setosa')
plt.scatter(X[50:100, 0], X[50:100, 1], color='blue', marker='x', label='versicolor')
plt.scatter(X[100:, 0], X[100:, 1], color='green', marker='s', label='Virginica')
#中文亂碼解決
plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False
plt.title("DTC基于決策數的鳶尾花分類")#標題
plt.xlabel('Sepal length')
plt.ylabel('Sepal width')
plt.xticks(())
plt.yticks(())
plt.legend(loc=2)
plt.show()
學習心得：
決策樹優點：簡單直觀，生成決策樹很直觀，基本不需要提前歸一化、處理缺失值。
使用決策樹預測的代價是O(
)。m為樣本數。
既可以處理離散值也可以處理連續值，易解釋。
可處理多維度輸出的分類問題。
對于異常點的容錯能力好，可交叉驗證的剪枝(后剪枝)來選擇模型，從而提高泛化能力。
決策樹缺點：決策樹算法會過擬合，導致泛化能力不強，可以通過設置節點最少樣本數量和限制決策樹深度來改進。
決策樹易受到樣本變動，導致樹結構改變。通過集成算法學習之類的方法優化。
有比較復雜的關系，決策樹很難學習，比如異或。一般用神經網絡分類方法來解決。
特征樣本比例過大，生成決策樹容易偏向這些特征。這個通過調節樣本權重來改善。
