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機器學習第6章決策樹

2020-10-08 09:23:03 後端開發

參考:作者的Jupyter Notebook
Chapter 6 – Decision Trees

  1. 保存圖片
    from __future__ import division, print_function, unicode_literals
    import numpy as np
    import matplotlib as mpl
    import matplotlib.pyplot as plt
    import os
    np.random.seed(42)
    
    mpl.rc('axes', labelsize=14)
    mpl.rc('xtick', labelsize=12)
    mpl.rc('ytick', labelsize=12)
    
    # Where to save the figures
    PROJECT_ROOT_DIR = "images"
    CHAPTER_ID = "decision_trees"
    
    def save_fig(fig_id, tight_layout=True):
        path = os.path.join(PROJECT_ROOT_DIR, CHAPTER_ID, fig_id + ".png")
        print("Saving figure", fig_id)
        if tight_layout:
            plt.tight_layout()
        plt.savefig(path, format='png', dpi=600)
    

決策樹訓練和可視化

  1. 要了解決策樹,讓我們先構建一個決策樹,看看它是如何做出預測的,下面的代碼在鳶尾花資料集(見第4章)上訓練了一個DecisionTreeClassifier:

    from sklearn.datasets import load_iris
    from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
    
    iris = load_iris()
    X = iris.data[:, 2:] # petal length and width
    y = iris.target
    
    tree_clf = DecisionTreeClassifier(max_depth=2, random_state=42)
    tree_clf.fit(X, y)
    #print(tree_clf.fit(X, y))
    
  2. 要將決策樹可視化,首先,使用export_graphviz()方法輸出一個圖形定義檔案,命名為iris_tree.dot:

    from sklearn.tree import export_graphviz
    
    export_graphviz(
            tree_clf,
            out_file=image_path("iris_tree.dot"),
            feature_names=iris.feature_names[2:],
            class_names=iris.target_names,
            rounded=True,
            filled=True
        )
    #下面這行命令將.dot檔案轉換為.png影像檔案:
    #$ dot -Tpng iris_tree.dot -o iris_tree.png
    

做出預測

```
from matplotlib.colors import ListedColormap

def plot_decision_boundary(clf, X, y, axes=[0, 7.5, 0, 3], iris=True, legend=False, plot_training=True):
    x1s = np.linspace(axes[0], axes[1], 100)
    x2s = np.linspace(axes[2], axes[3], 100)
    x1, x2 = np.meshgrid(x1s, x2s)
    X_new = np.c_[x1.ravel(), x2.ravel()]
    y_pred = clf.predict(X_new).reshape(x1.shape)
    custom_cmap = ListedColormap(['#fafab0','#9898ff','#a0faa0'])
    plt.contourf(x1, x2, y_pred, alpha=0.3, cmap=custom_cmap)
    if not iris:
        custom_cmap2 = ListedColormap(['#7d7d58','#4c4c7f','#507d50'])
        plt.contour(x1, x2, y_pred, cmap=custom_cmap2, alpha=0.8)
    if plot_training:
        plt.plot(X[:, 0][y==0], X[:, 1][y==0], "yo", label="Iris-Setosa")
        plt.plot(X[:, 0][y==1], X[:, 1][y==1], "bs", label="Iris-Versicolor")
        plt.plot(X[:, 0][y==2], X[:, 1][y==2], "g^", label="Iris-Virginica")
        plt.axis(axes)
    if iris:
        plt.xlabel("Petal length", fontsize=14)
        plt.ylabel("Petal width", fontsize=14)
    else:
        plt.xlabel(r"$x_1$", fontsize=18)
        plt.ylabel(r"$x_2$", fontsize=18, rotation=0)
    if legend:
        plt.legend(loc="lower right", fontsize=14)

plt.figure(figsize=(8, 4))
plot_decision_boundary(tree_clf, X, y)
plt.plot([2.45, 2.45], [0, 3], "k-", linewidth=2)
plt.plot([2.45, 7.5], [1.75, 1.75], "k--", linewidth=2)
plt.plot([4.95, 4.95], [0, 1.75], "k:", linewidth=2)
plt.plot([4.85, 4.85], [1.75, 3], "k:", linewidth=2)
plt.text(1.40, 1.0, "Depth=0", fontsize=15)
plt.text(3.2, 1.80, "Depth=1", fontsize=13)
plt.text(4.05, 0.5, "(Depth=2)", fontsize=11)

save_fig("decision_tree_decision_boundaries_plot")
plt.show()
```

估算類別概率

  1. 決策樹同樣可以估算某個實體屬于特定類別k的概率
    #print(tree_clf.predict_proba([[5, 1.5]]))
    #print(tree_clf.predict([[5, 1.5]]))0
    

CART訓練演算法

Scikit-Learn使用的是分類與回歸樹(Classification And Regression Tree,簡稱CART)演算法來訓練決策樹(也叫作“生長”樹),

計算復雜度

基尼不純度還是資訊熵

正則化超引數

```
from sklearn.datasets import make_moons
Xm, ym = make_moons(n_samples=100, noise=0.25, random_state=53)

deep_tree_clf1 = DecisionTreeClassifier(random_state=42)
deep_tree_clf2 = DecisionTreeClassifier(min_samples_leaf=4, random_state=42)
deep_tree_clf1.fit(Xm, ym)
deep_tree_clf2.fit(Xm, ym)

plt.figure(figsize=(11, 4))
plt.subplot(121)
plot_decision_boundary(deep_tree_clf1, Xm, ym, axes=[-1.5, 2.5, -1, 1.5], iris=False)
plt.title("No restrictions", fontsize=16)
plt.subplot(122)
plot_decision_boundary(deep_tree_clf2, Xm, ym, axes=[-1.5, 2.5, -1, 1.5], iris=False)
plt.title("min_samples_leaf = {}".format(deep_tree_clf2.min_samples_leaf), fontsize=14)

save_fig("min_samples_leaf_plot正則化超引數")
plt.show()
```

左圖使用默認引數(即無約束)來訓練決策樹,右圖的決策樹應用min_samples_leaf=4進行訓練,很明顯,左圖模型過度擬合,右圖的泛化效果更佳,

回歸

  1. 決策樹也可以執行回歸任務,我們用Scikit_Learn的DecisionTreeRegressor來構建一個回歸樹,在一個帶噪聲的二次資料集上進行訓練,其中max_depth=2:

    np.random.seed(42)
    m = 200
    X = np.random.rand(m, 1)
    y = 4 * (X - 0.5) ** 2
    y = y + np.random.randn(m, 1) / 10
    
    from sklearn.tree import DecisionTreeRegressor
    
    tree_reg = DecisionTreeRegressor(max_depth=2, random_state=42)
    tree_reg.fit(X, y)
    #print(tree_reg.fit(X, y))
    
  2. 兩個決策樹回歸模型的預測對比

    from sklearn.tree import DecisionTreeRegressor
    
    tree_reg1 = DecisionTreeRegressor(random_state=42, max_depth=2)
    tree_reg2 = DecisionTreeRegressor(random_state=42, max_depth=3)
    tree_reg1.fit(X, y)
    tree_reg2.fit(X, y)
    
    def plot_regression_predictions(tree_reg, X, y, axes=[0, 1, -0.2, 1], ylabel="$y$"):
        x1 = np.linspace(axes[0], axes[1], 500).reshape(-1, 1)
        y_pred = tree_reg.predict(x1)
        plt.axis(axes)
        plt.xlabel("$x_1$", fontsize=18)
        if ylabel:
            plt.ylabel(ylabel, fontsize=18, rotation=0)
        plt.plot(X, y, "b.")
        plt.plot(x1, y_pred, "r.-", linewidth=2, label=r"$\hat{y}$")
    
    plt.figure(figsize=(11, 4))
    plt.subplot(121)
    plot_regression_predictions(tree_reg1, X, y)
    for split, style in ((0.1973, "k-"), (0.0917, "k--"), (0.7718, "k--")):
        plt.plot([split, split], [-0.2, 1], style, linewidth=2)
    plt.text(0.21, 0.65, "Depth=0", fontsize=15)
    plt.text(0.01, 0.2, "Depth=1", fontsize=13)
    plt.text(0.65, 0.8, "Depth=1", fontsize=13)
    plt.legend(loc="upper center", fontsize=18)
    plt.title("max_depth=2", fontsize=14)
    
    plt.subplot(122)
    plot_regression_predictions(tree_reg2, X, y, ylabel=None)
    for split, style in ((0.1973, "k-"), (0.0917, "k--"), (0.7718, "k--")):
        plt.plot([split, split], [-0.2, 1], style, linewidth=2)
    for split in (0.0458, 0.1298, 0.2873, 0.9040):
        plt.plot([split, split], [-0.2, 1], "k:", linewidth=1)
    plt.text(0.3, 0.5, "Depth=2", fontsize=13)
    plt.title("max_depth=3", fontsize=14)
    
    save_fig("tree_regression_plot兩個決策樹回歸模型的預測對比")
    plt.show()
    

不穩定性

  1. 對資料旋轉敏感

    np.random.seed(6)
    Xs = np.random.rand(100, 2) - 0.5
    ys = (Xs[:, 0] > 0).astype(np.float32) * 2
    
    angle = np.pi / 4
    rotation_matrix = np.array([[np.cos(angle), -np.sin(angle)], [np.sin(angle), np.cos(angle)]])
    Xsr = Xs.dot(rotation_matrix)
    
    tree_clf_s = DecisionTreeClassifier(random_state=42)
    tree_clf_s.fit(Xs, ys)
    tree_clf_sr = DecisionTreeClassifier(random_state=42)
    tree_clf_sr.fit(Xsr, ys)
    
    plt.figure(figsize=(11, 4))
    plt.subplot(121)
    plot_decision_boundary(tree_clf_s, Xs, ys, axes=[-0.7, 0.7, -0.7, 0.7], iris=False)
    plt.subplot(122)
    plot_decision_boundary(tree_clf_sr, Xsr, ys, axes=[-0.7, 0.7, -0.7, 0.7], iris=False)
    
    save_fig("sensitivity_to_rotation_plot對資料旋轉敏感")
    plt.show()
    
  2. 對訓練集細節敏感

    X[(X[:, 1]==X[:, 1][y==1].max()) & (y==1)] # widest Iris-Versicolor flower
    
    not_widest_versicolor = (X[:, 1]!=1.8) | (y==2)
    X_tweaked = X[not_widest_versicolor]
    y_tweaked = y[not_widest_versicolor]
    
    tree_clf_tweaked = DecisionTreeClassifier(max_depth=2, random_state=40)
    tree_clf_tweaked.fit(X_tweaked, y_tweaked)
    
    plt.figure(figsize=(8, 4))
    plot_decision_boundary(tree_clf_tweaked, X_tweaked, y_tweaked, legend=False)
    plt.plot([0, 7.5], [0.8, 0.8], "k-", linewidth=2)
    plt.plot([0, 7.5], [1.75, 1.75], "k--", linewidth=2)
    plt.text(1.0, 0.9, "Depth=0", fontsize=15)
    plt.text(1.0, 1.80, "Depth=1", fontsize=13)
    
    save_fig("decision_tree_inst    ability_plot對訓練集細節敏感")
    plt.show()
    

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