【机器学习】决策树模型（个人笔记）

目录

• 多样性指标
  • 基尼杂质指数（Gini Impurity Index）
  • 熵（Entropy）
• 决策树的应用

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多样性指标

基尼杂质指数（Gini Impurity Index）

若集合中包含 \(m\) 个元素和 \(n\) 个类别，其中 \(a_i\) 个元素属于第 \(i\) 个类别，则：

\[基尼杂质指数 = 1 - p_1^2 - p_2^2 - ... - p_n^2 \\ 其中，p_i = \frac{a_i}{m}（表示选择该元素的概率） \]

【案例 1】{红，红，红，红，红，红，红，红，蓝，蓝}（8 个红球，2 个蓝球）

\[基尼杂质指数 = 1 - \bigg(\frac{8}{10}\bigg)^2 - \bigg(\frac{2}{10}\bigg)^2 = 0.32 \]

【案例 2】{红，红，红，红，蓝，蓝，蓝，黄，黄，绿}（4 个红球，2 个蓝球，2 个黄球，1 个绿球）

\[基尼杂质指数 = 1 - \bigg(\frac{4}{10}\bigg)^2 - \bigg(\frac{3}{10}\bigg)^2 - \bigg(\frac{2}{10}\bigg)^2 - \bigg(\frac{1}{10}\bigg)^2 = 0.70 \]

基尼指数越低，集合中的元素就越相似（数据集多样性越低）。

熵（Entropy）

若集合中包含 \(m\) 个元素和 \(n\) 个类别，其中 \(a_i\) 个元素属于第 \(i\) 个类别，则：

\[熵 = - p_1 \log_2(p_1) - p_2 \log_2(p_2) - ... - p_n \log_2(p_n) \\ 其中，p_i = \frac{a_i}{m}（表示选择该元素的概率） \]

【案例 1】{红，红，红，红，红，红，红，红，蓝，蓝}（8 个红球，2 个蓝球）

\[熵 = - \frac{8}{10}\log_2 \bigg(\frac{8}{10}\bigg) - \frac{2}{10}\log_2 \bigg(\frac{2}{10}\bigg) = 0.722 \]

【案例 2】{红，红，红，红，蓝，蓝，蓝，黄，黄，绿}（4 个红球，2 个蓝球，2 个黄球，1 个绿球）

\[熵 = - \frac{4}{10}\log_2 \bigg(\frac{4}{10}\bigg) - \frac{3}{10}\log_2 \bigg(\frac{3}{10}\bigg) - \frac{2}{10}\log_2 \bigg(\frac{2}{10}\bigg) - \frac{1}{10}\log_2 \bigg(\frac{1}{10}\bigg) = 1.846 \]

熵越低，集合中的元素就越相似（数据集多样性越低）。

决策树的应用

我们所使用的数据集如下：

dataset = pd.DataFrame({
        'x_0': [7, 3, 2, 1, 2, 4, 1, 8, 6, 7, 8, 9],
        'x_1': [1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 5, 8, 4, 6],
        'y': [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1]})
features = dataset[['x_0', 'x_1']]
labels = dataset['y']

使用基尼指数作为划分标准的决策树如下：

decision_tree = DecisionTreeClassifier(criterion='gini')
decision_tree.fit(features, labels)
decision_tree.score(features, labels)
tree.plot_tree(decision_tree, rounded=True, feature_names=['x_0', 'x_1'], class_names=['0', '1'])

使用基尼指数作为划分标准的决策树（划分深度只到第一层）如下：

 decision_tree_depth_1 = DecisionTreeClassifier(criterion='gini', max_depth=1)
decision_tree_depth_1.fit(features, labels)
decision_tree_depth_1.score(features, labels)
tree.plot_tree(decision_tree_depth_1, rounded=True, feature_names=['x_0', 'x_1'], class_names=['0', '1'])