Java 实现决策树算法

时间: 2023-11-14 18:12:33 浏览: 374
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决策树算法(Java实现)

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决策树算法是一种常见的机器学习算法,可以用于分类和回归问题。在 Java 中,实现决策树算法需要使用递归和面向对象的编程思想。 下面是一个简单的决策树分类器的 Java 实现: ```java import java.util.ArrayList; import java.util.HashMap; import java.util.Map; public class DecisionTree { private Node root; public DecisionTree() {} public void fit(ArrayList<ArrayList<String>> data, ArrayList<String> labels) { this.root = buildTree(data, labels); } public String predict(ArrayList<String> sample) { return classify(sample, this.root); } private String classify(ArrayList<String> sample, Node node) { if (node.isLeaf()) { return node.getLabel(); } String feature = node.getFeature(); String value = sample.get(node.getIndex(feature)); Node child = node.getChildren().get(value); return classify(sample, child); } private Node buildTree(ArrayList<ArrayList<String>> data, ArrayList<String> labels) { if (labels.isEmpty()) { return new Node(getMajorityLabel(labels)); } if (isHomogeneous(labels)) { return new Node(labels.get(0)); } if (data.isEmpty()) { return new Node(getMajorityLabel(labels)); } String feature = getBestFeature(data, labels); Node node = new Node(feature); for (String value : getUniqueValues(data, feature)) { ArrayList<ArrayList<String>> subset = getSubset(data, labels, feature, value); Node child = buildTree(subset, getSubsetLabels(labels, subset)); node.addChild(value, child); } return node; } private ArrayList<String> getSubsetLabels(ArrayList<String> labels, ArrayList<ArrayList<String>> subset) { ArrayList<String> subsetLabels = new ArrayList<>(); for (ArrayList<String> sample : subset) { subsetLabels.add(labels.get(data.indexOf(sample))); } return subsetLabels; } private ArrayList<ArrayList<String>> getSubset(ArrayList<ArrayList<String>> data, ArrayList<String> labels, String feature, String value) { ArrayList<ArrayList<String>> subset = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < data.size(); i++) { ArrayList<String> sample = data.get(i); if (sample.get(getIndex(feature)).equals(value)) { subset.add(sample); } } return subset; } private ArrayList<String> getUniqueValues(ArrayList<ArrayList<String>> data, String feature) { ArrayList<String> uniqueValues = new ArrayList<>(); int index = getIndex(feature); for (ArrayList<String> sample : data) { String value = sample.get(index); if (!uniqueValues.contains(value)) { uniqueValues.add(value); } } return uniqueValues; } private int getIndex(String feature) { return this.root.getFeatures().indexOf(feature); } private String getBestFeature(ArrayList<ArrayList<String>> data, ArrayList<String> labels) { double maxGain = -1; String bestFeature = null; double parentEntropy = getEntropy(labels); for (String feature : this.root.getFeatures()) { double gain = parentEntropy - getConditionalEntropy(data, labels, feature); if (gain > maxGain) { maxGain = gain; bestFeature = feature; } } return bestFeature; } private double getConditionalEntropy(ArrayList<ArrayList<String>> data, ArrayList<String> labels, String feature) { double conditionalEntropy = 0; Map<String, ArrayList<String>> subsets = getSubsets(data, feature); for (String value : subsets.keySet()) { ArrayList<String> subsetLabels = getSubsetLabels(labels, subsets.get(value)); double probability = (double) subsets.get(value).size() / data.size(); conditionalEntropy += probability * getEntropy(subsetLabels); } return conditionalEntropy; } private Map<String, ArrayList<String>> getSubsets(ArrayList<ArrayList<String>> data, String feature) { Map<String, ArrayList<String>> subsets = new HashMap<>(); int index = getIndex(feature); for (ArrayList<String> sample : data) { String value = sample.get(index); if (!subsets.containsKey(value)) { subsets.put(value, new ArrayList<>()); } subsets.get(value).add(sample); } return subsets; } private double getEntropy(ArrayList<String> labels) { double entropy = 0; Map<String, Integer> counts = getCounts(labels); for (Integer count : counts.values()) { double probability = (double) count / labels.size(); entropy -= probability * Math.log(probability) / Math.log(2); } return entropy; } private String getMajorityLabel(ArrayList<String> labels) { Map<String, Integer> counts = getCounts(labels); int maxCount = -1; String majorityLabel = null; for (String label : counts.keySet()) { int count = counts.get(label); if (count > maxCount) { maxCount = count; majorityLabel = label; } } return majorityLabel; } private boolean isHomogeneous(ArrayList<String> labels) { String firstLabel = labels.get(0); for (String label : labels) { if (!label.equals(firstLabel)) { return false; } } return true; } private Map<String, Integer> getCounts(ArrayList<String> labels) { Map<String, Integer> counts = new HashMap<>(); for (String label : labels) { if (!counts.containsKey(label)) { counts.put(label, 0); } counts.put(label, counts.get(label) + 1); } return counts; } private class Node { private String feature; private ArrayList<String> features; private String label; private Map<String, Node> children; public Node(String feature) { this.feature = feature; this.children = new HashMap<>(); } public Node(String label) { this.label = label; } public String getFeature() { return this.feature; } public ArrayList<String> getFeatures() { return this.features; } public String getLabel() { return this.label; } public Map<String, Node> getChildren() { return this.children; } public boolean isLeaf() { return this.label != null; } public void addChild(String value, Node child) { this.children.put(value, child); } } } ``` 在这个实现中,`DecisionTree` 类包含了决策树的构建、训练和预测方法。`Node` 类表示决策树节点,包含了节点的特征、标签和子节点等信息。这里使用了递归的方法构建决策树,每次递归都会选择最佳的特征进行划分,直到满足停止条件为止。 下面是一个使用上述决策树分类器的例子: ```java public static void main(String[] args) { ArrayList<ArrayList<String>> data = new ArrayList<>(); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("sunny", "hot", "high", "weak"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("sunny", "hot", "high", "strong"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("overcast", "hot", "high", "weak"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("rainy", "mild", "high", "weak"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("rainy", "cool", "normal", "weak"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("rainy", "cool", "normal", "strong"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("overcast", "cool", "normal", "strong"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("sunny", "mild", "high", "weak"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("sunny", "cool", "normal", "weak"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("rainy", "mild", "normal", "weak"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("sunny", "mild", "normal", "strong"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("overcast", "mild", "high", "strong"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("overcast", "hot", "normal", "weak"))); data.add(new ArrayList<>(Arrays.asList("rainy", "mild", "high", "strong"))); ArrayList<String> labels = new ArrayList<>(Arrays.asList("no", "no", "yes", "yes", "yes", "no", "yes", "no", "yes", "yes", "yes", "yes", "yes", "no")); DecisionTree dt = new DecisionTree(); dt.fit(data, labels); ArrayList<String> sample = new ArrayList<>(Arrays.asList("sunny", "hot", "high", "weak")); String prediction = dt.predict(sample); System.out.println(prediction); } ``` 这个例子中,我们使用了一个简单的天气数据集,包含了天气状况和是否打高尔夫的标签。我们先构建了一个 `DecisionTree` 对象,然后调用 `fit` 方法进行训练,最后使用 `predict` 方法对新样本进行预测。
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