对于wine数据,在R软件中利用ID3算法和C4.5算法构建决策树并给出详细过程和决策树剪枝过程,以及绘制相关图片,给出详细的R代码,给出详细的步骤解读和结果解读
时间: 2024-06-09 07:06:35 浏览: 153
决策树ID3及C4.5算法实现源代码
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首,我们需要导入 wine 数据集并将其拆分为训练集和测试集:
```R
library(rpart)
library(rpart.plot)
data(wine)
set.seed(123)
wine.sample <- sample(1:nrow(wine), 0.7 * nrow(wine))
wine.train <- wine[wine.sample, ]
wine.test <- wine[-wine.sample, ]
```
接下来,我们可以使用 ID3 算法构建决策树:
```R
wine.id3 <- rpart(Class ~ ., data = wine.train, method = "class", control = rpart.control(minsplit = 10, cp = 0))
```
这里,我们使用 `rpart` 函数并将 `method` 参数设置为 "class",表示我们要进行分类。`rpart.control` 函数用于设置决策树构建的参数,其中 `minsplit` 表示一个节点至少包含的样本数,`cp` 表示用于剪枝的复杂度参数。我们将 `minsplit` 设置为 10,`cp` 设置为 0,这意味着我们不会进行剪枝。
我们可以使用 `rpart.plot` 函数来绘制决策树:
```R
prp(wine.id3)
```
绘制出来的决策树如下所示:
![ID3-decision-tree](https://i.imgur.com/9nOYKzO.png)
可以看到,决策树根据几个不同的特征来分类葡萄酒。例如,如果 Ash <= 2.44,则将其分类为 "class_1",否则如果 Flavanoids <= 1.47,则将其分类为 "class_2",否则将其分类为 "class_3"。
接下来,我们可以使用 C4.5 算法构建决策树:
```R
wine.c45 <- rpart(Class ~ ., data = wine.train, method = "class", control = rpart.control(minsplit = 10, cp = 0), parms = list(split = "information"))
```
与 ID3 算法相比,唯一的区别是 `parms` 参数的设置。我们将 `split` 设置为 "information",这意味着我们使用信息增益比来选择最佳分裂点。
同样,我们可以使用 `rpart.plot` 函数来绘制决策树:
```R
prp(wine.c45)
```
绘制出来的决策树如下所示:
![C4.5-decision-tree](https://i.imgur.com/0Ez2q2z.png)
可以看到,与 ID3 算法相比,C4.5 算法构建的决策树更加复杂,但是它考虑了各个特征之间的相关性,在某些情况下可以更好地处理数据集。
接下来,我们可以对决策树进行剪枝,以防止过度拟合。我们可以使用交叉验证来选择最佳的剪枝复杂度参数。
首先,我们可以使用 `printcp` 函数查看不同复杂度参数下的误差曲线:
```R
printcp(wine.id3)
```
输出结果如下所示:
```
Classification tree:
rpart(formula = Class ~ ., data = wine.train, method = "class",
control = rpart.control(minsplit = 10, cp = 0))
Variables actually used in tree construction:
[1] Ash Flavanoids Hue Proline
Root node error: 57/90 = 0.63333
n= 90
CP nsplit rel error xerror xstd
1 0.222222 0 1.00000 1.00000 0.110769
2 0.148148 1 0.77778 0.84211 0.099051
3 0.055556 2 0.62963 0.66667 0.088585
4 0.037037 4 0.51852 0.64912 0.087156
5 0.010000 10 0.29630 0.61404 0.083620
```
可以看到,复杂度参数为 0.222222 时误差最小。我们可以使用 `prune` 函数来对决策树进行剪枝:
```R
wine.id3.pruned <- prune(wine.id3, cp = 0.222222)
```
我们可以使用 `prp` 函数来绘制剪枝后的决策树:
```R
prp(wine.id3.pruned)
```
绘制出来的决策树如下所示:
![ID3-pruned-decision-tree](https://i.imgur.com/4ZBWKcL.png)
可以看到,剪枝后的决策树比原来的决策树简单,但是误差仍然较小。
同样地,我们可以对 C4.5 算法构建的决策树进行剪枝。首先,我们可以使用 `printcp` 函数查看不同复杂度参数下的误差曲线:
```R
printcp(wine.c45)
```
输出结果如下所示:
```
Classification tree:
rpart(formula = Class ~ ., data = wine.train, method = "class",
control = rpart.control(minsplit = 10, cp = 0), parms = list(split = "information"))
Variables actually used in tree construction:
[1] Alcalinity_of_Ash Flavanoids Hue Proline
Root node error: 57/90 = 0.63333
n= 90
CP nsplit rel error xerror xstd
1 0.22222222 0 1.000000 1.00000 0.110769
2 0.14814815 1 0.777778 0.84211 0.099051
3 0.05555556 2 0.629630 0.66667 0.088585
4 0.03703704 4 0.518518 0.64912 0.087156
5 0.01000000 6 0.444444 0.61404 0.083620
6 0.01000000 10 0.333333 0.59649 0.081984
```
可以看到,复杂度参数为 0.22222222 时误差最小。我们可以使用 `prune` 函数来对决策树进行剪枝:
```R
wine.c45.pruned <- prune(wine.c45, cp = 0.22222222)
```
我们可以使用 `prp` 函数来绘制剪枝后的决策树:
```R
prp(wine.c45.pruned)
```
绘制出来的决策树如下所示:
![C4.5-pruned-decision-tree](https://i.imgur.com/Gp6u4Jr.png)
可以看到,剪枝后的决策树比原来的决策树简单,但是误差仍然较小。
最后,我们可以使用测试集来评估决策树的性能。我们可以使用 `predict` 函数来进行预测,并使用 `table` 函数来计算分类的准确性:
```R
wine.id3.pred <- predict(wine.id3, wine.test, type = "class")
table(wine.id3.pred, wine.test$Class)
wine.c45.pred <- predict(wine.c45, wine.test, type = "class")
table(wine.c45.pred, wine.test$Class)
```
输出结果如下所示:
```
true
wine.id3.pred class_1 class_2 class_3
class_1 9 0 0
class_2 5 13 2
class_3 0 0 10
true
wine.c45.pred class_1 class_2 class_3
class_1 9 0 0
class_2 4 13 2
class_3 1 0 10
```
可以看到,ID3 算法和 C4.5 算法都可以对 wine 数据集进行有效的分类,但是 C4.5 算法得到的决策树更加复杂,需要更多的计算资源。剪枝可以防止过度拟合,提高模型的泛化能力。
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