用python写决策树算法

时间: 2023-09-30 12:03:41 浏览: 15
决策树算法是一种非常常用的机器学习算法,可以用于分类和回归问题。下面是一个用Python语言实现决策树算法的示例代码。 首先,我们需要定义一个节点类,用于存储决策树的节点信息。 ```python class Node: def __init__(self, feature=None, threshold=None, left=None, right=None, value=None): self.feature = feature self.threshold = threshold self.left = left self.right = right self.value = value ``` 其中,feature表示该节点选择的特征,threshold表示该特征的阈值,left和right分别表示该节点的左右子树,value表示该节点的值(用于叶子节点)。 然后,我们需要定义一个决策树类,用于实现决策树算法。 ```python class DecisionTree: def __init__(self, max_depth=None): self.max_depth = max_depth self.root = None def fit(self, X, y): self.root = self._build_tree(X, y) def predict(self, X): return [self._predict(inputs) for inputs in X] def _build_tree(self, X, y, depth=0): n_samples, n_features = X.shape n_labels = len(set(y)) if (self.max_depth is not None and depth >= self.max_depth) or n_labels == 1 or n_samples < 2: leaf_value = self._majority_vote(y) return Node(value=leaf_value) feature_indices = np.random.choice(n_features, int(np.sqrt(n_features)), replace=False) best_feature, best_threshold = self._best_criteria(X, y, feature_indices) left_indices, right_indices = self._split(X[:, best_feature], best_threshold) left = self._build_tree(X[left_indices, :], y[left_indices], depth+1) right = self._build_tree(X[right_indices, :], y[right_indices], depth+1) return Node(best_feature, best_threshold, left, right) def _best_criteria(self, X, y, feature_indices): best_gain = -1 split_idx, split_threshold = None, None for feature_index in feature_indices: X_column = X[:, feature_index] thresholds = np.unique(X_column) for threshold in thresholds: gain = self._information_gain(y, X_column, threshold) if gain > best_gain: best_gain = gain split_idx = feature_index split_threshold = threshold return split_idx, split_threshold def _split(self, X_column, threshold): left = np.argwhere(X_column <= threshold).flatten() right = np.argwhere(X_column > threshold).flatten() return left, right def _information_gain(self, y, X_column, split_threshold): parent_entropy = self._entropy(y) left_indices, right_indices = self._split(X_column, split_threshold) if len(left_indices) == 0 or len(right_indices) == 0: return 0 n = len(y) n_l, n_r = len(left_indices), len(right_indices) e_l, e_r = self._entropy(y[left_indices]), self._entropy(y[right_indices]) child_entropy = (n_l / n) * e_l + (n_r / n) * e_r ig = parent_entropy - child_entropy return ig def _entropy(self, y): hist = np.bincount(y) ps = hist / np.sum(hist) return -np.sum([p * np.log2(p) for p in ps if p > 0]) def _majority_vote(self, y): most_common = np.bincount(y).argmax() return most_common def _predict(self, inputs): node = self.root while node.left: if inputs[node.feature] <= node.threshold: node = node.left else: node = node.right return node.value ``` 其中,fit方法用于训练决策树,predict方法用于预测,_build_tree方法用于构建决策树。_best_criteria方法用于计算最佳分裂特征和阈值,_split方法用于根据特征和阈值分裂数据集,_information_gain方法用于计算信息增益,_entropy方法用于计算熵,_majority_vote方法用于计算叶子节点的值,_predict方法用于预测输入数据的类别。 最后,我们可以使用上述代码来训练和预测数据。 ```python import numpy as np from sklearn.datasets import load_iris iris = load_iris() X, y = iris.data, iris.target model = DecisionTree(max_depth=4) model.fit(X, y) y_pred = model.predict(X) accuracy = np.mean(y_pred == y) print("Accuracy:", accuracy) ```

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可以使用Python的scikit-learn库来实现决策树算法。 首先,需要导入库和数据集: python from sklearn import datasets from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier from sklearn.model_selection import train_test_split # 加载数据集 iris = datasets.load_iris() X = iris.data y = iris.target # 将数据集分为训练集和测试集 X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=1) 接着,实例化决策树分类器: python # 实例化决策树分类器 clf = DecisionTreeClassifier(random_state=1) 然后,训练模型并进行预测: python # 训练模型 clf.fit(X_train, y_train) # 进行预测 y_pred = clf.predict(X_test) 最后,可以使用模型评估指标来评估模型的性能: python from sklearn.metrics import accuracy_score, confusion_matrix # 计算准确率 accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred) print("Accuracy:", accuracy) # 计算混淆矩阵 confusion_mat = confusion_matrix(y_test, y_pred) print("Confusion Matrix:\n", confusion_mat) 完整的代码如下: python from sklearn import datasets from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier from sklearn.model_selection import train_test_split from sklearn.metrics import accuracy_score, confusion_matrix # 加载数据集 iris = datasets.load_iris() X = iris.data y = iris.target # 将数据集分为训练集和测试集 X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=1) # 实例化决策树分类器 clf = DecisionTreeClassifier(random_state=1) # 训练模型 clf.fit(X_train, y_train) # 进行预测 y_pred = clf.predict(X_test) # 计算准确率 accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred) print("Accuracy:", accuracy) # 计算混淆矩阵 confusion_mat = confusion_matrix(y_test, y_pred) print("Confusion Matrix:\n", confusion_mat)
好的,以下是用Python实现决策树算法的基本步骤: 1. 准备数据集:构建一个包含目标变量和自变量的数据集。 2. 划分数据集:根据某些规则将数据集划分成更小的子集,直到所有的数据都属于同一类别。 3. 计算熵:计算划分后的子集的熵,根据信息增益选择最优的划分特征。 4. 递归构建决策树:根据选择的最优特征递归构建决策树,直到所有的数据都属于同一类别或者达到预设的树的深度。 5. 预测新数据:使用构建好的决策树预测新数据的类别。 代码实现: import math def create_dataset(): dataset = [[1, 1, 'yes'], [1, 1, 'yes'], [1, 0, 'no'], [0, 1, 'no'], [0, 1, 'no']] labels = ['no surfacing', 'flippers'] return dataset, labels def calc_shannon_ent(dataset): num_entries = len(dataset) label_counts = {} for feat_vec in dataset: current_label = feat_vec[-1] if current_label not in label_counts.keys(): label_counts[current_label] = 0 label_counts[current_label] += 1 shannon_ent = 0.0 for key in label_counts: prob = float(label_counts[key])/num_entries shannon_ent -= prob * math.log(prob, 2) return shannon_ent def split_dataset(dataset, axis, value): ret_dataset = [] for feat_vec in dataset: if feat_vec[axis] == value: reduced_feat_vec = feat_vec[:axis] reduced_feat_vec.extend(feat_vec[axis+1:]) ret_dataset.append(reduced_feat_vec) return ret_dataset def choose_best_feature_to_split(dataset): num_features = len(dataset[0]) - 1 base_entropy = calc_shannon_ent(dataset) best_info_gain = 0.0 best_feature = -1 for i in range(num_features): feat_list = [example[i] for example in dataset] unique_vals = set(feat_list) new_entropy = 0.0 for value in unique_vals: sub_dataset = split_dataset(dataset, i, value) prob = len(sub_dataset)/float(len(dataset)) new_entropy += prob * calc_shannon_ent(sub_dataset) info_gain = base_entropy - new_entropy if (info_gain > best_info_gain): best_info_gain = info_gain best_feature = i return best_feature def majority_cnt(class_list): class_count = {} for vote in class_list: if vote not in class_count.keys(): class_count[vote] = 0 class_count[vote] += 1 sorted_class_count = sorted(class_count.items(), key=lambda x:x[1], reverse=True) return sorted_class_count[0][0] def create_tree(dataset, labels): class_list = [example[-1] for example in dataset] if class_list.count(class_list[0]) == len(class_list): return class_list[0] if len(dataset[0]) == 1: return majority_cnt(class_list) best_feat = choose_best_feature_to_split(dataset) best_feat_label = labels[best_feat] my_tree = {best_feat_label:{}} del(labels[best_feat]) feat_values = [example[best_feat] for example in dataset] unique_vals = set(feat_values) for value in unique_vals: sub_labels = labels[:] my_tree[best_feat_label][value] = create_tree(split_dataset(dataset, best_feat, value), sub_labels) return my_tree def classify(input_tree, feat_labels, test_vec): first_str = list(input_tree.keys())[0] second_dict = input_tree[first_str] feat_index = feat_labels.index(first_str) key = test_vec[feat_index] value_of_feat = second_dict[key] if isinstance(value_of_feat, dict): class_label = classify(value_of_feat, feat_labels, test_vec) else: class_label = value_of_feat return class_label if __name__ == '__main__': dataset, labels = create_dataset() my_tree = create_tree(dataset, labels) print(my_tree) print(classify(my_tree, labels, [1, 1])) 以上就是基本的决策树算法的Python实现,代码中的 create_dataset 函数用于创建数据集,calc_shannon_ent 函数用于计算熵,split_dataset 函数用于划分数据集,choose_best_feature_to_split 函数用于选择最优的划分特征,create_tree 函数用于构建决策树,classify 函数用于预测新数据的类别。
在Python中,有多种可用的决策树算法。其中一种常用的算法是基于ID3(Iterative Dichotomiser 3)的决策树算法。该算法通过选择最大信息增益的特征来进行节点划分。另一种常用的算法是CART(Classification and Regression Trees),它使用基尼系数或均方差来进行节点划分。 决策树算法可以应用于分类问题和回归问题。对于分类问题,决策树算法可以根据特征将数据集划分为不同的类别。对于回归问题,决策树算法可以根据特征预测数值型的输出。 下面是一个使用Python中的决策树算法构建决策树的示例代码: python from sklearn import tree # 创建特征矩阵 X = [[0, 0], [1, 1]] # 创建目标向量 y = [0, 1] # 创建决策树分类器 clf = tree.DecisionTreeClassifier() # 使用训练数据拟合分类器模型 clf = clf.fit(X, y) # 进行预测 prediction = clf.predict([[2., 2.]]) 这段代码使用了scikit-learn库中的决策树分类器。首先,我们创建了一个特征矩阵X和一个目标向量y作为训练数据。然后,我们创建了一个决策树分类器clf,并使用训练数据拟合分类器模型。最后,我们使用训练好的模型进行预测。 决策树算法的优缺点如下所示: 优点: - 算法具有可解释性,可以生成可视化的决策树模型。 - 可以处理数值型和类别型的数据。 - 对缺失值和异常值具有较好的鲁棒性。 - 算法学习过程中不需要用户了解过多的背景知识。 缺点: - 容易过拟合,特别是在处理复杂数据集时。 - 对于连续型特征,可能会产生过多的分裂点,导致决策树过于复杂。 - 对于不平衡的数据集,可能会导致决策树出现偏差。 希望这些信息能够帮助到您!
好的,下面是用 Python 实现 ID3 决策树算法的代码示例: python import math from collections import Counter def find_entropy(data): """ 计算数据集的信息熵 """ # 统计数据集中每个类别的样本数 class_counts = Counter(data["label"]) # 计算每个类别样本数占总数的比例 class_probs = [class_count / len(data["label"]) for class_count in class_counts.values()] # 计算信息熵 entropy = sum([-class_prob * math.log(class_prob, 2) for class_prob in class_probs]) return entropy def find_best_split(data, features): """ 找到最佳分裂特征和特征值 """ # 计算数据集的信息熵 entropy = find_entropy(data) # 初始化最佳分裂特征和特征值 best_feature, best_value = None, None # 初始化最小信息增益 min_info_gain = float("inf") # 遍历每个特征 for feature in features: # 找到该特征的所有取值 values = set(data[feature]) # 遍历每个取值 for value in values: # 将数据集分成两部分 left_data = data[data[feature] == value] right_data = data[data[feature] != value] # 如果分裂后的数据集不为空 if len(left_data) > 0 and len(right_data) > 0: # 计算分裂后的信息熵 left_entropy = find_entropy(left_data) right_entropy = find_entropy(right_data) split_entropy = (len(left_data) / len(data)) * left_entropy + (len(right_data) / len(data)) * right_entropy # 计算信息增益 info_gain = entropy - split_entropy # 如果信息增益更大,则更新最佳分裂特征和特征值 if info_gain < min_info_gain: best_feature, best_value = feature, value min_info_gain = info_gain # 返回最佳分裂特征和特征值 return best_feature, best_value def build_tree(data, features): """ 构建决策树 """ # 如果数据集为空,则返回 None if len(data) == 0: return None # 如果数据集中所有样本都属于同一类别,则返回该类别 if len(set(data["label"])) == 1: return data["label"].iloc[0] # 如果没有可用特征,则返回数据集中样本数最多的类别 if len(features) == 0: return Counter(data["label"]).most_common(1)[0][0] # 找到最佳分裂特征和特征值 best_feature, best_value = find_best_split(data, features) # 如果信息增益小于等于 0,则返回数据集中样本数最多的类别 if best_feature is None or best_value is None: return Counter(data["label"]).most_common(1)[0][0] # 创建节点 node = {"feature": best_feature, "value": best_value, "left": None, "right": None} # 将数据集分成两部分 left_data = data[data[best_feature] == best_value] right_data = data[data[best_feature] != best_value] # 递归构建左子树和右子树 node["left"] = build_tree(left_data, [feature for feature in features if feature != best_feature]) node["right"] = build_tree(right_data, [feature for feature in features if feature != best_feature]) # 返回节点 return node 该代码实现了 ID3 决策树算法,其中 find_entropy 函数用于计算数据集的信息熵,find_best_split 函数用于找到最佳分裂特征和特征值,build_tree 函数用于构建决策树。
决策树是一种常用的分类和回归方法。下面是一个使用Python实现的决策树算法案例: def createTree(dataSet, r, usedX=[]): if len(dataSet) == 0: return {} tree = {} numEachClass = CountEachClass(dataSet) c = numEachClass.index(max(numEachClass)) tree['class'] = c mx, mg = getMaxGain(dataSet, usedX) print("max gain:", mg) if len(usedX) == len(X) or numEachClass[c] == len(dataSet) or mg < r: tree['factureX'] = -1 return tree else: tree['factureX'] = mx subDataSet = splitData(dataSet, mx) for xiv in range(len(X[mx])): xivDataSet = subDataSet[xiv] newusedX = usedX.copy() newusedX.append(mx) tree[xiv] = createTree(xivDataSet, r, newusedX) return tree 这个案例定义了一个递归构建决策树的函数createTree。函数根据给定的数据集、阈值r和已使用的特征列表usedX,构建一个决策树的字典结构。函数首先检查数据集是否为空,如果为空则返回一个空树。然后计算数据集中每个类别的数量,并找出数量最多的类别作为当前根节点的类别。接下来,函数计算当前数据集中每个特征的信息增益,并选择信息增益最大的特征作为划分子树集的依据。如果已经使用了所有特征、当前数据集中只有一种类别或者信息增益小于阈值r,则当前节点为叶节点,不再继续分支。否则,函数根据选择的特征将数据集划分为不同的子集,并递归调用自身构建子树。最后,函数返回构建好的决策树。 这个案例是一个简化的决策树算法实现,具体的数据处理和计算函数CountEachClass、getMaxGain和splitData在代码中未给出,你可以根据具体的需求自行实现或使用其他库进行实现。此外,你也可以参考《统计学习方法》一书中关于决策树的相关内容了解更多细节。
好的,下面是用Python实现的决策树算法,以ID3算法为例: python import numpy as np from collections import Counter class ID3DecisionTree: def __init__(self, max_depth=None): self.max_depth = max_depth def fit(self, X, y): self.n_features_ = X.shape[1] self.tree_ = self._grow_tree(X, y) def predict(self, X): return [self._predict(inputs) for inputs in X] def _predict(self, inputs): node = self.tree_ while node.is_leaf_node() == False: if inputs[node.feature_] <= node.threshold_: node = node.left_ else: node = node.right_ return node.value_ def _grow_tree(self, X, y, depth=0): num_samples_per_class = [np.sum(y == i) for i in range(len(set(y)))] predicted_class = np.argmax(num_samples_per_class) node = Node(predicted_class=predicted_class) if depth < self.max_depth: feature, threshold = self._best_split(X, y) if feature is not None: indices_left = X[:, feature] <= threshold X_left, y_left = X[indices_left], y[indices_left] X_right, y_right = X[~indices_left], y[~indices_left] node = Node(feature=feature, threshold=threshold) node.left_ = self._grow_tree(X_left, y_left, depth+1) node.right_ = self._grow_tree(X_right, y_right, depth+1) return node def _best_split(self, X, y): best_gain = -1 split_feature, threshold = None, None n_samples, n_features = X.shape entropy_parent = self._entropy(y) for feature in range(n_features): thresholds = np.unique(X[:, feature]) for threshold in thresholds: gain = self._information_gain(X, y, feature, threshold, entropy_parent) if gain > best_gain: best_gain = gain split_feature = feature split_threshold = threshold return split_feature, split_threshold def _information_gain(self, X, y, split_feature, split_threshold, entropy_parent): indices_left = X[:, split_feature] <= split_threshold y_left, y_right = y[indices_left], y[~indices_left] entropy_left = self._entropy(y_left) entropy_right = self._entropy(y_right) n_total = len(y_left) + len(y_right) weight_left, weight_right = len(y_left) / n_total, len(y_right) / n_total information_gain = entropy_parent - (weight_left*entropy_left + weight_right*entropy_right) return information_gain def _entropy(self, y): _, counts = np.unique(y, return_counts=True) probabilities = counts / np.sum(counts) entropy = np.sum(probabilities * -np.log2(probabilities)) return entropy class Node: def __init__(self, feature=None, threshold=None, predicted_class=None): self.feature_ = feature self.threshold_ = threshold self.predicted_class_ = predicted_class self.left_ = None self.right_ = None def is_leaf_node(self): return self.predicted_class_ is not None @property def value_(self): return self.predicted_class_ 以上代码中,首先定义了一个ID3DecisionTree类,初始化时可以传入最大深度。fit方法用于训练模型,传入训练数据集X和标签y。predict方法用于预测,传入测试数据集X,返回预测结果。_grow_tree方法用于生长决策树,传入当前节点的数据集X和标签y,以及当前树的深度depth。_predict方法用于对于单个样本进行预测。_best_split方法用于找到最佳分裂特征和阈值。_information_gain方法用于计算信息增益。_entropy方法用于计算熵。Node类用于表示决策树的节点,其中包含属性feature_、threshold_、predicted_class_、left_和right_,分别表示特征、阈值、预测类别、左子树和右子树。

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