用C语言实现随机森林算法

时间: 2023-10-23 20:12:06 浏览: 340
随机森林是一种集成学习的方法,其本质是基于多个决策树的集成算法。在随机森林中,每个决策树都是由随机选取的样本和随机选取的特征组成。以下是用C语言实现随机森林算法的基本步骤: 1. 导入数据集:将数据集读入到程序中。 2. 随机选取样本和特征:从数据集中随机选取一部分样本和特征,用于构建每个决策树。 3. 构建决策树:根据选取的样本和特征,构建一棵决策树。 4. 重复步骤2-3:重复步骤2-3,构建多棵决策树。 5. 预测:对于新的样本,将其输入所有构建的决策树中,最终的预测结果为所有决策树的预测结果的平均值或多数表决。 以下是一个简单的用C语言实现随机森林算法的例子: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <math.h> #define MAX_FEATURES 20 #define MAX_SAMPLES 1000 #define MAX_TREES 100 typedef struct { double feature[MAX_FEATURES]; int label; } Sample; typedef struct { int feature_index; double threshold; } Split; typedef struct Node { Split split; struct Node* left_child; struct Node* right_child; int label; } Node; typedef struct { Node* root; } Tree; typedef struct { Tree trees[MAX_TREES]; int num_trees; } RandomForest; Sample samples[MAX_SAMPLES]; int num_samples; int num_features; int num_classes; int get_majority_class(Sample* samples, int num_samples) { int class_counts[num_classes]; for (int i = 0; i < num_classes; i++) { class_counts[i] = 0; } for (int i = 0; i < num_samples; i++) { class_counts[samples[i].label]++; } int majority_class = 0; int max_count = 0; for (int i = 0; i < num_classes; i++) { if (class_counts[i] > max_count) { majority_class = i; max_count = class_counts[i]; } } return majority_class; } double get_gini_index(Sample* samples, int num_samples) { int class_counts[num_classes]; for (int i = 0; i < num_classes; i++) { class_counts[i] = 0; } for (int i = 0; i < num_samples; i++) { class_counts[samples[i].label]++; } double gini_index = 1.0; for (int i = 0; i < num_classes; i++) { double p_i = (double) class_counts[i] / num_samples; gini_index -= p_i * p_i; } return gini_index; } Split get_best_split(Sample* samples, int num_samples, int* selected_features, int num_selected_features) { double min_gini_index = INFINITY; Split best_split; for (int i = 0; i < num_selected_features; i++) { int feature_index = selected_features[i]; double feature_values[num_samples]; for (int j = 0; j < num_samples; j++) { feature_values[j] = samples[j].feature[feature_index]; } for (int j = 0; j < num_samples - 1; j++) { for (int k = j + 1; k < num_samples; k++) { if (feature_values[j] > feature_values[k]) { double temp = feature_values[j]; feature_values[j] = feature_values[k]; feature_values[k] = temp; } } } for (int j = 0; j < num_samples - 1; j++) { double threshold = (feature_values[j] + feature_values[j + 1]) / 2.0; Sample left_samples[num_samples]; Sample right_samples[num_samples]; int num_left_samples = 0; int num_right_samples = 0; for (int k = 0; k < num_samples; k++) { if (samples[k].feature[feature_index] <= threshold) { left_samples[num_left_samples++] = samples[k]; } else { right_samples[num_right_samples++] = samples[k]; } } double gini_index = ((double) num_left_samples / num_samples) * get_gini_index(left_samples, num_left_samples) + ((double) num_right_samples / num_samples) * get_gini_index(right_samples, num_right_samples); if (gini_index < min_gini_index) { min_gini_index = gini_index; best_split.feature_index = feature_index; best_split.threshold = threshold; } } } return best_split; } Node* build_decision_tree(Sample* samples, int num_samples, int* selected_features, int num_selected_features) { Node* node = (Node*) malloc(sizeof(Node)); if (num_samples == 0) { node->label = get_majority_class(samples, num_samples); return node; } int num_classes_in_node = 0; int classes_in_node[num_classes]; for (int i = 0; i < num_classes; i++) { classes_in_node[i] = 0; } for (int i = 0; i < num_samples; i++) { if (classes_in_node[samples[i].label] == 0) { num_classes_in_node++; } classes_in_node[samples[i].label]++; } if (num_classes_in_node == 1) { node->label = samples[0].label; return node; } if (num_selected_features == 0) { node->label = get_majority_class(samples, num_samples); return node; } Split split = get_best_split(samples, num_samples, selected_features, num_selected_features); node->split = split; Sample left_samples[num_samples]; Sample right_samples[num_samples]; int num_left_samples = 0; int num_right_samples = 0; for (int i = 0; i < num_samples; i++) { if (samples[i].feature[split.feature_index] <= split.threshold) { left_samples[num_left_samples++] = samples[i]; } else { right_samples[num_right_samples++] = samples[i]; } } int new_selected_features[num_selected_features - 1]; int new_num_selected_features = 0; for (int i = 0; i < num_selected_features; i++) { if (selected_features[i] != split.feature_index) { new_selected_features[new_num_selected_features++] = selected_features[i]; } } node->left_child = build_decision_tree(left_samples, num_left_samples, new_selected_features, new_num_selected_features); node->right_child = build_decision_tree(right_samples, num_right_samples, new_selected_features, new_num_selected_features); return node; } void train_random_forest(RandomForest* random_forest, int num_trees, int num_selected_features) { int selected_features[num_features]; for (int i = 0; i < num_features; i++) { selected_features[i] = i; } for (int i = 0; i < num_trees; i++) { int selected_samples[num_samples]; for (int j = 0; j < num_samples; j++) { selected_samples[j] = rand() % num_samples; } Sample selected_samples_array[num_samples]; for (int j = 0; j < num_samples; j++) { selected_samples_array[j] = samples[selected_samples[j]]; } int selected_features_array[num_features]; for (int j = 0; j < num_features; j++) { selected_features_array[j] = selected_features[rand() % num_features]; } random_forest->trees[i].root = build_decision_tree(selected_samples_array, num_samples, selected_features_array, num_selected_features); } random_forest->num_trees = num_trees; } int predict_random_forest(RandomForest* random_forest, Sample sample) { int class_counts[num_classes]; for (int i = 0; i < num_classes; i++) { class_counts[i] = 0; } for (int i = 0; i < random_forest->num_trees; i++) { Node* node = random_forest->trees[i].root; while (node->left_child != NULL && node->right_child != NULL) { if (sample.feature[node->split.feature_index] <= node->split.threshold) { node = node->left_child; } else { node = node->right_child; } } class_counts[node->label]++; } int majority_class = 0; int max_count = 0; for (int i = 0; i < num_classes; i++) { if (class_counts[i] > max_count) { majority_class = i; max_count = class_counts[i]; } } return majority_class; } int main() { // 读入数据集 // ... // 设置参数 num_features = 10; num_classes = 2; num_samples = 100; // 训练随机森林 int num_trees = 50; int num_selected_features = 3; RandomForest random_forest; train_random_forest(&random_forest, num_trees, num_selected_features); // 预测 Sample sample; // ... int predicted_class = predict_random_forest(&random_forest, sample); return 0; } ``` 以上代码仅为示例,实际应用中还需要进行参数调优、交叉验证等操作,以提高模型的性能。
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