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从决策树基础到熵与信息增益

news 2025/8/20 22:00:06

在机器学习的分类任务中，决策树是最直观、最易理解的算法之一。它像一棵 “判断树”，通过层层分支的决策逻辑，将复杂的分类问题拆解为简单的是非判断。而支撑这棵 “树” 生长的核心，正是熵（Entropy）与信息增益（Information Gain）—— 前者衡量数据的 “混乱程度”，后者决定分支的 “最优方向”。今天，我们就结合 PPT 中的经典案例，从基础概念到实战计算，完整拆解决策树的核心原理。

一、决策树的基本结构：先搞懂 “树的语言”

在学习熵与信息增益前，我们需要先明确决策树的核心组成。以 PPT 中 “是否参加聚会” 的决策流程为例，一棵完整的决策树包含三类关键节点，它们的分工清晰且明确：

1. 根节点：决策的 “起点”

根节点是整个决策树的入口，也是第一个需要判断的核心问题。在 “是否参加聚会” 的案例中，“有没有聚会？” 就是根节点—— 它是所有后续决策的起点，没有父节点，直接开启整个判断流程。

2. 非叶子节点与分支：决策的 “中间站”

非叶子节点是决策的 “中间判断步骤”，它们会根据某个特征（如 “有没有作业要交”“是否懒惰在家”）产生分支。例如 PPT 中的 “有没有作业要交”“懒惰在家？”，就是典型的非叶子节点；而连接这些节点的 “= 是”“= 否”“= 紧急” 等判定条件，就是分支。
这些节点的作用是 “逐步缩小范围”：通过一次又一次的特征判断，将原本混乱的数据集拆分成更 “纯粹” 的子集，为最终的结果铺路。

3. 叶子节点：决策的 “终点”

叶子节点是决策的最终结果，也是分类任务的 “答案”。在案例中，“聚会”“去酒吧”“学习（紧急分支）”“看电视” 等结果，都属于叶子节点 —— 它们没有子节点，代表着一次决策的完整结束。
叶子节点的 “纯度” 是决策树的核心追求：叶子节点越纯粹（比如某个叶子节点下全是 “学习” 的结果），说明决策逻辑越精准，分类效果越好。

二、熵（Entropy）：衡量数据 “混乱度” 的标尺

搞懂了决策树的结构，我们就要思考：如何判断一个节点的 “纯度”？如何知道哪个特征分支能让数据更 “有序”？这就需要引入 “熵” 的概念 —— 它是信息论中衡量随机变量不确定性（混乱度）的指标。

1. 熵的定义：混乱度越高，熵值越大

熵的公：
H(X)=−∑i=1npi⋅log(pi)

H(X)：随机变量 X 的熵（混乱度）；
n：随机变量 X 的类别数量（比如 “学习 / 休闲” 就是 2 类）；
pi：第 i 类在数据集中的占比（如 “学习” 天数占总天数的比例）；
log：通常以 2 为底（信息论常用），也可用自然对数，核心逻辑一致。

核心规律：

当数据完全 “纯粹”（某一类占比 100%）时，熵 = 0（比如 10 天全是 “学习”，没有 “休闲”，不确定性为 0）；
当数据完全 “混乱”（各类占比均衡）时，熵最大（比如 10 天中 5 天 “学习”、5 天 “休闲”，熵 = 1，不确定性最高）。

2. 实战计算：以 14 天打球数据为例

PPT 中常以 “14 天是否打球” 的数据集讲解熵的计算，我们就以此为案例，一步步拆解计算过程：

步骤 1：统计类别数量

先逐行统计 14 天中 “打球（TRUE）” 和 “不打球（FALSE）” 的天数：

打球（TRUE）：6 天；
不打球（FALSE）：14-6=8 天。

步骤 2：计算各类别占比pi

占比 = 类别数量 / 总数量（14 天），因此：

打球占比p1=6/14≈0.4286；
不打球占比p2=8/14≈0.5714。

步骤 3：代入公式计算熵

先计算每一项pi⋅log2(pi)，再求和取反：

第一项：0.4286×log2(0.4286)≈0.4286×(−1.222)≈−0.524；
第二项：0.5714×log2(0.5714)≈0.5714×(−0.792)≈−0.453；
求和：−0.524+(−0.453)=−0.977；
取反（公式中的负号）：H(D)=−(−0.977)≈0.977。

最终，14 天打球数据的熵约为 0.977，说明数据存在一定的混乱度（既不是全打球，也不是全不打球），需要通过分支进一步降低不确定性。

三、信息增益（Information Gain）：找到 “最优分支” 的关键

知道了如何衡量混乱度，接下来的问题是：面对多个特征（如 “是否有作业”“天气如何”），该选哪个特征作为分支依据？答案就是 “信息增益”—— 它衡量的是 “某个特征分支后，数据混乱度降低的程度”，信息增益越大，说明这个特征的 “分类能力越强”。

1. 信息增益的定义：混乱度的 “下降值”

信息增益的公式同样简洁，PPT 中明确为：
IG(D,a)=H(D)−H(D∣a)

IG(D,a)：特征 a 对数据集 D 的信息增益；
H(D)：数据集 D 的 “经验熵”（分支前的混乱度）；
H(D∣a)：数据集 D 按特征 a 分支后的 “条件熵”（分支后的平均混乱度）。

核心逻辑：信息增益 =“分支前的混乱度” - “分支后的平均混乱度”。差值越大，说明分支后数据的不确定性降低越多，这个特征就越适合作为当前节点的分支依据。

2. 实战计算：以 “是否有作业” 特征为例

我们继续用 “14 天打球数据”，假设新增 “是否有作业” 的特征，计算该特征的信息增益，判断它是否适合作为分支：

步骤 1：计算分支前的经验熵H(D)

根据前文计算，14 天打球数据的经验熵H(D)≈0.977（分支前的混乱度）。

步骤 2：按 “是否有作业” 分支，统计子集数据

将 14 天按 “有作业”“无作业” 拆分为两个子集D1和D2：

子集D1（有作业）：共 4 天，其中 “学习（不打球）”3 天，“休闲（打球）”1 天；
子集D2（无作业）：共 10 天，其中 “学习（不打球）”2 天，“休闲（打球）”8 天。

步骤 3：计算每个子集的熵H(D1)和H(D2)

计算H(D1)（有作业子集）：
p1=3/4=0.75（不打球），p2=1/4=0.25（打球）；
H(D1)=−[0.75×log2(0.75)+0.25×log2(0.25)]≈−[0.75×(−0.415)+0.25×(−2)]≈0.811。
计算H(D2)（无作业子集）：
p1=2/10=0.2（不打球），p2=8/10=0.8（打球）；
H(D2)=−[0.2×log2(0.2)+0.8×log2(0.8)]≈−[0.2×(−2.322)+0.8×(−0.322)]≈0.722。