决策树算法详解
一、引言
决策树是机器学习中一种常用的分类算法，其核心思想是通过对数据特征的逐步划分，构建一棵类似树状的决策模型，从而实现对数据类别的预测。本文将详细介绍决策树的几种主要算法（ID3、C4.5、CART）、连续值处理方法、剪枝策略以及代码实现相关内容。
二、决策树主要算法
（一）ID3 算法
ID3 算法以信息增益作为划分属性的选择依据。信息增益指的是某个属性带来的熵增，信息增益越大，意味着使用该属性进行划分所获得的 “纯度提升” 越大。
不过，ID3 算法存在一定局限性，其信息增益准则对可取值数目较多的属性有所偏好，例如在包含 “编号” 这类属性的数据集中，可能会将 “编号” 选为最优划分属性，而这在实际应用中往往没有意义。
如下表是一个用于判断是否出去玩的数据集，ID3 算法会基于各属性的信息增益来决定划分顺序：
| ID | 天气 | 温度 | 湿度 | 是否多云 | 是否出去玩 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 晴 | 高 | 高 | 是 | 是 |
| 2 | 阴 | 适中 | 高 | 是 | 否 |
| 3 | 雨 | 高 | 正常 | 否 | 否 |
| 4 | 雨 | 适中 | 正常 | 否 | 是 |
| 5 | 阴 | 高 | 高 | 是 | 是 |
| 6 | 晴 | 低 | 正常 | 否 | 是 |
| 7 | 阴 | 低 | 正常 | 是 | 是 |
（二）C4.5 算法
为了改进 ID3 算法对可取值数目较多的属性的偏好问题，C4.5 算法引入了信息增益率。信息增益率的计算方式为信息增益除以该属性自身的熵。
同样针对上述判断是否出去玩的数据集，C4.5 算法会通过计算信息增益率来选择更合适的划分属性，减少了对多取值属性的偏向。
（三）CART 算法
CART 算法使用基尼指数来衡量数据集的纯度。基尼指数 Gini (D) 反映了从数据集 D 中随机抽取两个样本，其类别标记不一致的概率。计算公式为\(Gini(D) = 1-\sum_{k=1}^{}P_k^2\)，其中\(P_k\)是数据集 D 中第 k 类样本所占的比例。\(P_k\)越大，Gini (D) 越小，数据集 D 的纯度越高。
三、连续值处理方法
在实际数据中，经常会遇到连续值特征，对于连续值的处理，通常采用贪婪算法来选取合适的分界点，具体步骤如下：
- 对连续值进行排序；
- 考虑所有可能的二分分界点，例如对于排序后的 60、70、75、85、90、95、100、120、125、220，可能有 9 个分界点；
- 选择最优的分界点进行划分，这一过程实际上就是 “离散化” 过程。如可以将 TaxIn 分割成 TaxIn<=80 和 TaxIn>80，或者 TaxIn<=97.5 和 TaxIn>97.5 等。
四、决策树剪枝策略
由于决策树过拟合风险很大，理论上可以完全分得开数据，因此需要进行剪枝操作。剪枝策略主要有预剪枝和后剪枝两种。
（一）预剪枝
预剪枝是边建立决策树边进行剪枝的操作，更加实用。其主要通过限制一些参数来实现剪枝，如限制树的深度、叶子节点个数、叶子节点样本数、信息增益量等。
（二）后剪枝
后剪枝是当建立完决策树后再进行剪枝操作。其衡量标准为：最终损失 = 自身的 GINI 系数值 +α× 叶子节点数量。其中，α 的大小会影响剪枝效果：
α 越大，越不容易过拟合，但结果可能没那么好；
α 越小，更注重结果的好坏，过拟合可能没那么重要。
例如在对瓜的好坏进行判断的决策树中，针对 “色泽 =?” 的分支，剪枝前验证集精度为 57.1%，剪枝后为 71.4%，因此选择剪枝；针对 “纹理 =?” 的分支，剪枝前验证集精度为 42.9%，剪枝后为 57.1%，也选择剪枝。
五、决策树代码实现
在 Python 中，可以使用DecisionTreeClassifier()来创建一个决策树模型，其主要参数如下：
criterion：可选择 gini（基尼系数）或者 entropy（信息熵）；
splitter：可选择 best（在所有特征中找最好的切分点）或者 random（在部分特征中找切分点）；
max_features：可设置为 None（使用所有特征）、log2、sqrt、N 等；
max_depth：int 或 None，可选（默认 None），用于设置决策树的最大深度，深度越大越容易过拟合，推荐在 5-20 之间。
六、课堂练习
使用决策树对泰坦尼克号幸存者进行预测，通过实际操作来加深对决策树算法的理解和应用。
综上所述，决策树算法通过不同的划分准则、连续值处理方法和剪枝策略，能够有效地处理分类问题，在实际应用中具有广泛的用途。