ID3 决策树的原理、构造及可视化（附完整源代码）(id3决策树伪代码)

ID3 决策树的原理、构造及可视化（附完整源代码）

目录

一、本文的问题定义和（决策树中）信息熵的回顾

① 本文的问题定义

②（决策树中）信息熵的回顾

二、ID3 决策树的原理及构造

三、ID3 决策树的可视化源码（含构造过程）

四、ID3 决策树可视化的效果及测试结果

① ID3 决策树可视化的效果

② ID3 决策树的文本化结果和用例的测试结果

五、ID3 算法的优缺点

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说明：

1、第一节至第三节来源于《机器学习及应用》李克清 时允田主编一书，大约在 57 页的位置。

2、源代码部分是我根据书中原理并参考源码后，自己重写。其中，源代码中的变量的定义对应第二节介绍的原理部分的数学符号，以便于适合对应学习。源代码中的注释是根据自己的理解所写。

3、本文是自己的学习过程的记录，还望读者海涵。如果有幸对大家产生帮助，不胜感激。

一、本文的问题定义和（决策树中）信息熵的回顾① 本文的问题定义②（决策树中）信息熵的回顾

（决策树中的）信息熵和样本分类的信息熵计算源代码_白白净净吃了没病的博客-CSDN博客本文包含（决策树）中的信息熵和实现源码，以及极为详细的注释和说明https://angxiao.blog.csdn.net/article/details/127156554

二、ID3 决策树的原理及构造

本文不写任何复杂通用的公式，以书中的例子作为本文的例子，个人觉得能够更通俗易懂：

继续对其他属性逐个计算信息增益，直到不能划分为止。在这个过程，不断找到具有最大信息熵的特征，采用递归思想来构造子树，最终构造出 ID3 的分类决策树。

三、ID3 决策树的可视化源码（含构造过程）

① main.py

from math import log2# import treePlotter # 导入失败import help # 新建模块，然后导入class ID3Tree(object): def __init__(self, data, cols): self.all_data = data # 初始化数据集 self.all_cols = cols # 初始化数据集的各个列名（类别名） self.tree = {} # 初始化ID3决策树 def train(self): self.tree = self.make_tree(self.all_data, self.all_cols) def make_tree(self, data, cols): """ :param data: 数据集：可能是总集，也可能是子集 :param cols: 列名（特征名）：可能是全列名，也可能是当前数据集去掉最大信息熵特征后的列名集 :return:树 """ all_label_datas = [item[-1] for item in data] # 所有的标签对应的所有值 # 1、如果这个数据集的全部标签都是一样的，那么没有属性划分的必要，决策树就一个叶子节点（即拿这个标签直接作为决策） if all_label_datas.count(all_label_datas[0]) == len(all_label_datas): return all_label_datas[0] # 2、如果这个数据集中每条数据（默认每条数据的长度和格式都一样）没有任何属性，只有标签 # 我们看哪类标签出现的次数最多，直接拿它作为决策结果，这种情况决策树也就一个叶子结点 elif len(data[0]) == 1: # 初始化出现的次数 max_num = all_label_datas.count(all_label_datas[0]) # 初始化出现次数最多的标签 max_sort_data = all_label_datas[0] # set对原列表去重，但不改变原列表 for i in list(set(all_label_datas)): if all_label_datas.count(all_label_datas[i]) > max_num: max_num = all_label_datas.count(all_label_datas[i]) max_sort_data = i return max_sort_data # 3、正常情况，我们来构建决策树 # *** 选取信息熵最大的属性（特征）*** best_xns_feature_index = self.find_best_xns_feature(data) # 找到香农熵最大的特征的下标 best_feature_label = cols[best_xns_feature_index] # 找到香农熵最大的特征的名称 tree = {best_feature_label: {}} # 构造一个（新的）树结点,一个根节点，大括号是子树 del (cols[best_xns_feature_index]) # 删除数据集中香农熵最大的特征所在的列 # 抽取最大增益的特征对应的列的数据 best_xns_feature_values = [item[best_xns_feature_index] for item in data] for value in list(set(best_xns_feature_values)): # 此时的all_data是上次all_data去掉一列特征得到的 sub_cols = cols sub_data = self.construct_new_dataset(data, best_xns_feature_index, value) # 递归构造子树 tree[best_feature_label][value] = self.make_tree(sub_data, sub_cols) # 向子树中放入值 return tree def find_best_xns_feature(self, data): """ 计算各个特征的香农熵的大小，并返回香农熵最大的特征的下标 :return: 香农熵最大的特征的下标 """ data_num = len(data) # 数据集中样本的总数 feature_nums = len(data[0]) - 1 # 数据集中所有特征的数量，-1是因为数据中不止有特征，还有标签 I = self.calculate_xns(data) # 数据集（样本标签）的香农熵 best_xns_feature_value = 0 # 初始化香农熵最大的特征的值 best_xns_feature_index = -1 # 初始化香农熵最大的特征的下标 for i in range(feature_nums): feat_values = [number[i] for number in data] # 得到某个特征列（随机变量）下的所有值 feat_sorts = set(feat_values) # 去重，得到特征的所有无重复的取值 E = 0 # 初始化当前特征的信息熵 # 对当前特征下具有相同特征值的子集，根据正负样本算出信息熵，并乘以prob。在不同特征值下计算完后，进行加和，得到E for value in feat_sorts: sub_dataset = self.construct_new_dataset(data, i, value) # 得到i特征下，特征值为value的数据，去除特征i构成的集合 prob = len(sub_dataset) / float(data_num) # 特征i的值为value的数据所占的比例 E += prob * self.calculate_xns(sub_dataset) # 用 I 减去 E，得到当前特征的信息增益gain gain = I - E # 当前i特征的信息增益 # 保留最大的信息熵及其对应的特征索引 if gain > best_xns_feature_value: best_xns_feature_value = gain best_xns_feature_index = i return best_xns_feature_index # 返回最大信息增益的特征的下标 def construct_new_dataset(self, data, axis, value): """ 从数据集的某个特征中，选取值为某个特征值的数据，并去掉此特征，然后将这类数据构成新的数据集 比如，在性别这个特征中，把特征值是男的数据抽出来，然后把这些数据的性别列去掉，构成数据集 :param data:数据集 :param axis:数据集中某个特征在数据中的索引 :param value:此特征下的一个特征值 :return:数据集中特征值是给定特征值的数据构成的子集 """ remain_dataset = [] for item in data: # 数据集中的每条数据 if item[axis] == value: # 如果这条数据的特征等于给定的某个特征值时 # 把此条数据去掉这个特征列，重构此条数据 remain_data = item[:axis] remain_data.extend(item[axis + 1:]) remain_dataset.append(remain_data) # 将重构后的数据加入列表中 return remain_dataset def calculate_xns(self, data): """ 计算给定数据集的香农熵（信息熵） :return:数据集的香农熵 """ xns = 0.0 # 香农熵 data_num = len(data) # 样本集的总数，用于计算分类标签出现的概率 # 将数据集样本标签的特征值（分类值）放入列表 all_labels = [c[-1] for c in data] # c[-1]：即取数据集中的每条数据的标签：Yes 或 No # print(all_labels) # 得到 [Yes,No,No,...] 的结果 # 按标签的种类进行统计，Yes这一类几个；No这一类几个 every_label = {} # 以词典形式存储每个类别（键）及个数（值） for item in list(set(all_labels)): # 对每个类别计数，并放入词典, 其中set(all_labels) = [Yes,No] every_label[item] = all_labels.count(item) # 计算样本标签的香农熵，即数据集的香农熵 for item2 in every_label: prob = every_label[item2] / float(data_num) # 每个特征值出现的概率 xns -= prob * log2(prob) # xns是全局变量，这样就可以计算关于决策的要考虑的某个随机变量（如收入特征）的香农熵 return xnsif __name__ == "__main__": dataset = [['sunny', 'hot', 'high', 'weak', 'NO'], ['sunny', 'hot', 'high', 'strong', 'NO'], ['overcast', 'hot', 'high', 'weak', 'YES'], ['rain', 'mild', 'high', 'weak', 'YES'], ['rain', 'cool', 'normal', 'weak', 'YES'], ['rain', 'cool', 'normal', 'strong', 'NO'], ['overcast', 'cool', 'normal', 'strong', 'YES'], ['sunny', 'mild', 'high', 'weak', 'NO'], ['sunny', 'cool', 'normal', 'weak', 'YES'], ['rain', 'mild', 'normal', 'weak', 'YES'], ['sunny', 'mild', 'normal', 'strong', 'YES'], ['overcast', 'mild', 'high', 'strong', 'YES'], ['overcast', 'hot', 'normal', 'weak', 'YES'], ['rain', 'mild', 'high', 'strong', 'NO']] # 前四列的名字（特征列）分别为天气、温度、湿度、风速 labels = ['Outlook', 'Temp', 'Humidity', 'Windy'] id3 = ID3Tree(dataset, labels) # 实例化决策树对象 id3.train() print(id3.tree) # 输出决策树 # treeplotter.createPlot(id3.tree) # 因treePlotter不能直接导入，这里会报错 help.createPlot(id3.tree) # 可视化决策树 # 给定新一天的气象数据指标，根据决策树，来判断是否会去打球 def predict_play(tree, new_dic): """ 根据构造的决策树，对未知数据进行预测 :param tree: 决策树（根据已知数据构造的） :param new_dic: 一条待预测的数据 :return:返回叶子节点，也就是最终的决策 """ while type(tree).__name__ == "dict": key = list(tree.keys())[0] tree = tree[key][new_dic[key]] return tree # 输出决策结果 print(predict_play(id3.tree, {'Outlook': 'rain', 'Temp': 'mild', 'Humidity': 'high', 'Windy': 'weak'}))

② help.py 

由于 treePlotter这个模块一直导入失败，目前未知原因。因此使用并在 main.py 中导入以下这个模块，用于构建 ID3 决策树。

import matplotlib.pyplot as plt"""绘决策树的函数"""decisionNode = dict(boxstyle="sawtooth", fc="0.8") # 定义分支点的样式leafNode = dict(boxstyle="round4", fc="0.8") # 定义叶节点的样式arrow_args = dict(arrowstyle="<-") # 定义箭头标识样式# 计算树的叶子节点数量def getNumLeafs(myTree): numLeafs = 0 firstStr = list(myTree.keys())[0] secondDict = myTree[firstStr] for key in secondDict.keys(): if type(secondDict[key]).__name__ == 'dict': numLeafs += getNumLeafs(secondDict[key]) else: numLeafs += 1 return numLeafs# 计算树的最大深度def getTreeDepth(myTree): maxDepth = 0 firstStr = list(myTree.keys())[0] secondDict = myTree[firstStr] for key in secondDict.keys(): if type(secondDict[key]).__name__ == 'dict': thisDepth = 1 + getTreeDepth(secondDict[key]) else: thisDepth = 1 if thisDepth > maxDepth: maxDepth = thisDepth return maxDepth# 画出节点def plotNode(nodeTxt, centerPt, parentPt, nodeType): createPlot.ax1.annotate(nodeTxt, xy=parentPt, xycoords='axes fraction', xytext=centerPt, textcoords='axes fraction', va="center", ha="center", bbox=nodeType, arrowprops=arrow_args)# 标箭头上的文字def plotMidText(cntrPt, parentPt, txtString): lens = len(txtString) xMid = (parentPt[0] + cntrPt[0]) / 2.0 - lens * 0.002 yMid = (parentPt[1] + cntrPt[1]) / 2.0 createPlot.ax1.text(xMid, yMid, txtString)def plotTree(myTree, parentPt, nodeTxt): numLeafs = getNumLeafs(myTree) depth = getTreeDepth(myTree) firstStr = list(myTree.keys())[0] cntrPt = (plotTree.x0ff + \ (1.0 + float(numLeafs)) / 2.0 / plotTree.totalW, plotTree.y0ff) plotMidText(cntrPt, parentPt, nodeTxt) plotNode(firstStr, cntrPt, parentPt, decisionNode) secondDict = myTree[firstStr] plotTree.y0ff = plotTree.y0ff - 1.0 / plotTree.totalD for key in secondDict.keys(): if type(secondDict[key]).__name__ == 'dict': plotTree(secondDict[key], cntrPt, str(key)) else: plotTree.x0ff = plotTree.x0ff + 1.0 / plotTree.totalW plotNode(secondDict[key], (plotTree.x0ff, plotTree.y0ff), cntrPt, leafNode) plotMidText((plotTree.x0ff, plotTree.y0ff), cntrPt, str(key)) plotTree.y0ff = plotTree.y0ff + 1.0 / plotTree.totalDdef createPlot(inTree): fig = plt.figure(1, facecolor='white') fig.clf() axprops = dict(xticks=[], yticks=[]) createPlot.ax1 = plt.subplot(111, frameon=False, **axprops) plotTree.totalW = float(getNumLeafs(inTree)) plotTree.totalD = float(getTreeDepth(inTree)) plotTree.x0ff = -0.5 / plotTree.totalW plotTree.y0ff = 1.0 plotTree(inTree, (0.5, 1.0), '') plt.show()四、ID3 决策树可视化的效果及测试结果① ID3 决策树可视化的效果

② ID3 决策树的文本化结果和用例的测试结果

五、ID3 算法的优缺点

ID3 算法是决策树的经典构建算法，它根据信息增益来评估和选择特征进行划分，每次选择信息增益最大的特征作为判断的模块（即特征节点），可用于划分标称型数据集（即数据中没有缺省特征值的数据集），虽然 ID3 比较灵活方便，但是有以下几个缺点：

（1）采用信息增益进行分裂，缺少剪枝的过程，很可能会出现过拟合的问题。我们可以合并相邻的无法产生大量信息增益的叶子结点（如设置信息增益阈值）。

（2）信息增益和属性的值域范围成正比，也就是有些特征（属性）取值很多，ID3算法很大可能将其作为分裂属性，导致分裂的精确度可能没有采用信息增益率进行分裂高。

（3）不能处理连续分布的数据特征，只能通过将连续性数据转化为离散型数据来解决，也不能处理数据集中的缺省值。