【决策树深度探索（二）】决策树入门：像人类一样决策，理解算法核心原理！-育师

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本章所属专栏:决策树深度探索系列

文章目录

- - 回顾与升级：决策树的“思考”方式
  - 核心决策流程：一步步拆解
  - - 1. 学习阶段：如何“学会”做决策？
    - 2. 预测阶段：如何“运用”所学知识？
  - 模型解读：读懂这棵“智慧之树”
  - 实践环节：用 Scikit-learn 构建与可视化你的决策树！
  - - 代码解读：
  - 结语与展望

回顾与升级：决策树的“思考”方式

你有没有发现，人类在做决策时，也常常遵循一种分层、有条件的逻辑？“如果今天不下雨，并且我心情好，那就去爬山；如果下雨，我就在家看书。”这不就是典型的决策树思维吗？

决策树算法正是受到了这种人类决策模式的启发。它不是简单地给出一个答案，而是通过一系列**“是/否”或“选择项”的问题**，逐步缩小范围，最终达到一个明确的结论。这让它成为一种非常直观且易于解释的机器学习模型。

让我们再次快速回顾一下决策树的“解剖结构”：

根节点 (Root Node)：决策树的起点，代表了整个数据集。从这里开始，算法会提出第一个最重要的“问题”。
内部节点 (Internal Node)：代表一个特征上的测试或判断。比如，“天气是晴朗吗？”或“温度高于25度吗？”。每个内部节点会根据测试结果引出不同的分支。
分支 (Branch)：代表测试结果的一个可能选项。比如，如果“天气是晴朗吗？”这个问题的答案是“是”，就走一个分支；如果答案是“否”，就走另一个分支。
叶节点 (Leaf Node)：决策树的终点，代表了最终的分类结果或预测值。当走到叶节点时，表示我们已经找到了答案。

这种层次化的结构，使得决策树的每一个决策路径都清晰可见，极大地提升了模型的可解释性。

核心决策流程：一步步拆解

决策树的“思考”过程可以分为两个核心阶段：学习阶段（训练）和预测阶段。

1. 学习阶段：如何“学会”做决策？

在学习阶段，决策树通过分析训练数据，自动构建出它的树形结构。这个过程通常是递归进行的：

从根节点开始：算法会检查所有可用的特征。
选择最佳划分特征：在每个节点，算法会评估哪个特征能最有效地将当前数据集分成更“纯净”的子集。在上一部分，我们了解到这是通过计算信息增益来实现的（也可以是Gini不纯度等其他指标）。选择带来最大信息增益的特征作为当前节点的划分标准。
创建分支：根据最佳特征的不同取值，为每个取值创建一个子节点和对应的分支。
递归构建子树：对于每个子节点，算法会用其对应的子数据集重复上述步骤。这个过程会一直持续下去，直到满足以下任一停止条件：
- 当前节点的数据集已经足够纯净（例如，所有样本都属于同一类别）。
- 没有更多特征可用于划分。
- 达到了预设的最大深度（max_depth）限制。
- 节点中的样本数量少于预设的最小样本数（min_samples_leaf）。

通过这种递归的“提问-分支”过程，决策树将复杂的数据集一步步分解成越来越纯净的小块，直到每个叶节点都代表一个清晰的分类结论。

2. 预测阶段：如何“运用”所学知识？

一旦决策树训练完成，它就成了一个可以用来预测新样本的模型。预测过程非常直接，就像沿着一条预设的路径前进：

从根节点开始：将待预测的新样本输入到决策树的根节点。
根据特征值选择分支：根据样本在当前节点所测试特征上的取值，沿着对应的分支向下移动。
重复直到叶节点：在新到达的节点上，再次根据样本的特征值选择分支，持续这个过程，直到最终到达一个叶节点。
给出预测结果：叶节点所代表的类别（在分类任务中）就是决策树对这个新样本的预测结果。

是不是很像我们日常生活中做选择的过程？每一步都基于一个明确的条件判断，最终导向一个清晰的结论。

模型解读：读懂这棵“智慧之树”

决策树最令人称赞的优点之一就是其卓越的可解释性。我们不仅知道它做出了什么预测，还能清晰地看到它是“为什么”做出这个预测的。

可视化决策路径：通过绘制决策树，我们可以直观地看到每个内部节点测试了哪个特征，每个分支代表了什么条件，以及最终到达的叶节点代表了什么分类结果。这使得决策流程一目了然。
特征重要性 (Feature Importance)：决策树模型可以很容易地告诉我们哪些特征在决策过程中起到了关键作用。特征重要性得分越高，说明该特征在树的构造过程中被用来进行划分的次数越多，或者说它带来了更大的信息增益，因此对最终决策的影响越大。这对于理解数据、进行特征工程非常有帮助。
超参数的影响：
- max_depth(最大深度)：限制了树的层数。深度越大，模型越复杂，越容易过拟合。
- min_samples_leaf(叶节点最小样本数)：限制了叶节点必须包含的最少样本数。这有助于防止树分支太细，避免模型过于关注训练数据中的噪声。
- 这些超参数的调整，直接影响树的结构和泛化能力，是模型解读和优化的重要部分。

实践环节：用 Scikit-learn 构建与可视化你的决策树！

现在，让我们利用强大的scikit-learn库来快速构建一个决策树分类器，并重点关注如何可视化和解读它。我们将使用经典的鸢尾花（Iris）数据集，这是一个多分类问题，非常适合展示决策树的直观性。

importpandasaspdfromsklearn.datasetsimportload_irisfromsklearn.treeimportDecisionTreeClassifier,plot_treefromsklearn.model_selectionimporttrain_test_splitfromsklearnimportmetricsimportmatplotlib.pyplotaspltimportnumpyasnp# 1. 加载数据集iris=load_iris()X=iris.data# 特征数据y=iris.target# 目标变量 (类别)# 将特征名和类别名转换为列表，方便后续可视化feature_names=list(iris.feature_names)target_names=list(iris.target_names)print(" 数据加载成功！特征：",feature_names)print("类别：",target_names)# 2. 划分训练集和测试集X_train,X_test,y_train,y_test=train_test_split(X,y,test_size=0.3,random_state=42)print("\n 数据已划分为训练集和测试集。")print(f"训练集样本数:{len(X_train)}, 测试集样本数:{len(X_test)}")# 3. 构建决策树模型# max_depth 可以控制树的深度，防止过拟合# random_state 用于确保结果可复现dt_classifier=DecisionTreeClassifier(max_depth=3,random_state=42)print("\n 开始训练决策树模型...")dt_classifier.fit(X_train,y_train)print(" 模型训练完成！")# 4. 模型预测与评估y_pred=dt_classifier.predict(X_test)accuracy=metrics.accuracy_score(y_test,y_pred)print(f"\n 模型在测试集上的准确率:{accuracy:.2f}")# 5. 可视化决策树 (模型解读的核心！)plt.figure(figsize=(15,10))plot_tree(dt_classifier,feature_names=feature_names,class_names=target_names,# 使用真实的类别名称filled=True,# 节点填充颜色rounded=True,# 节点边框圆角proportion=False,# 显示样本数量而不是比例fontsize=10)plt.title("Decision Tree Classifier (max_depth=3)",fontsize=16)plt.show()# 6. 获取特征重要性 (Feature Importance)print("\n 特征重要性：")fori,importanceinenumerate(dt_classifier.feature_importances_):print(f"{feature_names[i]}:{importance:.4f}")# 可以绘制柱状图，更直观地展示plt.figure(figsize=(8,5))plt.barh(feature_names,dt_classifier.feature_importances_)plt.xlabel("Feature Importance")plt.title("Feature Importance for Iris Dataset")plt.show()print("\n 尝试调整max_depth参数（例如，max_depth=5或不设置），重新运行代码，观察树结构和准确率的变化！")

代码解读：

数据准备：我们使用了load_iris()函数加载了著名的鸢尾花数据集。这个数据集包含4个特征（花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度）和3个类别（Setosa、Versicolor、Virginica）。
训练/测试集划分：将数据集分成训练集和测试集是机器学习的标准做法，用于评估模型的泛化能力。
构建和训练模型：DecisionTreeClassifier(max_depth=3, random_state=42)实例化了一个决策树分类器。max_depth=3限制了树的最大深度，这是一种防止过拟合的有效方法。random_state确保了每次运行代码时结果的一致性。
预测与评估：模型训练后，我们用它对测试集进行预测，并计算准确率来评估模型性能。
可视化决策树：这是本节的重点！plot_tree()函数能够将训练好的决策树以图形化的方式呈现出来。
- 每个节点：包含了gini（Gini不纯度，另一个划分标准）、samples（当前节点包含的样本数）、value（每个类别的样本分布）、class（该节点下样本最多的类别）。
- 分支条件：feature <= threshold表示了当前节点根据哪个特征的哪个阈值进行划分。
- 通过这个图，你可以清晰地追踪任何一个样本从根节点到叶节点的决策路径，完美诠释了“像人类一样决策”！
特征重要性：dt_classifier.feature_importances_属性直接给出了每个特征对模型决策的重要性得分。分数越高，该特征在区分不同类别上越关键。通过可视化，我们能一眼看出哪些特征是鸢尾花分类的关键。