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  • 2022-05-15 15:14:51

    随机森林也被称为随机决策森林,是一种集合学习方法,既可以用于分类,也可以用于回归。
    随机森林把不同的几棵决策树打包到一块,每棵树的参数都不相同,然后把每棵树预测的结果取平均值,这样既保留决策树们的工作成效,又可以降低过拟合的风险。
    集合学习算法:把多个机器学习算法综合在一起,制造出一个更大的模型。应用广泛的包括随机森林、梯度上升决策树。

    优点

    (1)不需要对数据进行预处理
    (2)支持并行处理

    缺点

    (1)高维数据集、稀疏数据集表现没有线性模型好
    (2)消耗内存,速度比线性模型慢
    Python代码实现

    forest = RandomForestClassifier(n_estimators=25,random_state=3)
    forest.fit(X_train, y_train)
    #定义图像中分区的颜色和散点的颜色
    cmap_light = ListedColormap(['#FFAAAA', '#AAFFAA', '#AAAAFF'])
    cmap_bold = ListedColormap(['#FF0000', '#00FF00', '#0000FF'])
    
    #分别用样本的两个特征值创建图像和横轴和纵轴
    x_min, x_max = X_train[:, 0].min() - 1, X_train[:, 0].max() + 1
    y_min, y_max = X_train[:, 1].min() - 1, X_train[:, 1].max() + 1
    xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, .02),
                         np.arange(y_min, y_max, .02))
    Z = forest.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    
    #给每个分类中的样本分配不同的颜色
    Z = Z.reshape(xx.shape)
    plt.figure()
    plt.pcolormesh(xx, yy, Z, cmap=cmap_light)
    
    #用散点把样本表示出来
    plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y, cmap=cmap_bold, edgecolor='k', s=20)
    plt.xlim(xx.min(), xx.max())
    plt.ylim(yy.min(), yy.max())
    plt.title("Classifier:RandomForest")
    
    plt.show()

    输出结果如下图

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    千次下载 热门讨论 2017-03-20 21:39:45
    本文件包括随机森林的代码实现和相应的数据集,以及详尽的...因为只是用来学习随机森林算法,所以在调参方法没下多少功夫,正确率可能不太高,当然数据集比较小也是一个原因。感兴趣的童鞋可以自己调整参数提高正确率。
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    随机森林主要应用于回归和分类。
    它几乎可以将任何数据填进去,下文使用鸢尾花数据进行分类和预测

    环境 python3.8
    数据集 鸢尾花数据集

        def dataset(self):
            iris = load_iris()
            feature = pd.DataFrame(data=iris.data, columns=iris.feature_names)
            target = pd.DataFrame(data=map(lambda item: iris.target_names[item],
                                           iris.target), columns={'target_names'})
            feature_train, feature_test, target_train, target_test = \
                train_test_split(feature, target, test_size=0.3)
            return feature_train, feature_test, target_train, target_test
    

    实验思路:
    首先训练10个基分类器,每个基分类器为一个决策树;在预测时对每个基分类器投票结果进行统计倒排,选取票数最多的结果;其中‎每棵树的生长情况如下:‎
    ‎如果培训集中的案例数为 N,则随机取样 N 案例 - 但从原始数据中‎‎替换‎‎。此示例将是种植树的培训集。‎
    ‎如果有 M 输入变量,则指定一个数字 m<<M,以便在每个节点中随机从 M 中选择 m 变量,并且这些 m 上的最佳拆分用于拆分节点。在森林生长过程中,m 值保持不变。‎
    ‎每棵树都尽可能的生长。没有修剪。
    查看随机森林官网描述
    fit训练

        def fit(self, feature=None, label=None):
            '''
            训练模型,请记得将模型保存至self.models
            :param feature: 训练集数据,类型为ndarray
            :param label: 训练集标签,类型为ndarray
            :return: None
            '''
            # ************* Begin ************#
            n = len(feature)
            for i in range(self.n_model):
                # 在训练集N随机选取n个样本  #frac=1 样本可重复取 (样本只包含特征数据)
                randomSamples = feature.sample(n, replace=True, axis=0)
                # 在所有特征M随机选取m个特征 特征无重复 0.75表示选取4*0.75=3个特征
                randomFeatures = randomSamples.sample(frac=0.75, replace=False, axis=1)
                # 标记该模型选取的特征
                tags = self.connect(randomFeatures.columns.tolist())
                # 根据样本筛选出索引与之相同的lable即target_name
                # 使用loc标签索引获取
                randomLable = label.loc[randomSamples.index.tolist(),:]
                # for i,j in zip(randomFeatures.index.tolist(),,randomLable.index.tolist()):
                #	print(i,j)
                model = DecisionTreeClassifier()
                model = model.fit(randomFeatures, randomLable)
                self.models.append({tags: model})
            # ************* End **************#
    

    预测

        def predict(self, features, target):
            '''
            :param features: 测试集数据,类型为ndarray
            :param target: 测试集实际lable,类型为ndarray
            :return: 预测结果,类型为ndarray
            '''
            # ************* Begin ************#
            result = []
            vote = []
    
            for model in self.models:
                # 获取模型使用的训练特征
                modelFeatures = list(model.keys())[0].split('000')[:-1]
                # 提取出模型预测需要的标签
                test_data = features[modelFeatures]
                # 基分类器进行预测
                r = list(model.values())[0].predict(test_data)
                vote.append(r)
            # 将数组转换为矩阵 10行45列
            vote = np.array(vote)
            # print(vote.shape) # print(vote)
    
            for i in range(len(features)):
                # 对每棵树的投票结果进行排序选取最大的
                v = sorted(Counter(vote[:, i]).items(),
                           key=lambda x: x[1], reverse=True)
               	# 查看投票情况和实际标签对比
                print(v, "---",list(target)[i])
                result.append(v[0][0])
            return result
            # ************* End **************#
        def connect(self, ls):
            s = ''
            for i in ls:
                s += i + '000'
            return s
    

    主函数

    if __name__ == '__main__':
        Bcf = BaggingClassifier()
        featureAndTarget = Bcf.dataset()
        Bcf.fit(featureAndTarget[0],featureAndTarget[2])
        res = Bcf.predict(features=featureAndTarget[1], target=featureAndTarget[3]['target_names'])
        right = 0
        for i, j in zip(featureAndTarget[3]['target_names'], res):
            if i == j:
                right += 1
            #print(i + '\t' + j)
        print('准确率为' + str(right / len(res) * 100) + "%")
    

    在这里插入图片描述
    可以看出准确率很高啦,可以调整特征数量m参数,准确率也会不同。

    展开全文
  • 原标题:随机森林的原理及Python代码实现最近在做kaggle的时候,发现随机森林这个算法在分类问题上效果十分的好,大多数情况下效果远要比svm,log回归,knn等算法效果好。因此想琢磨琢磨这个算法的原理。要学随机...

    原标题:随机森林的原理及Python代码实现

    最近在做kaggle的时候,发现随机森林这个算法在分类问题上效果十分的好,大多数情况下效果远要比svm,log回归,knn等算法效果好。因此想琢磨琢磨这个算法的原理。

    要学随机森林,首先先简单介绍一下集成学习方法和决策树算法。

    Bagging和Boosting 概念及区别

    Bagging和Boosting都是将已有的分类或回归算法通过一定方式组合起来,形成一个性能更加强大的分类器,更准确的说这是一种分类算法的组装方法。即将弱分类器组装成强分类器的方法。

    首先介绍Bootstraping,即自助法:它是一种有放回的抽样方法(可能抽到重复的样本)。

    1、Bagging (bootstrap aggregating)

    Bagging即套袋法,其算法过程如下:

    A)从原始样本集中抽取训练集。每轮从原始样本集中使用Bootstraping的方法抽取n个训练样本(在训练集中,有些样本可能被多次抽取到,而有些样本可能一次都没有被抽中)。共进行k轮抽取,得到k个训练集。(k个训练集之间是相互独立的)

    B)每次使用一个训练集得到一个模型,k个训练集共得到k个模型。(注:这里并没有具体的分类算法或回归方法,我们可以根据具体问题采用不同的分类或回归方法,如决策树、感知器等)

    C)对分类问题:将上步得到的k个模型采用投票的方式得到分类结果;对回归问题,计算上述模型的均值作为最后的结果。(所有模型的重要性相同)

    2、Boosting

    其主要思想是将弱分类器组装成一个强分类器。在PAC(概率近似正确)学习框架下,则一定可以将弱分类器组装成一个强分类器。

    关于Boosting的两个核心问题:

    1)在每一轮如何改变训练数据的权值或概率分布?

    通过提高那些在前一轮被弱分类器分错样例的权值,减小前一轮分对样例的权值,来使得分类器对误分的数据有较好的效果。

    2)通过什么方式来组合弱分类器?

    通过加法模型将弱分类器进行线性组合,比如AdaBoost通过加权多数表决的方式,即增大错误率小的分类器的权值,同时减小错误率较大的分类器的权值。

    而提升树通过拟合残差的方式逐步减小残差,将每一步生成的模型叠加得到最终模型。

    3、Bagging,Boosting二者之间的区别

    Bagging和Boosting的区别:

    1)样本选择上:

    Bagging:训练集是在原始集中有放回选取的,从原始集中选出的各轮训练集之间是独立的。

    Boosting:每一轮的训练集不变,只是训练集中每个样例在分类器中的权重发生变化。而权值是根据上一轮的分类结果进行调整。

    2)样例权重:

    Bagging:使用均匀取样,每个样例的权重相等

    Boosting:根据错误率不断调整样例的权值,错误率越大则权重越大。

    3)预测函数:

    Bagging:所有预测函数的权重相等。

    Boosting:每个弱分类器都有相应的权重,对于分类误差小的分类器会有更大的权重。

    4)并行计算:

    Bagging:各个预测函数可以并行生成

    Boosting:各个预测函数只能顺序生成,因为后一个模型参数需要前一轮模型的结果。

    4、总结

    这两种方法都是把若干个分类器整合为一个分类器的方法,只是整合的方式不一样,最终得到不一样的效果,将不同的分类算法套入到此类算法框架中一定程度上会提高了原单一分类器的分类效果,但是也增大了计算量。

    下面是将决策树与这些算法框架进行结合所得到的新的算法:

    1)Bagging + 决策树 = 随机森林

    2)AdaBoost + 决策树 = 提升树

    3)Gradient Boosting + 决策树 = GBDT

    集成学习通过构建并结合多个分类器来完成学习任务。集成学习通过将多个学习器进行结合,常可获得比单一学习器更好的泛化性能。

    考虑一个简单例子:在二分类任务中,假定三个分类器在三个测试样本上的表现如下图,其中√表示分类正确,×表示分类错误,集成学习的结果通过投票法产生,即“少数服从多数”。如下图,在(a)中,每个分类器都只有66.6%的精度,但集成学习却达到了100%;在(b)中,三个分类器没有差别,集成之后性能没有提高;在(c)中,每个分类器的精度都只有33.3%,集成学习的结果变得更糟。这个简单地例子显示出:要获得好的集成,个体学习器应“好而不同”,即个体学习器要有一定的“准确性”,即学习器不能太差,并且要有“多样性”,即学习器间具有差异。

    5c907bcaecfb4f63a07d887cec0fed06.png

    根据个体学习器的生成方式,目前的集成学习方法大致可分为两大类,即个体学习器之间存在强依赖关系,必须串行生成的序列化方法,以及个体学习器间不存在强依赖关系,可同时生成的并行化方法;前者的代表是Boosting,后者的代表是Bagging和“随机森林”(Random Forest)

    Bagging与随机森林

    要得到泛化性能强的集成,集成中的个体学习器应尽可能相互独立,虽然这在现实任务中很难做到,但我们可以设法使基学习器尽可能具有较大的差异。

    在我的实验中,使用“自助采样法”:给定包含m个样本的数据集,我们先随机取出一个样本放入采样集中,再把该样本放回初始数据集,使得下次采样时该样本仍有可能被选中,这样,经过m次随机操作,我们得到含m个样本的采样集,初始训练集中有的样本在采样集里多次出现,有的则从未出现。

    按照这种方法,我们可以采样出T个含m个训练样本的采样集,然后基于每个采样集训练处一个基学习器,再将这些基学习器进行结合,这就是Bagging的基本流程。在对预测输出进行结合时,Bagging通常对分类任务使用简单投票法,对回归任务使用简单平均法。

    随机森林是Bagging的一个扩展。随机森林在以决策树为基学习器构建Bagging集成的基础上,进一步在决策树的训练过程中引入了随机属性选择(即引入随机特征选择)。传统决策树在选择划分属性时时在当前节点的属性集合(假定有d个属性)中选择一个最优属性;而在随机森林中,对基决策树的每个节点,先从该节点的属性集合中随机选择一个包含k个属性的子集,然后再从这个子集中选择一个最优属性用于划分。这里的参数k控制了随机性的引入程度:若令k=d,则基决策树的构建与传统决策树相同;若令k=1,则是随机选择一个属性进行划分。

    在这篇文章中,我们只讲随机森林的分类部分。随机森林用于分类时,即采用n个决策树分类,将分类结果用简单投票法得到最终分类,提高分类准确率。

    对于决策树不太了解的童鞋,可以看上一篇:

    python机器学习:决策树ID3、C4.5

    简单来说,随机森林就是对决策树的集成,但有两点不同:

    (1)采样的差异性:从含m个样本的数据集中有放回的采样,得到含m个样本的采样集,用于训练。这样能保证每个决策树的训练样本不完全一样。

    (2)特征选取的差异性:每个决策树的n个分类特征是在所有特征中随机选择的(n是一个需要我们自己调整的参数)

    随机森林需要调整的参数有:

    (1) 决策树的个数

    (2) 特征属性的个数

    (3) 递归次数(即决策树的深度)

    下面,讲一下如何用代码实现随机森林。

    代码实现流程:

    (1) 导入文件并将所有特征转换为float形式

    (2) 将数据集分成n份,方便交叉验证

    (3) 构造数据子集(随机采样),并在指定特征个数(假设m个,手动调参)下选取最优特征

    (4) 构造决策树

    (5) 创建随机森林(多个决策树的结合)

    (6) 输入测试集并进行测试,输出预测结果

    (1) 导入文件并将所有特征转换为float形式

    9ea208a846484b9a8c6c0a4cd952c0fc.jpeg

    (2) 将数据集分成n份,方便交叉验证

    dccfde71d3a84c02911f2a26fc33e7bc.jpeg

    (3) 构造数据子集(随机采样),并在指定特征个数(假设m个,手动调参)下选取最优特征

    25ceef2038b742c49efc156bbf3346a7.jpeg

    (4) 构造决策树

    eeb330ab5d414215bc1dc6279510f063.jpeg

    (5) 创建随机森林(多个决策树的结合)

    340a8897def046e5b974a70fb3470aa6.jpeg

    (6) 输入测试集并进行测试,输出预测结果

    604e49c25e654abdb8ebf16077d329a0.jpeg

    对以上代码的一点总结:

    训练部分:假设我们取dataset中的m个feature来构造决策树,首先,我们遍历m个feature中的每一个feature,再遍历每一行,通过spilt_loss函数(计算分割代价)来选取最优的特征及特征值,根据是否大于这个特征值进行分类(分成left,right两类),循环执行上述步骤,直至不可分或者达到递归限值(用来防止过拟合),最后得到一个决策树tree。

    测试部分:对测试集的每一行进行判断,决策树tree是一个多层字典,每一层为一个二分类,将每一行按照决策树tree中的分类索引index一步一步向里层探索,直至不出现字典时探索结束,得到的值即为我们的预测值。返回搜狐,查看更多

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  • 随机森林算法(Random Forest)Python实现

    万次阅读 多人点赞 2022-01-01 16:56:30
    1.4 什么是随机森林? 二、Random Forest 的构造过程 2.1 算法实现 2.2数据的随机选取 2.3待选特征的随机选取 2.4 相关概念解释 三、 Random Forest 优缺点 3.1 优点 3.2 缺点 四、Extra-Trees(极端随机树...

    目录

    前言

    一、什么是Random Forest ?

    1.1 什么是监督式机器学习?

    1.2 什么是回归和分类? 

    1.3 什么是决策树?

    1.4 什么是随机森林?

    二、Random Forest 的构造过程

    2.1 算法实现 

    2.2 数据的随机选取

    2.3 待选特征的随机选取

    2.4 相关概念解释

    三、 Random Forest 优缺点

    3.1 优点

    3.2 缺点

    四、Extra-Trees(极端随机树)

    五、Random Forest 的Python实现

    5.1 数据集

    5.2 Random Forest的Python实现

    5.3  Decision Tree、Random Forest和Extra-Trees对比

    5.4 基于pandas和scikit-learn实现Random Forest

    5.5 Random Forest 与其他机器学习分类算法对比

    六、 Random Forest 应用方向

    参考文章


    前言

           最近在学习一篇论文《Mining Quality Phrases from Massive Text Corpora》,讲的是如何从海量文本语料库中挖掘优质短语,其中用到了随机森林(Random Forest)算法,所以我去学习了一下,我博客之前专门针对决策树(Decision Tree)有过讲解,Random Forest 就是基于Decision Tree 的优化版本,下面我们来一起来讨论一下什么是Random Forest。

    一、什么是Random Forest ?

           作为高度灵活的一种机器学习算法,随机森林(Random Forest,简称RF)拥有广泛的应用前景,从市场营销到医疗保健保险,既可以用来做市场营销模拟的建模,统计客户来源,保留和流失,也可用来预测疾病的风险和病患者的易感性。最近几年的国内外大赛,包括2013年百度校园电影推荐系统大赛、2014年阿里巴巴天池大数据竞赛以及Kaggle数据科学竞赛,参赛者对随机森林的使用占有相当高的比例。所以可以看出,Random Forest在准确率方面还是相当有优势的。

           那说了这么多,那随机森林到底是怎样的一种算法呢?

           如果读者接触过决策树(Decision Tree)的话,那么会很容易理解什么是随机森林。随机森林就是通过集成学习的思想将多棵树集成的一种算法,它的基本单元是决策树,而它的本质属于机器学习的一大分支——集成学习(Ensemble Learning)方法。随机森林的名称中有两个关键词,一个是“随机”,一个就是“森林”。“森林”我们很好理解,一棵叫做树,那么成百上千棵就可以叫做森林了,这样的比喻还是很贴切的,其实这也是随机森林的主要思想--集成思想的体现。“随机”的含义我们会在下边部分讲到。

           其实从直观角度来解释,每棵决策树都是一个分类器(假设现在针对的是分类问题),那么对于一个输入样本,N棵树会有N个分类结果。而随机森林集成了所有的分类投票结果,将投票次数最多的类别指定为最终的输出,这就是一种最简单的 Bagging 思想。

    随机森林属于集成学习中的Bagging方法

           随机森林是一种功能强大且用途广泛的监督机器学习算法,它生长并组合多个决策树以创建"森林"。它可用于R和Python中的分类和回归问题。

           在我们更详细地探索随机森林之前,让我们分解一下:

    • 什么是监督学习?
    • 什么是分类和回归?
    • 什么是决策树?

           了解这些概念中的每一个都将帮助您了解随机森林及其工作原理。所以让我们解释一下。

    1.1 什么是监督式机器学习?

           从给定的训练数据集中学习出一个函数(模型参数),当新的数据到来时,可以根据这个函数预测结果。监督学习的训练集要求包括输入输出,也可以说是特征和目标。训练集中的目标是由人标注的。监督学习就是最常见的分类(注意和聚类区分)问题,通过已有的训练样本(即已知数据及其对应的输出)去训练得到一个最优模型(这个模型属于某个函数的集合,最优表示某个评价准则下是最佳的),再利用这个模型将所有的输入映射为相应的输出,对输出进行简单的判断从而实现分类的目的。也就具有了对未知数据分类的能力。监督学习的目标往往是让计算机去学习我们已经创建好的分类系统(模型)。

           监督学习是训练神经网络和决策树的常见技术。这两种技术高度依赖事先确定的分类系统给出的信息,对于神经网络,分类系统利用信息判断网络的错误,然后不断调整网络参数。对于决策树,分类系统用它来判断哪些属性提供了最多的信息。监督学习里典型的例子就是KNN、SVM。

    1.2 什么是回归和分类? 

           在机器学习中,算法用于将某些观察结果、事件或输入分类到组中。例如,垃圾邮件过滤器会将每封电子邮件分类为"垃圾邮件"或"非垃圾邮件"。但是,电子邮件示例只是一个简单的示例;在业务环境中,这些模型的预测能力可以对如何做出决策以及如何形成战略产生重大影响,但稍后会详细介绍。

           因此:回归和分类都是监督式机器学习问题,用于预测结果或结果的价值或类别。他们的区别是:

           分类问题是用于将事物打上一个标签,通常结果为离散值。例如判断一幅图片上的动物是一只猫还是一只狗,分类通常是建立在回归之上,分类的最后一层通常要使用softmax函数进行判断其所属类别。分类并没有逼近的概念,最终正确结果只有一个,错误的就是错误的,不会有相近的概念。最常见的分类方法是逻辑回归,或者叫逻辑分类。

          回归问题通常是用来预测一个值,如预测房价、未来的天气情况等等,例如一个产品的实际价格为500元,通过回归分析预测值为499元,我们认为这是一个比较好的回归分析。一个比较常见的回归算法是线性回归算法(LR)。另外,回归分析用在神经网络上,其最上层是不需要加上softmax函数的,而是直接对前一层累加即可。回归是对真实值的一种逼近预测。

           区分两者的简单方法大概可以表述为,分类是关于预测标签(例如"垃圾邮件"或"不是垃圾邮件"),而回归是关于预测数量

    1.3 什么是决策树?

           在解释随机森林前,需要先提一下决策树。决策树是一种很简单的算法,他的解释性强,也符合人类的直观思维。这是一种基于if-then-else规则的有监督学习算法,上面的图片可以直观的表达决策树的逻辑。

    图解决策树

    决策树的推导过程在我之前的博客中有详细的介绍

    机器学习——决策树(一)_欢迎来到AI小书童的博客-CSDN博客

    机器学习——决策树推导_欢迎来到AI小书童的博客-CSDN博客

    1.4 什么是随机森林?

           随机森林是由很多决策树构成的,不同决策树之间没有关联。

           当我们进行分类任务时,新的输入样本进入,就让森林中的每一棵决策树分别进行判断和分类,每个决策树会得到一个自己的分类结果,决策树的分类结果中哪一个分类最多,那么随机森林就会把这个结果当做最终的结果。

    图解随机森林

    二、Random Forest 的构造过程

    构造随机森林的4个步骤

    2.1 算法实现 

    1. 一个样本容量为N的样本,有放回的抽取N次,每次抽取1个,最终形成了N个样本。这选择好了的N个样本用来训练一个决策树,作为决策树根节点处的样本。
    2. 当每个样本有M个属性时,在决策树的每个节点需要分裂时,随机从这M个属性中选取出m个属性,满足条件m << M。然后从这m个属性中采用某种策略(比如说信息增益)来选择1个属性作为该节点的分裂属性。
    3. 决策树形成过程中每个节点都要按照步骤2来分裂(很容易理解,如果下一次该节点选出来的那一个属性是刚刚其父节点分裂时用过的属性,则该节点已经达到了叶子节点,无须继续分裂了),一直到不能够再分裂为止。注意整个决策树形成过程中没有进行剪枝。
    4. 按照步骤1~3建立大量的决策树,这样就构成了随机森林了。

    2.2 数据的随机选取

           首先,从原始的数据集中采取有放回的抽样,构造子数据集,子数据集的数据量是和原始数据集相同的。不同子数据集的元素可以重复,同一个子数据集中的元素也可以重复。第二,利用子数据集来构建子决策树,将这个数据放到每个子决策树中,每个子决策树输出一个结果。最后,如果有了新的数据需要通过随机森林得到分类结果,就可以通过对子决策树的判断结果的投票,得到随机森林的输出结果了。如图3,假设随机森林中有3棵子决策树,2棵子树的分类结果是A类,1棵子树的分类结果是B类,那么随机森林的分类结果就是A类。

    图3.数据的随机选取

    2.3 待选特征的随机选取

           与数据集的随机选取类似,随机森林中的子树的每一个分裂过程并未用到所有的待选特征,而是从所有的待选特征中随机选取一定的特征,之后再在随机选取的特征中选取最优的特征。这样能够使得随机森林中的决策树都能够彼此不同,提升系统的多样性,从而提升分类性能。

           下图中,蓝色的方块代表所有可以被选择的特征,也就是待选特征。黄色的方块是分裂特征。左边是一棵决策树的特征选取过程,通过在待选特征中选取最优的分裂特征(别忘了前文提到的ID3算法,C4.5算法,CART算法等等),完成分裂。右边是一个随机森林中的子树的特征选取过程。

    图4.待选特征的随机选取

    2.4 相关概念解释

           1.分裂:在决策树的训练过程中,需要一次次的将训练数据集分裂成两个子数据集,这个过程就叫做分裂。

           2.特征:在分类问题中,输入到分类器中的数据叫做特征。以上面的股票涨跌预测问题为例,特征就是前一天的交易量和收盘价。

           3.待选特征:在决策树的构建过程中,需要按照一定的次序从全部的特征中选取特征。待选特征就是在步骤之前还没有被选择的特征的集合。例如,全部的特征是 ABCDE,第一步的时候,待选特征就是ABCDE,第一步选择了C,那么第二步的时候,待选特征就是ABDE。

           4.分裂特征:接待选特征的定义,每一次选取的特征就是分裂特征,例如,在上面的例子中,第一步的分裂特征就是C。因为选出的这些特征将数据集分成了一个个不相交的部分,所以叫它们分裂特征。

    三、 Random Forest 优缺点

    3.1 优点

    1. 它可以出来很高维度(特征很多)的数据,并且不用降维,无需做特征选择
    2. 它可以判断特征的重要程度
    3. 可以判断出不同特征之间的相互影响
    4. 不容易过拟合
    5. 训练速度比较快,容易做成并行方法
    6. 实现起来比较简单
    7. 对于不平衡的数据集来说,它可以平衡误差。
    8. 如果有很大一部分的特征遗失,仍可以维持准确度。

    3.2 缺点

    1. 随机森林已经被证明在某些噪音较大的分类或回归问题上会过拟合
    2. 对于有不同取值的属性的数据,取值划分较多的属性会对随机森林产生更大的影响,所以随机森林在这种数据上产出的属性权值是不可信的
    3. 由于随机林使用许多决策树,因此在较大的项目上可能需要大量内存。这可以使它比其他一些更有效的算法慢

    四、Extra-Trees(极端随机树)

           ET或Extra-Trees(Extremely randomized trees,极端随机树)算法与随机森林算法十分相似,都是由许多决策树构成。极限树与随机森林的主要区别:

           1. randomForest应用的是Bagging模型,extraTree使用的所有的样本,只是特征是随机选取的,因为分裂是随机的,所以在某种程度上比随机森林得到的结果更加好

           2. 随机森林是在一个随机子集内得到最佳分叉属性,而ET是完全随机的得到分叉值,从而实现对决策树进行分叉的

    五、Random Forest 的Python实现

    5.1 数据集

    网盘链接:https://pan.baidu.com/s/1PK2Ipbsdx1Gy5naFgiwEeA 
    提取码:t3u1 

    5.2 Random Forest的Python实现

    # -*- coding: utf-8 -*-
    import csv
    from random import seed
    from random import randrange
    from math import sqrt
    
    
    def loadCSV(filename):#加载数据,一行行的存入列表
        dataSet = []
        with open(filename, 'r') as file:
            csvReader = csv.reader(file)
            for line in csvReader:
                dataSet.append(line)
        return dataSet
    
    # 除了标签列,其他列都转换为float类型
    def column_to_float(dataSet):
        featLen = len(dataSet[0]) - 1
        for data in dataSet:
            for column in range(featLen):
                data[column] = float(data[column].strip())
    
    # 将数据集随机分成N块,方便交叉验证,其中一块是测试集,其他四块是训练集
    def spiltDataSet(dataSet, n_folds):
        fold_size = int(len(dataSet) / n_folds)
        dataSet_copy = list(dataSet)
        dataSet_spilt = []
        for i in range(n_folds):
            fold = []
            while len(fold) < fold_size:  # 这里不能用if,if只是在第一次判断时起作用,while执行循环,直到条件不成立
                index = randrange(len(dataSet_copy))
                fold.append(dataSet_copy.pop(index))  # pop() 函数用于移除列表中的一个元素(默认最后一个元素),并且返回该元素的值。
            dataSet_spilt.append(fold)
        return dataSet_spilt
    
    # 构造数据子集
    def get_subsample(dataSet, ratio):
        subdataSet = []
        lenSubdata = round(len(dataSet) * ratio)#返回浮点数
        while len(subdataSet) < lenSubdata:
            index = randrange(len(dataSet) - 1)
            subdataSet.append(dataSet[index])
        # print len(subdataSet)
        return subdataSet
    
    # 分割数据集
    def data_spilt(dataSet, index, value):
        left = []
        right = []
        for row in dataSet:
            if row[index] < value:
                left.append(row)
            else:
                right.append(row)
        return left, right
    
    # 计算分割代价
    def spilt_loss(left, right, class_values):
        loss = 0.0
        for class_value in class_values:
            left_size = len(left)
            if left_size != 0:  # 防止除数为零
                prop = [row[-1] for row in left].count(class_value) / float(left_size)
                loss += (prop * (1.0 - prop))
            right_size = len(right)
            if right_size != 0:
                prop = [row[-1] for row in right].count(class_value) / float(right_size)
                loss += (prop * (1.0 - prop))
        return loss
    
    # 选取任意的n个特征,在这n个特征中,选取分割时的最优特征
    def get_best_spilt(dataSet, n_features):
        features = []
        class_values = list(set(row[-1] for row in dataSet))
        b_index, b_value, b_loss, b_left, b_right = 999, 999, 999, None, None
        while len(features) < n_features:
            index = randrange(len(dataSet[0]) - 1)
            if index not in features:
                features.append(index)
        # print 'features:',features
        for index in features:#找到列的最适合做节点的索引,(损失最小)
            for row in dataSet:
                left, right = data_spilt(dataSet, index, row[index])#以它为节点的,左右分支
                loss = spilt_loss(left, right, class_values)
                if loss < b_loss:#寻找最小分割代价
                    b_index, b_value, b_loss, b_left, b_right = index, row[index], loss, left, right
        # print b_loss
        # print type(b_index)
        return {'index': b_index, 'value': b_value, 'left': b_left, 'right': b_right}
    
    # 决定输出标签
    def decide_label(data):
        output = [row[-1] for row in data]
        return max(set(output), key=output.count)
    
    
    # 子分割,不断地构建叶节点的过程
    def sub_spilt(root, n_features, max_depth, min_size, depth):
        left = root['left']
        # print left
        right = root['right']
        del (root['left'])
        del (root['right'])
        # print depth
        if not left or not right:
            root['left'] = root['right'] = decide_label(left + right)
            # print 'testing'
            return
        if depth > max_depth:
            root['left'] = decide_label(left)
            root['right'] = decide_label(right)
            return
        if len(left) < min_size:
            root['left'] = decide_label(left)
        else:
            root['left'] = get_best_spilt(left, n_features)
            # print 'testing_left'
            sub_spilt(root['left'], n_features, max_depth, min_size, depth + 1)
        if len(right) < min_size:
            root['right'] = decide_label(right)
        else:
            root['right'] = get_best_spilt(right, n_features)
            # print 'testing_right'
            sub_spilt(root['right'], n_features, max_depth, min_size, depth + 1)
    
            # 构造决策树
    def build_tree(dataSet, n_features, max_depth, min_size):
        root = get_best_spilt(dataSet, n_features)
        sub_spilt(root, n_features, max_depth, min_size, 1)
        return root
    # 预测测试集结果
    def predict(tree, row):
        predictions = []
        if row[tree['index']] < tree['value']:
            if isinstance(tree['left'], dict):
                return predict(tree['left'], row)
            else:
                return tree['left']
        else:
            if isinstance(tree['right'], dict):
                return predict(tree['right'], row)
            else:
                return tree['right']
                # predictions=set(predictions)
    def bagging_predict(trees, row):
        predictions = [predict(tree, row) for tree in trees]
        return max(set(predictions), key=predictions.count)
    # 创建随机森林
    def random_forest(train, test, ratio, n_feature, max_depth, min_size, n_trees):
        trees = []
        for i in range(n_trees):
            train = get_subsample(train, ratio)#从切割的数据集中选取子集
            tree = build_tree(train, n_features, max_depth, min_size)
            # print 'tree %d: '%i,tree
            trees.append(tree)
        # predict_values = [predict(trees,row) for row in test]
        predict_values = [bagging_predict(trees, row) for row in test]
        return predict_values
    # 计算准确率
    def accuracy(predict_values, actual):
        correct = 0
        for i in range(len(actual)):
            if actual[i] == predict_values[i]:
                correct += 1
        return correct / float(len(actual))
    
    
    if __name__ == '__main__':
        seed(1) 
        dataSet = loadCSV('D:/深度之眼/sonar-all-data.csv')
        column_to_float(dataSet)#dataSet
        n_folds = 5
        max_depth = 15
        min_size = 1
        ratio = 1.0
        # n_features=sqrt(len(dataSet)-1)
        n_features = 15
        n_trees = 10
        folds = spiltDataSet(dataSet, n_folds)#先是切割数据集
        scores = []
        for fold in folds:
            train_set = folds[
                        :]  # 此处不能简单地用train_set=folds,这样用属于引用,那么当train_set的值改变的时候,folds的值也会改变,所以要用复制的形式。(L[:])能够复制序列,D.copy() 能够复制字典,list能够生成拷贝 list(L)
            train_set.remove(fold)#选好训练集
            # print len(folds)
            train_set = sum(train_set, [])  # 将多个fold列表组合成一个train_set列表
            # print len(train_set)
            test_set = []
            for row in fold:
                row_copy = list(row)
                row_copy[-1] = None
                test_set.append(row_copy)
                # for row in test_set:
                # print row[-1]
            actual = [row[-1] for row in fold]
            predict_values = random_forest(train_set, test_set, ratio, n_features, max_depth, min_size, n_trees)
            accur = accuracy(predict_values, actual)
            scores.append(accur)
        print ('Trees is %d' % n_trees)
        print ('scores:%s' % scores)
        print ('mean score:%s' % (sum(scores) / float(len(scores))))

    打印结果

    Trees is 10
    scores:[0.6341463414634146, 0.6829268292682927, 0.6341463414634146, 0.5853658536585366, 0.5853658536585366]
    mean score:0.624390243902439
    

    5.3  Decision Tree、Random Forest和Extra-Trees对比

    # -*- coding: utf-8 -*-
    from sklearn.model_selection import cross_val_score
    from sklearn.datasets import make_blobs
    from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
    from sklearn.ensemble import ExtraTreesClassifier
    from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
    
    ##创建100个类共10000个样本,每个样本10个特征
    X, y = make_blobs(n_samples=10000, n_features=10, centers=100,random_state=0)
    
    ## 决策树
    clf1 = DecisionTreeClassifier(max_depth=None, min_samples_split=2,random_state=0)
    scores1 = cross_val_score(clf1, X, y)
    print(scores1.mean())
    
    ## 随机森林
    clf2 = RandomForestClassifier(n_estimators=10, max_depth=None,min_samples_split=2, random_state=0)
    scores2 = cross_val_score(clf2, X, y)
    print(scores2.mean())
    
    ## ExtraTree分类器集合
    clf3 = ExtraTreesClassifier(n_estimators=10, max_depth=None,min_samples_split=2, random_state=0)
    scores3 = cross_val_score(clf3, X, y)
    print(scores3.mean())

    输出结果打印

    0.9823000000000001
    0.9997
    1.0
    

    5.4 基于pandas和scikit-learn实现Random Forest

    iris数据集结构

    sepal length (cm)sepal width (cm)petal length (cm)petal width (cm)is_trainspecies
    05.13.51.40.2Truesetosa
    14.93.01.40.2Truesetosa
    24.73.21.30.2Truesetosa
    34.63.11.50.2Truesetosa
    45.03.61.40.2Truesetosa
    from sklearn.datasets import load_iris
    from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
    import pandas as pd
    import numpy as np
    
    iris = load_iris()
    df = pd.DataFrame(iris.data, columns=iris.feature_names)
    df['is_train'] = np.random.uniform(0, 1, len(df)) <= .75
    df['species'] = pd.Categorical.from_codes(iris.target, iris.target_names)
    df.head()
    
    train, test = df[df['is_train']==True], df[df['is_train']==False]
    
    features = df.columns[:4]
    clf = RandomForestClassifier(n_jobs=2)
    y, _ = pd.factorize(train['species'])
    clf.fit(train[features], y)
    
    preds = iris.target_names[clf.predict(test[features])]
    pd.crosstab(test['species'], preds, rownames=['actual'], colnames=['preds'])

    分类结果打印: 

    predssetosaversicolorvirginica
    actual
    setosa1400
    versicolor0151
    virginica009

    5.5 Random Forest 与其他机器学习分类算法对比

    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    from matplotlib.colors import ListedColormap
    from sklearn.model_selection import train_test_split
    from sklearn.preprocessing import StandardScaler
    from sklearn.datasets import make_moons, make_circles, make_classification
    from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
    from sklearn.svm import SVC
    from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
    from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, AdaBoostClassifier
    from sklearn.naive_bayes import GaussianNB
    from sklearn.discriminant_analysis import LinearDiscriminantAnalysis as LDA
    from sklearn.discriminant_analysis import QuadraticDiscriminantAnalysis as QDA
    
    h = .02  # step size in the mesh
    
    names = ["Nearest Neighbors", "Linear SVM", "RBF SVM", "Decision Tree",
             "Random Forest", "AdaBoost", "Naive Bayes", "LDA", "QDA"]
    classifiers = [
        KNeighborsClassifier(3),
        SVC(kernel="linear", C=0.025),
        SVC(gamma=2, C=1),
        DecisionTreeClassifier(max_depth=5),
        RandomForestClassifier(max_depth=5, n_estimators=10, max_features=1),
        AdaBoostClassifier(),
        GaussianNB(),
        LDA(),
        QDA()]
    
    X, y = make_classification(n_features=2, n_redundant=0, n_informative=2,
                               random_state=1, n_clusters_per_class=1)
    rng = np.random.RandomState(2)
    X += 2 * rng.uniform(size=X.shape)
    linearly_separable = (X, y)
    
    datasets = [make_moons(noise=0.3, random_state=0),
                make_circles(noise=0.2, factor=0.5, random_state=1),
                linearly_separable
                ]
    
    figure = plt.figure(figsize=(27, 9))
    i = 1
    # iterate over datasets
    for ds in datasets:
        # preprocess dataset, split into training and test part
        X, y = ds
        X = StandardScaler().fit_transform(X)
        X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=.4)
    
        x_min, x_max = X[:, 0].min() - .5, X[:, 0].max() + .5
        y_min, y_max = X[:, 1].min() - .5, X[:, 1].max() + .5
        xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h),
                             np.arange(y_min, y_max, h))
    
        # just plot the dataset first
        cm = plt.cm.RdBu
        cm_bright = ListedColormap(['#FF0000', '#0000FF'])
        ax = plt.subplot(len(datasets), len(classifiers) + 1, i)
        # Plot the training points
        ax.scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], c=y_train, cmap=cm_bright)
        # and testing points
        ax.scatter(X_test[:, 0], X_test[:, 1], c=y_test, cmap=cm_bright, alpha=0.6)
        ax.set_xlim(xx.min(), xx.max())
        ax.set_ylim(yy.min(), yy.max())
        ax.set_xticks(())
        ax.set_yticks(())
        i += 1
    
        # iterate over classifiers
        for name, clf in zip(names, classifiers):
            ax = plt.subplot(len(datasets), len(classifiers) + 1, i)
            clf.fit(X_train, y_train)
            score = clf.score(X_test, y_test)
    
            # Plot the decision boundary. For that, we will assign a color to each
            # point in the mesh [x_min, m_max]x[y_min, y_max].
            if hasattr(clf, "decision_function"):
                Z = clf.decision_function(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
            else:
                Z = clf.predict_proba(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])[:, 1]
    
            # Put the result into a color plot
            Z = Z.reshape(xx.shape)
            ax.contourf(xx, yy, Z, cmap=cm, alpha=.8)
    
            # Plot also the training points
            ax.scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], c=y_train, cmap=cm_bright)
            # and testing points
            ax.scatter(X_test[:, 0], X_test[:, 1], c=y_test, cmap=cm_bright,
                       alpha=0.6)
    
            ax.set_xlim(xx.min(), xx.max())
            ax.set_ylim(yy.min(), yy.max())
            ax.set_xticks(())
            ax.set_yticks(())
            ax.set_title(name)
            ax.text(xx.max() - .3, yy.min() + .3, ('%.2f' % score).lstrip('0'),
                    size=15, horizontalalignment='right')
            i += 1
    
    figure.subplots_adjust(left=.02, right=.98)
    plt.show()

           这里随机生成了三个样本集,分割面近似为月形、圆形和线形的。我们可以重点对比一下决策树和随机森林对样本空间的分割:

      1)从准确率上可以看出,随机森林在这三个测试集上都要优于单棵决策树,90%>88%,90%=90%,88%=88%;

      2)从特征空间上直观地可以看出,随机森林比决策树拥有更强的分割能力(非线性拟合能力)。

    六、 Random Forest 应用方向

    随机森林的 4 个应用方向

    随机森林可以在很多地方使用:

    1. 对离散值的分类
    2. 对连续值的回归
    3. 无监督学习聚类
    4. 异常点检测

    参考文章

    [1] 什么是随机森林?[新手指南+示例] (careerfoundry.com)

    [2] 一文看懂随机森林 - Random Forest(4个实现步骤+10个优缺点) (easyai.tech)

    [Machine Learning & Algorithm] 随机森林(Random Forest) - Poll的笔记 - 博客园 (cnblogs.com)

    [3] 随机森林_百度百科 (baidu.com) 

    [4] (3条消息) python实现随机森林_aoanng的博客-CSDN博客_python 随机森林

    [5] 随机森林 (Random Forests) 简单介绍与应用_Smileyan's blog-CSDN博客_随机森林应用

    (3条消息) 随机森林random forest及python实现_rosefun96的博客-CSDN博客_随机森林python实现

    展开全文
  • 主要介绍了ptyhon 随机森林算法及其优化详解,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友可以参考下
  • 随机森林python代码

    2018-04-04 23:02:26
    基于python实现的随机森林代码,包括oob估计等功能。不过没有实现特征重要性的计算功能
  • 使用随机森林回归数据,给出数据的重要性和预测
  • 这篇文章主要介绍了用Python实现随机森林算法,小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。拥有高方差使得决策树(secisiontress)在处理特定训练数据集时其结果显得相对脆弱。bagging(bootstrap ...
  • 随机森林算法python实现

    千次阅读 2021-02-04 15:42:20
    随机森林就是通过集成学习的思想将多棵树集成的一种算法,它的基本单元是决策树,而它的本质属于机器学习的一大分支——集成学习(Ensemble Learning)方法。随机森林的名称中有两个关键词,一个是“随机”,一个...
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    千次阅读 2021-10-22 00:57:59
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  • 本文从单棵决策树讲起,然后逐步解释了随机森林的工作原理,并使用sklearn中的随机森林对某个真实数据集进行预测。如今由于像Scikit-Learn这样的库的出现,我们可以很容易地在Python中实现数百种机器学习算法。它们...
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  • 随机森林+python代码实现

    千次阅读 2021-03-10 16:10:56
    一个分类器的分类准确率在60%-80%,即:比随机预测略好,但准确率却不太高,我们可以称之为“弱分类器”,比如CART(classificationandregressiontree分类与回归树)。反之,如果分类精度90%以上,则是强分类器。...
  • [ 2.] 2 2 在这里我有点困惑,就是在scikit-learn算法包中随机森林实际上就是一颗颗决策树组成的。但是之前我写的决策树博客中是可以将决策树给显示出来。但是随机森林却做了黑盒处理。我们不知道内部的决策树结构...
  • 本文件包括随机森林的代码实现和相应的数据集,以及详尽的...因为只是用来学习随机森林算法,所以在调参方法没下多少功夫,正确率可能不太高,当然数据集比较小也是一个原因。感兴趣的童鞋可以自己调整参数提高正确率。
  • Python 中的随机森林

    千次阅读 2022-01-04 22:27:15
    什么是随机森林 众所周知,树模型是高方差、低偏差的模型。因此,它们容易过度拟合训练数据。如果我们不修剪树模型或引入早期停止标准(例如每个叶节点的最小实例数),我们可以概括一下树模型的作用,这很吸引人...
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  • 随机森林原理详解及python代码实现

    千次阅读 2020-05-21 23:25:32
    随机森林(RF)算法1、算法原理2、对数据的要求(无需规范化)3、算法的优缺点4、算法需要注意的点5、python代码实现(待更......)导入相关包读取数据并预处理(必须处理缺失值)训练评估 1、算法原理 步骤(booststrap...
  • 今天我和大家分享一下python机器学习的随机森林算法。主要内容有: (1) 算法原理、(2) sklearn实现随机森林、(3) 泰坦尼克号沉船幸存者预测。 文末附python完整代码和数据集。那我们开始吧。
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空空如也

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