python多叉樹
1. 用python實現紅酒數據集的ID3,C4.5和CART演算法
ID3演算法介紹
ID3演算法全稱為迭代二叉樹3代演算法（Iterative Dichotomiser 3）
該演算法要先進行特徵選擇，再生成決策樹，其中特徵選擇是基於「信息增益」最大的原則進行的。
但由於決策樹完全基於訓練集生成的，有可能對訓練集過於「依賴」，即產生過擬合現象。因此在生成決策樹後，需要對決策樹進行剪枝。剪枝有兩種形式，分別為前剪枝（Pre-Pruning）和後剪枝（Post-Pruning），一般採用後剪枝。
信息熵、條件熵和信息增益
信息熵：來自於香農定理，表示信息集合所含信息的平均不確定性。信息熵越大，表示不確定性越大，所含的信息量也就越大。
設x 1 , x 2 , x 3 , . . . x n {x_1, x_2, x_3, ...x_n}x
1
,x
2
,x
3
,...x
n
為信息集合X的n個取值，則x i x_ix
i
的概率：
P ( X = i ) = p i , i = 1 , 2 , 3 , . . . , n P(X=i) = p_i, i=1,2,3,...,n
P(X=i)=p
i
,i=1,2,3,...,n
信息集合X的信息熵為：
H ( X ) = − ∑ i = 1 n p i log p i H(X) =- \sum_{i=1}^{n}{p_i}\log{p_i}
H(X)=−
i=1
∑
n
p
i
logp
i
條件熵：指已知某個隨機變數的情況下，信息集合的信息熵。
設信息集合X中有y 1 , y 2 , y 3 , . . . y m {y_1, y_2, y_3, ...y_m}y
1
,y
2
,y
3
,...y
m
組成的隨機變數集合Y，則隨機變數（X，Y）的聯合概率分布為
P ( x = i , y = j ) = p i j P(x=i,y=j) = p_{ij}
P(x=i,y=j)=p
ij
條件熵：
H ( X ∣ Y ) = ∑ j = 1 m p ( y j ) H ( X ∣ y j ) H(X|Y) = \sum_{j=1}^m{p(y_j)H(X|y_j)}
H(X∣Y)=
j=1
∑
m
p(y
j
)H(X∣y
j
)
由
H ( X ∣ y j ) = − ∑ j = 1 m p ( y j ) ∑ i = 1 n p ( x i ∣ y j ) log p ( x i ∣ y j ) H(X|y_j) = - \sum_{j=1}^m{p(y_j)}\sum_{i=1}^n{p(x_i|y_j)}\log{p(x_i|y_j)}
H(X∣y
j
)=−
j=1
∑
m
p(y
j
)
i=1
∑
n
p(x
i
∣y
j
)logp(x
i
∣y
j
)
和貝葉斯公式：
p ( x i y j ) = p ( x i ∣ y j ) p ( y j ) p(x_iy_j) = p(x_i|y_j)p(y_j)
p(x
i
y
j
)=p(x
i
∣y
j
)p(y
j
)
可以化簡條件熵的計算公式為:
H ( X ∣ Y ) = ∑ j = 1 m ∑ i = 1 n p ( x i , y j ) log p ( x i ) p ( x i , y j ) H(X|Y) = \sum_{j=1}^m \sum_{i=1}^n{p(x_i, y_j)\log\frac{p(x_i)}{p(x_i, y_j)}}
H(X∣Y)=
j=1
∑
m
i=1
∑
n
p(x
i
,y
j
)log
p(x
i
,y
j
)
p(x
i
)
信息增益：信息熵-條件熵，用於衡量在知道已知隨機變數後，信息不確定性減小越大。
d ( X , Y ) = H ( X ) − H ( X ∣ Y ) d(X,Y) = H(X) - H(X|Y)
d(X,Y)=H(X)−H(X∣Y)
python代碼實現
import numpy as np
import math
def calShannonEnt(dataSet):
""" 計算信息熵 """
labelCountDict = {}
for d in dataSet:
label = d[-1]
if label not in labelCountDict.keys():
labelCountDict[label] = 1
else:
labelCountDict[label] += 1
entropy = 0.0
for l, c in labelCountDict.items():
p = 1.0 * c / len(dataSet)
entropy -= p * math.log(p, 2)
return entropy
def filterSubDataSet(dataSet, colIndex, value):
"""返回colIndex特徵列label等於value，並且過濾掉改特徵列的數據集"""
subDataSetList = []
for r in dataSet:
if r[colIndex] == value:
newR = r[:colIndex]
newR = np.append(newR, (r[colIndex + 1:]))
subDataSetList.append(newR)
return np.array(subDataSetList)
def chooseFeature(dataSet):
""" 通過計算信息增益選擇最合適的特徵"""
featureNum = dataSet.shape[1] - 1
entropy = calShannonEnt(dataSet)
bestInfoGain = 0.0
bestFeatureIndex = -1
for i in range(featureNum):
uniqueValues = np.unique(dataSet[:, i])
condition_entropy = 0.0
for v in uniqueValues: #計算條件熵
subDataSet = filterSubDataSet(dataSet, i, v)
p = 1.0 * len(subDataSet) / len(dataSet)
condition_entropy += p * calShannonEnt(subDataSet)
infoGain = entropy - condition_entropy #計算信息增益
if infoGain >= bestInfoGain: #選擇最大信息增益
bestInfoGain = infoGain
bestFeatureIndex = i
return bestFeatureIndex
def creatDecisionTree(dataSet, featNames):
""" 通過訓練集生成決策樹 """
featureName = featNames[:] # 拷貝featNames，此處不能直接用賦值操作，否則新變數會指向舊變數的地址
classList = list(dataSet[:, -1])
if len(set(classList)) == 1: # 只有一個類別
return classList[0]
if dataSet.shape[1] == 1: #當所有特徵屬性都利用完仍然無法判斷樣本屬於哪一類，此時歸為該數據集中數量最多的那一類
return max(set(classList), key=classList.count)
bestFeatureIndex = chooseFeature(dataSet) #選擇特徵
bestFeatureName = featNames[bestFeatureIndex]
del featureName[bestFeatureIndex] #移除已選特徵列
decisionTree = {bestFeatureName: {}}
featureValueUnique = sorted(set(dataSet[:, bestFeatureIndex])) #已選特徵列所包含的類別， 通過遞歸生成決策樹
for v in featureValueUnique:
FeatureName = featureName[:]
subDataSet = filterSubDataSet(dataSet, bestFeatureIndex, v)
decisionTree[bestFeatureName][v] = creatDecisionTree(subDataSet, FeatureName)
return decisionTree
def classify(decisionTree, featnames, featList):
""" 使用訓練所得的決策樹進行分類 """
classLabel = None
root = decisionTree.keys()[0]
firstGenDict = decisionTree[root]
featIndex = featnames.index(root)
for k in firstGenDict.keys():
if featList[featIndex] == k:
if isinstance(firstGenDict[k], dict): #若子節點仍是樹，則遞歸查找
classLabel = classify(firstGenDict[k], featnames, featList)
else:
classLabel = firstGenDict[k]
return classLabel
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下面用鳶尾花數據集對該演算法進行測試。由於ID3演算法只能用於標稱型數據，因此用在對連續型的數值數據上時，還需要對數據進行離散化，離散化的方法稍後說明，此處為了簡化，先使用每一種特徵所有連續性數值的中值作為分界點，小於中值的標記為1，大於中值的標記為0。訓練1000次，統計准確率均值。
from sklearn import datasets
from sklearn.model_selection import train_test_split
iris = datasets.load_iris()
data = np.c_[iris.data, iris.target]
scoreL = []
for i in range(1000): #對該過程進行10000次
trainData, testData = train_test_split(data) #區分測試集和訓練集
featNames = iris.feature_names[:]
for i in range(trainData.shape[1] - 1): #對訓練集每個特徵，以中值為分界點進行離散化
splitPoint = np.mean(trainData[:, i])
featNames[i] = featNames[i]+'<='+'{:.3f}'.format(splitPoint)
trainData[:, i] = [1 if x <= splitPoint else 0 for x in trainData[:, i]]
testData[:, i] = [1 if x <= splitPoint else 0 for x in testData[:, i]]
decisionTree = creatDecisionTree(trainData, featNames)
classifyLable = [classify(decisionTree, featNames, td) for td in testData]
scoreL.append(1.0 * sum(classifyLable == testData[:, -1]) / len(classifyLable))
print 'score: ', np.mean(scoreL)
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輸出結果為：score: 0.7335，即准確率有73%。每次訓練和預測的准確率分布如下：
數據離散化
然而，在上例中對特徵值離散化的劃分點實際上過於「野蠻」，此處介紹一種通過信息增益最大的標准來對數據進行離散化。原理很簡單，當信息增益最大時，說明用該點劃分能最大程度降低數據集的不確定性。
具體步驟如下：
對每個特徵所包含的數值型特徵值排序
對相鄰兩個特徵值取均值，這些均值就是待選的劃分點
用每一個待選點把該特徵的特徵值劃分成兩類，小於該特徵點置為1， 大於該特徵點置為0，計算此時的條件熵，並計算出信息增益
選擇信息使信息增益最大的劃分點進行特徵離散化
實現代碼如下：
def filterRawData(dataSet, colIndex, value, tag):
""" 用於把每個特徵的連續值按照區分點分成兩類，加入tag參數，可用於標記篩選的是哪一部分數據"""
filterDataList = []
for r in dataSet:
if (tag and r[colIndex] <= value) or ((not tag) and r[colIndex] > value):
newR = r[:colIndex]
newR = np.append(newR, (r[colIndex + 1:]))
filterDataList.append(newR)
return np.array(filterDataList)
def dataDiscretization(dataSet, featName):
""" 對數據每個特徵的數值型特徵值進行離散化 """
featureNum = dataSet.shape[1] - 1
entropy = calShannonEnt(dataSet)
for featIndex in range(featureNum): #對於每一個特徵
uniqueValues = sorted(np.unique(dataSet[:, featIndex]))
meanPoint = []
for i in range(len(uniqueValues) - 1): # 求出相鄰兩個值的平均值
meanPoint.append(float(uniqueValues[i+1] + uniqueValues[i]) / 2.0)
bestInfoGain = 0.0
bestMeanPoint = -1
for mp in meanPoint: #對於每個劃分點
subEntropy = 0.0 #計算該劃分點的信息熵
for tag in range(2): #分別劃分為兩類
subDataSet = filterRawData(dataSet, featIndex, mp, tag)
p = 1.0 * len(subDataSet) / len(dataSet)
subEntropy += p * calShannonEnt(subDataSet)
## 計算信息增益
infoGain = entropy - subEntropy
## 選擇最大信息增益
if infoGain >= bestInfoGain:
bestInfoGain = infoGain
bestMeanPoint = mp
featName[featIndex] = featName[featIndex] + "<=" + "{:.3f}".format(bestMeanPoint)
dataSet[:, featIndex] = [1 if x <= bestMeanPoint else 0 for x in dataSet[:, featIndex]]
return dataSet, featName
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重新對數據進行離散化，並重復該步驟1000次，同時用sklearn中的DecisionTreeClassifier對相同數據進行分類，分別統計平均准確率。運行代碼如下:
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
import matplotlib.pyplot as plt
scoreL = []
scoreL_sk = []
for i in range(1000): #對該過程進行1000次
featNames = iris.feature_names[:]
trainData, testData = train_test_split(data) #區分測試集和訓練集
trainData_tmp = .(trainData)
testData_tmp = .(testData)
discritizationData, discritizationFeatName= dataDiscretization(trainData, featNames) #根據信息增益離散化
for i in range(testData.shape[1]-1): #根據測試集的區分點離散化訓練集
splitPoint = float(discritizationFeatName[i].split('<=')[-1])
testData[:, i] = [1 if x<=splitPoint else 0 for x in testData[:, i]]
decisionTree = creatDecisionTree(trainData, featNames)
classifyLable = [classify(decisionTree, featNames, td) for td in testData]
scoreL.append(1.0 * sum(classifyLable == testData[:, -1]) / len(classifyLable))
clf = DecisionTreeClassifier('entropy')
clf.fit(trainData[:, :-1], trainData[:, -1])
clf.predict(testData[:, :-1])
scoreL_sk.append(clf.score(testData[:, :-1], testData[:, -1]))
print 'score: ', np.mean(scoreL)
print 'score-sk: ', np.mean(scoreL_sk)
fig = plt.figure(figsize=(10, 4))
plt.subplot(1,2,1)
pd.Series(scoreL).hist(grid=False, bins=10)
plt.subplot(1,2,2)
pd.Series(scoreL_sk).hist(grid=False, bins=10)
plt.show()
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兩者准確率分別為：
score: 0.7037894736842105
score-sk: 0.7044736842105263
准確率分布如下：
兩者的結果非常一樣。
（但是。。為什麼根據信息熵離散化得到的准確率比直接用均值離散化的准確率還要低啊？？哇的哭出聲。。）
最後一次決策樹圖形如下：
決策樹剪枝
由於決策樹是完全依照訓練集生成的，有可能會有過擬合現象，因此一般會對生成的決策樹進行剪枝。常用的是通過決策樹損失函數剪枝，決策樹損失函數表示為:
C a ( T ) = ∑ t = 1 T N t H t ( T ) + α ∣ T ∣ C_a(T) = \sum_{t=1}^TN_tH_t(T) +\alpha|T|
C
a
(T)=
t=1
∑
T
N
t
H
t
(T)+α∣T∣
其中，H t ( T ) H_t(T)H
t
(T)表示葉子節點t的熵值，T表示決策樹的深度。前項∑ t = 1 T N t H t ( T ) \sum_{t=1}^TN_tH_t(T)∑
t=1
T
N
t
H
t
(T)是決策樹的經驗損失函數當隨著T的增加，該節點被不停的劃分的時候，熵值可以達到最小，然而T的增加會使後項的值增大。決策樹損失函數要做的就是在兩者之間進行平衡，使得該值最小。
對於決策樹損失函數的理解，如何理解決策樹的損失函數? - 陶輕松的回答 - 知乎這個回答寫得挺好，可以按照答主的思路理解一下
C4.5演算法
ID3演算法通過信息增益來進行特徵選擇會有一個比較明顯的缺點：即在選擇的過程中該演算法會優先選擇類別較多的屬性（這些屬性的不確定性小，條件熵小，因此信息增益會大），另外，ID3演算法無法解決當每個特徵屬性中每個分類都只有一個樣本的情況（此時每個屬性的條件熵都為0）。
C4.5演算法ID3演算法的改進，它不是依據信息增益進行特徵選擇，而是依據信息增益率，它添加了特徵分裂信息作為懲罰項。定義分裂信息：
S p l i t I n f o ( X , Y ) = − ∑ i n ∣ X i ∣ ∣ X ∣ log ∣ X i ∣ ∣ X ∣ SplitInfo(X, Y) =-\sum_i^n\frac{|X_i|}{|X|}\log\frac{|X_i|}{|X|}
SplitInfo(X,Y)=−
i
∑
n
∣X∣
∣X
i
∣
log
∣X∣
∣X
i
∣
則信息增益率為：
G a i n R a t i o ( X , Y ) = d ( X , Y ) S p l i t I n f o ( X , Y ) GainRatio(X,Y)=\frac{d(X,Y)}{SplitInfo(X, Y)}
GainRatio(X,Y)=
SplitInfo(X,Y)
d(X,Y)
關於ID3和C4.5演算法
在學習分類回歸決策樹演算法時，看了不少的資料和博客。關於這兩個演算法，ID3演算法是最早的分類演算法，這個演算法剛出生的時候其實帶有很多缺陷：
無法處理連續性特徵數據
特徵選取會傾向於分類較多的特徵
沒有解決過擬合的問題
沒有解決缺失值的問題
即該演算法出生時是沒有帶有連續特徵離散化、剪枝等步驟的。C4.5作為ID3的改進版本彌補列ID3演算法不少的缺陷：
通過信息最大增益的標准離散化連續的特徵數據
在選擇特徵是標准從「最大信息增益」改為「最大信息增益率」
通過加入正則項系數對決策樹進行剪枝
對缺失值的處理體現在兩個方面：特徵選擇和生成決策樹。初始條件下對每個樣本的權重置為1。
特徵選擇：在選取最優特徵時，計算出每個特徵的信息增益後，需要乘以一個**「非缺失值樣本權重占總樣本權重的比例」**作為系數來對比每個特徵信息增益的大小
生成決策樹：在生成決策樹時，對於缺失的樣本我們按照一定比例把它歸屬到每個特徵值中，比例為該特徵每一個特徵值占非缺失數據的比重
關於C4.5和CART回歸樹
作為ID3的改進版本，C4.5克服了許多缺陷，但是它自身還是存在不少問題：
C4.5的熵運算中涉及了對數運算，在數據量大的時候效率非常低。
C4.5的剪枝過於簡單
C4.5隻能用於分類運算不能用於回歸
當特徵有多個特徵值是C4.5生成多叉樹會使樹的深度加深
————————————————
版權聲明：本文為CSDN博主「Sarah Huang」的原創文章，遵循CC 4.0 BY-SA版權協議，轉載請附上原文出處鏈接及本聲明。
原文鏈接：https://blog.csdn.net/weixin_44794704/article/details/89406612
2. 如何實現Python多叉樹
classnode:
def__init__(self,data):
self._data=data
self._children=[]
defgetdata(self):
returnself._data
defgetchildren(self):
returnself._children
defadd(self,node):
##iffull
iflen(self._children)==4:
returnFalse
else:
self._children.append(node)
defgo(self,data):
forchildinself._children:
ifchild.getdata()==data:
returnchild
returnNone
classtree:
def__init__(self):
self._head=node('header')
deflinktohead(self,node):
self._head.add(node)
definsert(self,path,data):
cur=self._head
forstepinpath:
ifcur.go(step)==None:
returnFalse
else:
cur=cur.go(step)
cur.add(node(data))
returnTrue
defsearch(self,path):
cur=self._head
forstepinpath:
ifcur.go(step)==None:
returnNone
else:
cur=cur.go(step)
returncur
'''
definenode
'''
a=node('A')
b=node('B')
c=node('C')
d=node('D')
e=node('E')
f=node('F')
g=node('G')
h=node('H')
i=node('I')
j=node('J')
k=node('K')
l=node('L')
m=node('M')
n=node('N')
o=node('O')
'''
addingnodetobuildtrue
'''
a.add(b)
a.add(g)
a.add(h)
b.add(c)
b.add(e)
g.add(i)
g.add(j)
g.add(k)
g.add(l)
h.add(m)
h.add(n)
h.add(o)
c.add(d)
c.add(f)
i.add(node(29))
j.add(node(28))
k.add(node(27))
l.add(node(26))
m.add(node(25))
n.add(node(24))
o.add(node(23))
f.add(node(30))
tree=tree()
tree.linktohead(a)
#testcase
print'Node',tree.search("ABE").getdata()
print'Node',tree.search("ABC").getdata()
print'Node',tree.search("AHM").getdata()
tree.insert("ABCD",1)
foriind.getchildren():
print'valueafter',d.getdata(),'is',i.getdata()
3. 如何用python構造一個n層的完全二叉樹
用python構造一個n層的完全二叉樹的代碼如下：
typedefstruct{
intweight;
intparent,lchild,rchild;
}HTNode,*HuffmanTree;//動態分配數組存儲huffman樹
演算法設計
voidcreateHuffmantree(){
ht=(HuffmanTree)malloc(m+1)*sizeof(HTNode);//動態分配數組存儲huffman樹,0號單元未用
//m:huffman樹中的結點數（m=2*n-1）
for(i=1;i<=m;++i)
ht[i].parent=ht[i]->lch=ht[i]->rch=0;
for(i=1;i<=n;++i)
ht[i].weight=w[i];//初始化，w[i]：n個葉子的權值
for(i=n+1;i<=m,++i)｛//建哈夫曼樹
select(i-1),s1,s2);//在ht[k](1<=k<=i-1)中選擇兩個雙親域為零而權值取最小的結點:s1和s2
ht[s1].parent=ht[s2].parent=i;
ht[i].lch=s1;
ht[i].rch=s2;
ht[i].weight=ht[s1].weight+ht[s2].weight;
};
}