决策树完整代码

分手后的思念是犯贱 2023-06-18 02:54 85阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  trees.py
     *  treePlotter.py

## trees.py ##

#!/usr/bin/python
    # coding:utf-8
    import operator
    from math import log
    import treePlotter as dtPlot
    from collections import Counter
    
    
    def createDataSet():
        dataSet = [
            [1, 1, 'yes'],
            [1, 1, 'yes'],
            [1, 0, 'no'],
            [0, 1, 'no'],
            [0, 1, 'no']
        ]
        labels = ['no surfacing', 'flippers']
        return dataSet, labels
    
    
    def calcShannonEnt(dataSet):
        """
        计算给定数据集的香农熵
        :param dataSet:数据集
        :return:每一组feature下的某个分类下，香农熵的信息期望
        """
        # 第一种实现方法
        # 求list的长度，表示计算参与训练的数据量
        numEntries = len(dataSet)
    
        # 计算分类标签label出现的次数
        labelCounts = {
        }
        for featVec in dataSet:
            # 将当前实例的标签存储，即每一行数据的最后一个数据代表的是标签
            currentLabel1 = featVec[-1]
            # 为所有可能的分类创建字典，如果当前的键值不存在，则扩展字典并将当前键值加入字典。每个键值都记录了当前类别出现的次数。
            if currentLabel1 not in labelCounts.keys():
                labelCounts[currentLabel1] = 0
            labelCounts[currentLabel1] += 1
    
        # 对于label标签的占比，求出label标签的香农熵
        shannonEnt = 0.0
        for key in labelCounts:
            # 使用所有类标签的发生频率计算类别出现的概率。
            prob = float(labelCounts[key]) / numEntries
            # 计算香农熵，以 2 为底求对数
            shannonEnt -= prob * log(prob, 2)
        # 第一种实现方式end
    
        # 第二种实现方式start
        # # 统计标签出现的次数
        # label_count = Counter(data[-1] for data in dataSet)
        # # 计算概率
        # probs = [p[1] / len(dataSet) for p in label_count.items()]
        # # 计算香农熵
        # shannonEnt = sum([-p * log(p, 2) for p in probs])
        # 第二种实现方式end
    
        return shannonEnt
    
    
    def splitDataSet(dataSet, index, value):
        """
        就是依据index列进行分类，如果index列的数据等于 value，就要将 index 划分到我们创建的新的数据集中
        说白了就是通过index特征分类，并将特征从数据中消除
        :param dataSet:数据集                  待划分的数据集
        :param index:表示每一行的index列        划分数据集的特征
        :param value:表示index列对应的value值   需要返回的特征的值。
        :return:index列为value的数据集【该数据集需要排除index列】
        """
    
        retDataSet = []
        for featVec in dataSet:
            if featVec[index] == value:
                # [:index]表示前index行，即若 index 为2，就是取 featVec 的前 index 行
                reducedFeatVec = featVec[:index]
                # 1、使用append的时候，是将object看作一个对象，整体打包添加到music_media对象中。
                # 2、使用extend的时候，是将sequence看作一个序列，将这个序列和music_media序列合并，并放在其后面。
                reducedFeatVec.extend(featVec[index + 1:])
                retDataSet.append(reducedFeatVec)
        return retDataSet
    
    
    def chooseBestFeatureToSplit(dataSet):
        """
        选择最好的特征
        :param dataSet:数据集
        :return:最优的特征列
        """
        # 求第一行有多少列的 Feature, 最后一列是label列
        numFeatures = len(dataSet[0]) - 1
        # 数据集的原始信息熵
        baseEntropy = calcShannonEnt(dataSet)
        # 最优的信息增益值, 和最优的Featurn编号
        bestInfoGain, bestFeature = 0.0, -1
        for i in range(numFeatures):
            # 获取对应的feature下的所有数据
            featList = [example[i] for example in dataSet]
            # 获取剔重后的集合，使用set对list数据进行去重
            uniqueVals = set(featList)
            # 创建一个临时的信息熵
            newEntropy = 0.0
            # 遍历某一列的value集合，计算该列的信息熵
            # 遍历当前特征中的所有唯一属性值，对每个唯一属性值划分一次数据集，计算数据集的新熵值，并对所有唯一特征值得到的熵求和。
            for value in uniqueVals:
                subDateSet = splitDataSet(dataSet, i, value)
                # 计算概率
                prob = len(subDateSet) / float(len(dataSet))
                # 计算信息熵
                newEntropy += prob * calcShannonEnt(subDateSet)
            # gain[信息增益]: 划分数据集前后的信息变化， 获取信息熵最大的值
            # 信息增益是熵的减少或者是数据无序度的减少。最后，比较所有特征中的信息增益，返回最好特征划分的索引值。
            infoGain = baseEntropy - newEntropy
            if infoGain > bestInfoGain:
                bestInfoGain = infoGain
                bestFeature = i
        return bestFeature
    
        # # -----------选择最优特征的第二种方式 start------------------------------------
        # # 计算初始香农熵
        # base_entropy = calcShannonEnt(dataSet)
        # best_info_gain = 0
        # best_feature = -1
        # # 遍历每一个特征
        # for i in range(len(dataSet[0]) - 1):
        #     # 对当前特征进行统计
        #     feature_count = Counter([data[i] for data in dataSet])
        #     # 计算分割后的香农熵
        #     new_entropy = sum(feature[1] / float(len(dataSet)) * calcShannonEnt(splitDataSet(dataSet, i, feature[0])) \
        #                    for feature in feature_count.items())
        #     # 更新值
        #     info_gain = base_entropy - new_entropy
        #     print('No. {0} feature info gain is {1:.3f}'.format(i, info_gain))
        #     if info_gain > best_info_gain:
        #         best_info_gain = info_gain
        #         best_feature = i
        # return best_feature
        # # -----------选择最优特征的第二种方式 end------------------------------------
    
    
    def majorityCnt(classList):
        """
        选择出现次数最多的一个结果
        :param classList:列的集合
        :return:bestFeature 最优的特征列
        """
        # -----------majorityCnt的第一种方式 start------------------------------------
        classCount = {
        }
        for vote in classList:
            if vote not in classCount.keys():
                classCount[vote] = 0
            classCount[vote] += 1
        # 倒叙排列classCount得到一个字典集合，然后取出第一个就是结果（yes/no），即出现次数最多的结果
        sortedClassCount = sorted(classCount.items(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)
        return sortedClassCount[0][0]
        # -----------majorityCnt的第一种方式 end------------------------------------
    
        # # -----------majorityCnt的第二种方式 start------------------------------------
        # major_label = Counter(classList).most_common(1)[0]
        # return major_label
        # # -----------majorityCnt的第二种方式 end------------------------------------
    
    
    def createTree(dataSet, labels):
        classList = [example[-1] for example in dataSet]
        # 如果数据集的最后一列的第一个值出现的次数=整个集合的数量，也就说只有一个类别，就只直接返回结果就行
        # 第一个停止条件：所有的类标签完全相同，则直接返回该类标签。
        # count() 函数是统计括号中的值在list中出现的次数
        if classList.count(classList[0]) == len(classList):
            return classList[0]
        # 如果数据集只有1列，那么最初出现label次数最多的一类，作为结果
        # 第二个停止条件：使用完了所有特征，仍然不能将数据集划分成仅包含唯一类别的分组。
        if len(dataSet[0]) == 1:
            return majorityCnt(classList)
    
        # 选择最优的特征，得到最优特征对应的label含义
        bestFeat = chooseBestFeatureToSplit(dataSet)
        # 获取label的名称
        bestFeatLabel = labels[bestFeat]
        # 初始化myTree
        myTree = {
        bestFeatLabel: {
        }}
        # 注：labels列表是可变对象，在PYTHON函数中作为参数时传址引用，能够被全局修改
        # 所以这行代码导致函数外的同名变量被删除了元素，造成例句无法执行，提示'no surfacing' is not in list
        del labels[bestFeat]
        # 取出最优列，然后它的branch做分类
        featValues = [example[bestFeat] for example in dataSet]
        uniqueVals = set(featValues)
        for value in uniqueVals:
            # 求出剩余的标签label
            subLabels = labels[:]
            # 遍历当前选择特征包含的所有属性值，在每个数据集划分上递归调用函数createTree()
            myTree[bestFeatLabel][value] = createTree(splitDataSet(dataSet, bestFeat, value), subLabels)
        return myTree
    
    
    # 测试算法：使用决策树执行分类
    def classify(inputTree, featLabels, testVec):
        """
        给输入的节点，进行分类
        :param inputTree:决策树模型
        :param featLabels:Feature标签对应的名称
        :param testVec:测试输入的数据
        :return:classLabel 分类的结果值，需要映射label才能知道名称
        """
        # 获取tree的根节点对于的key值
        firstStr = list(inputTree.keys())[0]
        # 通过key得到根节点对应的value
        secondDict = inputTree[firstStr]
        # 判断根节点名称获取根节点在label中的先后顺序，这样就知道输入的testVec怎么开始对照树来做分类
        featIndex = featLabels.index(firstStr)
        # 测试数据，找到根节点对应的label位置，也就知道从输入的数据的第几位来开始分类
        key = testVec[featIndex]
        valueOfFeat = secondDict[key]
        print('+++', firstStr, 'xxx', secondDict, '---', key, '>>>', valueOfFeat)
        # 判断分枝是否结束: 判断valueOfFeat是否是dict类型
        if isinstance(valueOfFeat, dict):
            classLabel = classify(valueOfFeat, featLabels, testVec)
        else:
            classLabel = valueOfFeat
        return classLabel
    
    
    # 使用算法：决策树的储存
    def storeTree(inputTree, filename):
        import pickle
        fw = open(filename, 'wb')
        pickle.dump(inputTree, fw)
        fw.close()
        # -------------- 第二种方法 start --------------
        # with open(filename, 'wb') as fw:
        #     pickle.dump(inputTree, fw)
        # -------------- 第二种方法 start --------------
    
    
    def grapTree(filename):
        import pickle
        fr = open(filename, 'rb')
        return pickle.load(fr)
    
    
    def fishTest():
        # 1.创建数据和结果标签
        myDat, labels = createDataSet()
        # print myDat, labels
    
        # 计算label分类标签的香农熵
        # calcShannonEnt(myDat)
    
        # # 求第0列 为 1/0的列的数据集【排除第0列】
        # print '1---', splitDataSet(myDat, 0, 1)
        # print '0---', splitDataSet(myDat, 0, 0)
    
        # # 计算最好的信息增益的列
        # print chooseBestFeatureToSplit(myDat)
    
        import copy
        myTree = createTree(myDat, copy.deepcopy(labels))
        print(myTree)
    
        # [1, 1]表示要取的分支上的节点位置，对应的结果值
        print(classify(myTree, labels, [1, 1]))
    
        # 获得树的高度
        print('树高：', get_tree_height(myTree))
    
        # 画图可视化展现
        dtPlot.createPlot(myTree)
    
    
    def get_tree_height(tree):
        """
         Desc:
            递归获得决策树的高度
        Args:
            tree
        Returns:
            树高
        """
    
        if not isinstance(tree, dict):
            return 1
    
        child_trees = list(tree.values())[0].values()
    
        # 遍历子树, 获得子树的最大高度
        max_height = 0
        for child_tree in child_trees:
            child_tree_height = get_tree_height(child_tree)
    
            if child_tree_height > max_height:
                max_height = child_tree_height
    
        return max_height + 1
    
    
    def ContactLensesTest():
        """
        Desc:
            预测隐形眼镜的测试代码
        Returns:
            none
        """
    
        # 加载隐形眼镜相关的 文本文件 数据
        fr = open('data/lenses.txt')
        # 解析数据，获得 features 数据
        lenses = [inst.strip().split('\t') for inst in fr.readlines()]
        # 得到数据的对应的 Labels
        lensesLabels = ['age', 'prescript', 'astigmatic', 'tearRate']
        # 使用上面的创建决策树的代码，构造预测隐形眼镜的决策树
        lensesTree = createTree(lenses, lensesLabels)
        print(lensesTree)
        # 画图可视化展现
        dtPlot.createPlot(lensesTree)
    
    
    if __name__ == "__main__":
        # fishTest()
    
        ContactLensesTest()

## treePlotter.py ##

#!/usr/bin/env python
    # coding: utf-8
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    # 定义文本框 和 箭头格式 【 sawtooth 波浪方框, round4 矩形方框 , fc表示字体颜色的深浅 0.1~0.9 依次变浅，没错是变浅】
    decisionNode = dict(boxstyle="sawtooth", fc="0.8")
    leafNode = dict(boxstyle="round4", fc="0.8")
    arrow_args = dict(arrowstyle="<-")
    
    
    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)
    
    
    def createPlot(inTree):
        # 创建一个figure的模版
        fig = plt.figure(1, facecolor='green')
        fig.clf()
    
        axprops = dict(xticks=[], yticks=[])
        # 表示创建一个1行，1列的图，createPlot.ax1 为第 1 个子图，
        createPlot.ax1 = plt.subplot(111, frameon=False, **axprops)
    
        plotTree.totalW = float(getNumLeafs(inTree))
        plotTree.totalD = float(getTreeDepth(inTree))
        # 半个节点的长度；xOff表示当前plotTree未遍历到的最左的叶节点的左边一个叶节点的x坐标
        # 所有叶节点中，最左的叶节点的x坐标是0.5/plotTree.totalW（因为totalW个叶节点在x轴方向是平均分布在[0, 1]区间上的）
        # 因此，xOff的初始值应该是 0.5/plotTree.totalW-相邻两个叶节点的x轴方向距离
        plotTree.xOff = -0.5 / plotTree.totalW
        # 根节点的y坐标为1.0，树的最低点y坐标为0
        plotTree.yOff = 1.0
        # 第二个参数是根节点的坐标
        plotTree(inTree, (0.5, 1.0), '')
        plt.show()
    
    
    def getNumLeafs(myTree):
        numLeafs = 0
        firstStr = list(myTree.keys())[0]  # 这里原来的代码稍有问题，变为list就好
        secondDict = myTree[firstStr]
        # 根节点开始遍历
        for key in secondDict.keys():
            # 判断子节点是否为dict, 不是+1
            if type(secondDict[key]) is dict:
                numLeafs += getNumLeafs(secondDict[key])
            else:
                numLeafs += 1
        return numLeafs
    
    
    def getTreeDepth(myTree):
        maxDepth = 0
        firstStr = list(myTree.keys())[0]
        secondDict = myTree[firstStr]
        # 根节点开始遍历
        for key in secondDict.keys():
            # 判断子节点是不是dict, 求分枝的深度
            if type(secondDict[key]) is dict:
                thisDepth = 1 + getTreeDepth(secondDict[key])
            else:
                thisDepth = 1
            # 记录最大的分支深度
            if thisDepth > maxDepth:
                maxDepth = thisDepth
        return maxDepth
    
    
    # 函数retrieveTree()主要用于测试，返回预定义的树结构。
    def retrieveTree(i):
        listOfTrees = [
            {
        'no surfacing': {
        0: 'no', 1: {
        'flippers': {
        0: 'no', 1: 'yes'}}}},
            {
        'no surfacing': {
        0: 'no', 1: {
        'flippers': {
        0: {
        'head': {
        0: 'no', 1: 'yes'}}, 1: 'no'}}}}
        ]
        return listOfTrees[i]
    
    
    # 在父子节点间填充文本信息
    def plotMidText(cntrPt, parentPt, txtString):
        xMid = (parentPt[0] - cntrPt[0]) / 2.0 + cntrPt[0]
        yMid = (parentPt[1] - cntrPt[1]) / 2.0 + cntrPt[1]
        createPlot.ax1.text(xMid, yMid, txtString, va="center", ha="center", rotation=30)
    
    
    def plotTree(myTree, parentPt, nodeTxt):
        # 获取叶子节点的数量
        numLeafs = getNumLeafs(myTree)
        # 获取树的深度
        # depth = getTreeDepth(myTree)
    
        # 找出第1个中心点的位置，然后与 parentPt定点进行划线
        # x坐标为 (numLeafs-1.)/plotTree.totalW/2+1./plotTree.totalW，化简如下
        cntrPt = (plotTree.xOff + (1.0 + float(numLeafs)) / 2.0 / plotTree.totalW, plotTree.yOff)
        # print cntrPt
        # 并打印输入对应的文字
        plotMidText(cntrPt, parentPt, nodeTxt)
    
        firstStr = list(myTree.keys())[0]
        # 可视化Node分支点；第一次调用plotTree时，cntrPt与parentPt相同
        plotNode(firstStr, cntrPt, parentPt, decisionNode)
        # 根节点的值
        secondDict = myTree[firstStr]
        # y值 = 最高点-层数的高度[第二个节点位置]；1.0相当于树的高度
        plotTree.yOff = plotTree.yOff - 1.0 / plotTree.totalD
        for key in secondDict.keys():
            # 判断该节点是否是Node节点
            if type(secondDict[key]) is dict:
                # 如果是就递归调用[recursion]
                plotTree(secondDict[key], cntrPt, str(key))
            else:
                # 如果不是，就在原来节点一半的地方找到节点的坐标
                plotTree.xOff = plotTree.xOff + 1.0 / plotTree.totalW
                # 可视化该节点位置
                plotNode(secondDict[key], (plotTree.xOff, plotTree.yOff), cntrPt, leafNode)
                # 并打印输入对应的文字
                plotMidText((plotTree.xOff, plotTree.yOff), cntrPt, str(key))
        plotTree.yOff = plotTree.yOff + 1.0 / plotTree.totalD