手写决策树ID3算法（python）_id3决策树算法例题手算

决策数(Decision Tree)在机器学习中也是比较常见的一种算法，属于监督学习中的一种。看字面意思应该也比较容易理解，相比其他算法比如支持向量机(SVM)或神经网络，似乎决策树感觉“亲切”许多。

优点：计算复杂度不高，输出结果易于理解，对中间值的缺失值不敏感，可以处理不相关特征数据。
缺点：可能会产生过度匹配的问题。
使用数据类型：数值型和标称型。
简单介绍完毕，让我们来通过一个例子让决策树“原形毕露”。

一天，老师问了个问题，只根据头发和声音怎么判断一位同学的性别。
为了解决这个问题，同学们马上简单的统计了7位同学的相关特征，数据如下：

机智的同学A想了想，先根据头发判断，若判断不出，再根据声音判断，于是画了一幅图，如下：

于是，一个简单、直观的决策树就这么出来了。头发长、声音粗就是男生；头发长、声音细就是女生；头发短、声音粗是男生；头发短、声音细是女生。
原来机器学习中决策树就这玩意，这也太简单了吧。。。
这时又蹦出个同学B，想先根据声音判断，然后再根据头发来判断，如是大手一挥也画了个决策树：

同学B的决策树：首先判断声音，声音细，就是女生；声音粗、头发长是男生；声音粗、头发长是女生。

那么问题来了：同学A和同学B谁的决策树好些？计算机做决策树的时候，面对多个特征，该如何选哪个特征为最佳的划分特征？

划分数据集的大原则是：将无序的数据变得更加有序。
我们可以使用多种方法划分数据集，但是每种方法都有各自的优缺点。于是我们这么想，如果我们能测量数据的复杂度，对比按不同特征分类后的数据复杂度，若按某一特征分类后复杂度减少的更多，那么这个特征即为最佳分类特征。
Claude Shannon 定义了熵（entropy）和信息增益(information gain)。
用熵来表示信息的复杂度，熵越大，则信息越复杂。公式如下：

信息增益(information gain)，表示两个信息熵的差值。
首先计算未分类前的熵，总共有8位同学，男生3位，女生5位。
熵（总）=-3/8log2(3/8)-5/8log2(5/8)=0.9544
接着分别计算同学A和同学B分类后信息熵。
同学A首先按头发分类，分类后的结果为：长头发中有1男3女。短头发中有2男2女。
熵（同学A长发）=-1/4log2(1/4)-3/4log2(3/4)=0.8113
熵（同学A短发）=-2/4log2(2/4)-2/4log2(2/4)=1
熵（同学A）=4/80.8113+4/81=0.9057
信息增益（同学A）=熵（总）-熵（同学A）=0.9544-0.9057=0.0487
同理，按同学B的方法，首先按声音特征来分，分类后的结果为：声音粗中有3男3女。声音细中有0男2女。
熵（同学B声音粗）=-3/6log2(3/6)-3/6log2(3/6)=1
熵（同学B声音粗）=-2/2log2(2/2)=0
熵（同学B）=6/81+2/8*0=0.75
信息增益（同学B）=熵（总）-熵（同学B）=0.9544-0.75=0.2087

按同学B的方法，先按声音特征分类，信息增益更大，区分样本的能力更强，更具有代表性。
以上就是决策树ID3算法的核心思想。
接下来用python代码来实现ID3算法：
 

#决策树ID3算法
from math import log
import operator
 
def calcShannonEnt(dataSet):  # 计算数据的熵(entropy)
    numEntries=len(dataSet)  # 数据条数
    labelCounts={}
    for featVec in dataSet:
        currentLabel=featVec[-1] # 每行数据的最后一个字（类别）
        if currentLabel not in labelCounts.keys():
            labelCounts[currentLabel]=0
        labelCounts[currentLabel]+=1  # 统计有多少个类以及每个类的数量
    shannonEnt=0
    for key in labelCounts:
        prob=float(labelCounts[key])/numEntries # 计算单个类的熵值
        shannonEnt-=prob*log(prob,2) # 累加每个类的熵值
    return shannonEnt
 
def createDataSet1():    # 创造示例数据
    dataSet = [['长', '粗', '男'],
               ['短', '粗', '男'],
               ['短', '粗', '男'],
               ['长', '细', '女'],
               ['短', '细', '女'],
               ['短', '粗', '女'],
               ['长', '粗', '女'],
               ['长', '粗', '女']]
    labels = ['头发','声音']  #两个特征
    return dataSet,labels
 
def splitDataSet(dataSet,axis,value): # 按某个特征分类后的数据
    retDataSet=[]
    for featVec in dataSet:
        if featVec[axis]==value:
            reducedFeatVec =featVec[:axis]
            reducedFeatVec.extend(featVec[axis+1:])
            retDataSet.append(reducedFeatVec)
    return retDataSet
 
def chooseBestFeatureToSplit(dataSet):  # 选择最优的分类特征
    numFeatures = len(dataSet[0])-1
    baseEntropy = calcShannonEnt(dataSet)  # 原始的熵
    bestInfoGain = 0
    bestFeature = -1
    for i in range(numFeatures):
        featList = [example[i] for example in dataSet]
        uniqueVals = set(featList)
        newEntropy = 0
        for value in uniqueVals:
            subDataSet = splitDataSet(dataSet,i,value)
            prob =len(subDataSet)/float(len(dataSet))
            newEntropy +=prob*calcShannonEnt(subDataSet)  # 按特征分类后的熵
        infoGain = baseEntropy - newEntropy  # 原始熵与按特征分类后的熵的差值
        if (infoGain>bestInfoGain):   # 若按某特征划分后，熵值减少的最大，则次特征为最优分类特征
            bestInfoGain=infoGain
            bestFeature = i
    return bestFeature
 
def majorityCnt(classList):    #按分类后类别数量排序，比如：最后分类为2男1女，则判定为男；
    classCount={}
    for vote in classList:
        if vote not in classCount.keys():
            classCount[vote]=0
        classCount[vote]+=1
    sortedClassCount = sorted(classCount.items(),key=operator.itemgetter(1),reverse=True)
    return sortedClassCount[0][0]
 
def createTree(dataSet,labels):
    classList=[example[-1] for example in dataSet]  # 类别：男或女
    if classList.count(classList[0])==len(classList):
        return classList[0]
    if len(dataSet[0])==1:
        return majorityCnt(classList)
    bestFeat=chooseBestFeatureToSplit(dataSet) #选择最优特征
    bestFeatLabel=labels[bestFeat]
    myTree={bestFeatLabel:{}} #分类结果以字典形式保存
    del(labels[bestFeat])
    featValues=[example[bestFeat] for example in dataSet]
    uniqueVals=set(featValues)
    for value in uniqueVals:
        subLabels=labels[:]
        myTree[bestFeatLabel][value]=createTree(splitDataSet\
            (dataSet,bestFeat,value),subLabels)
    return myTree
 
def predict(mytree, tips, list1):
    res = []
    for item in list1:
        tmp_tree = mytree
        iter = tmp_tree.__iter__()     
        while 1:
            try:
                key = iter.__next__()
                if isinstance(key, str) and (key == "男" or key == "女"):
                    res.append(key)
                    break
 
                v = tmp_tree[key]
                index = tips[key]
                item_res = item[index]
                tmp_tree = v[item_res]
                iter = tmp_tree.__iter__()
            except StopIteration:
                break
 
    return res
        
 
if __name__=='__main__':
    dataSet, labels=createDataSet1()  # 创造示列数据
    mytree = createTree(dataSet, labels)
    print(mytree)  # 输出决策树模型结果
 
    #预测
    tips = {"头发":0, "声音":1}
    res = predict(mytree, tips, [['长', '粗'], ['短', '粗']])
    print(res)