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[其他资源] 基于Python实现的决策树模型

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杨利霞        

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    2021-8-11 17:59
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    [LV.4]偶尔看看III

    网络挑战赛参赛者

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    自我介绍
    本人女,毕业于内蒙古科技大学,担任文职专业,毕业专业英语。

    群组2018美赛大象算法课程

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    1#
    发表于 2022-9-12 18:10 |只看该作者 |倒序浏览
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    基于Python实现的决策树模型
    & w( r% W+ j1 `7 I; p" d- V
    + U" Q, ?/ f+ m  g决策树模型
    - q+ M; t3 T( y- h0 l; f$ c; m8 B$ D目录$ q* J( b3 z8 b  z* `6 R
    人工智能第五次实验报告 11 B' C4 f5 l- [" Z: {
    决策树模型 1
    6 |+ z, k1 O! M, Q一 、问题背景 1
    / H1 X: v- b1 z. ^1.1 监督学习简介 1
    0 g" F: r6 f# `+ L1.2 决策树简介 12 d8 y3 }% @* e9 N  a& X1 G. p
    二 、程序说明 3$ P' u7 w0 G2 ]4 D0 ?/ T
    2.1 数据载入 3
    4 R; ^/ \7 {2 A- c! L" m4 e2.2 功能函数 3
    5 C- q" y) S, E) q/ L5 e2.3 决策树模型 4" t3 }6 E9 ^- L2 z% M
    三 、程序测试 5& ^% n2 C, B0 U$ T6 ^5 d9 T
    3.1 数据集说明 5
    + p; }5 \" W1 m' l' g2 y/ P3.2 决策树生成和测试 6. ?0 I/ `  V8 M: e7 P* c: u1 _
    3.3 学习曲线评估算法精度 7
    3 ~+ x1 a0 Y- A6 b% |- x8 R5 `3 k四 、实验总结 8
      n& @9 q+ f9 b; n8 v附 录 - 程序代码 82 R' Z1 t3 z- {0 w' ~3 t1 p( Y
    一 、问题背景( H7 Q7 ~9 f; G6 m
    1.1监督学习简介
    , `0 S+ Z- Y( r; G2 _+ m机器学习的形式包括无监督学习,强化学习,监督学习和半监督学习;学习任务有分类、聚类和回 归等。3 k+ O% i) o& D6 h7 f( j
    监督学习通过观察“输入—输出”对,学习从输入到输出的映射函数。分类监督学习的训练集为标记 数据,本文转载自http://www.biyezuopin.vip/onews.asp?id=16720每一条数据有对应的”标签“,根据标签可以将数据集分为若干个类别。分类监督学习经训练集生 成一个学习模型,可以用来预测一条新数据的标签。
    3 T- g" O. t+ \常见的监督学习模型有决策树、KNN算法、朴素贝叶斯和随机森林等。( o& C$ `8 c' w
    1.2决策树简介
    1 a7 K* ^& t' O+ \5 Q决策树归纳是一类简单的机器学习形式,它表示为一个函数,以属性值向量作为输入,返回一个决策。0 n) X9 N3 A" }( Y* I! A
    决策树的组成
    ; j1 S3 E0 R* V0 }% S: H, j决策树由内节点上的属性值测试、分支上的属性值和叶子节点上的输出值组成。
    ) M! Z, r. ]. z/ ^! @
    ( Z' n. B8 z+ M; S5 a: jimport numpy as np
    , g0 o4 \9 a$ r; I" P+ e# b; bfrom matplotlib import pyplot as plt
    9 X/ L& K% _3 F( z3 pfrom math import log
    7 ~5 l% r9 J% Z/ U$ Iimport pandas as pd
    ( [& q, d7 X2 \import pydotplus as pdp* I2 x, n* q. _7 G4 ~
    3 {" P5 I/ @1 F# L! I
    """3 q# c. g) D- @8 ]3 G) r- x
    19335286 郑有为2 k& H" a0 d3 F& A  ^4 d
    人工智能作业 - 实现ID3决策树6 ~+ P, ?% T9 N: m) y% E
    """+ C; r& y) A1 w: I7 Z( u; f
    , A1 x0 t* d9 O  I
    nonce = 0  # 用来给节点一个全局ID! p5 K. A- [5 s+ u* a, P
    color_i = 03 v+ j/ a8 h& s9 P) j, I' d) r  ~
    # 绘图时节点可选的颜色, 非叶子节点是蓝色的, 叶子节点根据分类被赋予不同的颜色; {1 i3 q. g4 d3 ]/ ?* X% S2 Y
    color_set = ["#AAFFDD", "#DDAAFF", "#DDFFAA", "#FFAADD", "#FFDDAA"]5 w+ |) R; s6 o8 q/ P/ W0 l1 \
      j' y, h2 f# @. K1 f
    # 载入汽车数据, 判断顾客要不要买' |5 Z* _5 B$ r4 o& L4 }: }7 n0 X' v
    class load_car:* g6 d$ m" x; ]/ [1 ?" v6 ]* s+ Y
        # 在表格中,最后一列是分类结果( g& C2 l2 d: b7 n! |( i
        # feature_names: 属性名列表
    / }5 C& E) B  h# p, V& ]! ~# O. F5 G    # target_names: 标签(分类)名
    8 I5 ?: S# J4 ^! F; k& [    # data: 属性数据矩阵, 每行是一个数据, 每个数据是每个属性的对应值的列表/ ~3 y$ {( }) U
        # target: 目标分类值列表
    / B7 \4 W1 @9 \6 ~* s+ b( w5 a  |    def __init__(self):
    ! s9 u, f7 S( n& u$ a/ B7 r; i- O6 x        df = pd.read_csv('../dataset/car/car_train.csv')6 j  y! s# z6 o6 G
            labels = df.columns.values
    ; M/ G. h; A% n. L0 u% Z  y        data_array = np.array(df[1:])
    ) Z9 f9 H* `" [7 S" S" A3 v        self.feature_names = labels[0:-1]
    2 }( O; I9 o1 C. V( {6 W3 D% t/ t        self.target_names = labels[-1]
    % @9 W+ `7 ~/ c" e8 n% Q7 I        self.data = data_array[0:,0:-1]8 N; o5 {3 F/ y+ i- y
            self.target = data_array[0:,-1]
    : e) Z9 r1 \. y7 t6 W0 ]0 U7 u5 {7 u! M' S( R( ^) T) G& t5 G
    # 载入蘑菇数据, 鉴别蘑菇是否有毒
    & F; W! x1 x! v! x5 g/ P2 c1 Z) Yclass load_mushroom:
    5 V7 d7 Y5 R/ D; m7 ^; m" g    # 在表格中, 第一列是分类结果: e 可食用; p 有毒., f# x/ K; D) z
        # feature_names: 属性名列表& [* \+ B( l2 [  n! _6 b( H) j, x; \+ c
        # target_names: 标签(分类)名
    1 m" I. ?; @( f2 n4 ]    # data: 属性数据矩阵, 每行是一个数据, 每个数据是每个属性的对应值的列表
    # T( l5 l* {' V7 |9 J    # target: 目标分类值列表2 j6 I  E  y* `' e4 i* r" H6 \5 O. C
        def __init__(self):& `& H7 ^* V8 ?, R# \* I
            df = pd.read_csv('../dataset/mushroom/agaricus-lepiota.data')
    / a0 p- z/ D% j        data_array = np.array(df)8 ]4 `2 e( M5 O; r
            labels = ["edible/poisonous", "cap-shape", "cap-surface", "cap-color", "bruises", "odor", "gill-attachment",! S3 a- C" M/ b2 c3 q
                      "gill-spacing", "gill-size", "gill-color", "stalk-shape", "stalk-root", "stalk-surface-above-ring",
    0 C( U" `' ]; x+ N3 q% y                  "stalk-surface-below-ring", "stalk-color-above-ring", "stalk-color-below-ring",
    3 N! m2 |% h5 d                  "veil-type", "veil-color", "ring-number", "ring-type", "spore-print-color", "population", "habitat"]
    . \4 r) V/ a- Z4 w- \        self.feature_names = labels[1:]  \& Z6 E3 r$ U; ?
            self.target_names = labels[0]
    $ ]( j) D4 z+ B' P" @        self.data = data_array[0:,1:]) d, k1 u& T: K1 x# u" K
            self.target = data_array[0:,0]
    0 i) e2 X& I% B1 x: A( D/ B
    # `# K, u1 C( @8 f8 N+ w# 创建一个临时的子数据集, 在划分测试集和训练集时使用' u4 I. m' r* H1 U5 n& {/ ~
    class new_dataset:7 U; Q2 N+ o4 _( @6 i+ C( w2 x1 ^
        # feature_names: 属性名列表
      A, a! M. F7 s8 H    # target_names: 标签(分类)名  m" ~% _; Z$ h
        # data: 属性数据矩阵, 每行是一个数据, 每个数据是每个属性的对应值的列表
    4 {  d% p; p. i7 r" D9 S    # target: 目标分类值列表
    - f9 y9 r4 Y1 M6 J- e! q    def __init__(self, f_n, t_n, d, t):5 J0 x& |1 @! ^& \( F7 T
            self.feature_names = f_n, Q. N# B- H4 d) S- |  h
            self.target_names = t_n7 \1 [5 X+ K4 K- r/ d, V) O
            self.data = d5 ?6 E) Y8 g/ }9 I8 n) U, f; U
            self.target = t
    / t, d5 q. N" k& O. x! w2 r# ?1 W0 y# r: Z
    # 计算熵, 熵的数学公式为: $H(V) = - \sum_{k} P(v_k) \log_2 P(v_k)$; Q6 _# _' e+ _3 o
    #        其中 P(v_k) 是随机变量 V 具有值 V_k 的概率
    6 E$ A+ X7 `7 b) c& B' ]7 [% a# target: 分类结果的列表, return: 信息熵
    - J: \5 E$ d$ S4 C8 S/ B  E# ^def get_h(target):
    ; ?4 {: p8 F  f" i    target_count = {}. Y% m" n! u8 |  F/ x
        for i in range(len(target)):
    - X4 e7 g/ h+ u! T, j$ w! w" T, J1 [        label = target
    8 s6 w% n6 Z! v& B2 d7 u        if label not in target_count.keys():& w  m6 ~' v) ~- X9 g2 O/ M
                target_count[label] = 1.0
    3 s" |% v( |( m! _1 V$ F+ O& m        else:
    ( U3 g/ s- K" `) W            target_count[label] += 1.0
    ; m: p. V8 a) {* N" a8 K    h = 0.05 f7 x( m; G8 N. Y
        for k in target_count:; q8 G, b! H9 l; H3 o1 N! A# y: C
            p = target_count[k] / len(target)
    $ b6 x+ S5 R- C7 p        h -= p * log(p, 2)
    ' l. v+ x, e' J& c% q2 A    return h
    3 O% p8 r1 o6 [$ T
    - I( E1 Z: z% T$ m  S. k; Y# 取数据子集, 选择条件是原数据集中的属性 feature_name 值是否等于 feature_value
    - f. m4 F8 |. e) j) o$ }0 b; ]# 注: 选择后会从数据子集中删去 feature_name 属性对应的一列
    - `$ }* \0 _! r" M( _1 Y+ Wdef get_subset(dataset, feature_name, feature_value):
    : F) D: ?* ~4 N    sub_data = []
    ( M! z9 ]) e# R, P0 _    sub_target = []. }  T1 g% s0 s" {
        f_index = -1
    5 ~# R) {; w9 I& O4 w# H    for i in range(len(dataset.feature_names)):
    - \( H5 O9 v3 k2 M. q6 R2 _' Y        if dataset.feature_names == feature_name:* |# D3 z+ L  R' ?7 o
                f_index = i
    8 ]0 C2 s/ X' k0 R4 y! T5 \            break
    : P' G1 X0 S: s$ ]' r7 j& n: @  F# M: H% F9 y1 X
        for i in range(len(dataset.data)):
    3 V3 j; D$ M  Q5 K) ?        if dataset.data[f_index] == feature_value:
    - e4 o& \( z% q            l = list(dataset.data[:f_index])
    " ^3 U& {% i) a. R) V9 E; O            l.extend(dataset.data[f_index+1:])
    6 i1 Z; E1 F2 f8 R3 t" o" i            sub_data.append(l)
    , v. |0 |: V( C: m            sub_target.append(dataset.target)
    9 }! H' B. y, h( ?& K9 _+ s) m
    0 N' x- J4 E- v8 V# I3 v) i9 T; U! _    sub_feature_names = list(dataset.feature_names[:f_index]), l5 o/ W! b, i$ m
        sub_feature_names.extend(dataset.feature_names[f_index+1:])
    " P$ E* i2 Z8 O" `9 [    return new_dataset(sub_feature_names, dataset.target_names, sub_data, sub_target)1 T0 ]5 Z- z9 d; b* w0 I5 i
    0 K5 j  A# x4 g/ u
    # 寻找并返回信息收益最大的属性划分
    " Y: }9 G, a! P# 信息收益值划分该数据集前后的熵减3 k% s+ R6 K" g- P! Z
    # 计算公式为: Gain(A) = get_h(ori_target) - sum(|sub_target| / |ori_target| * get_h(sub_target))$
    , i8 \0 l0 Z( x9 h* Wdef best_spilt(dataset):
    % @4 g2 |6 F& r% Y6 ?/ W' n# K' i' l" r: C
        base_h = get_h(dataset.target)
    , w- @% m2 R! Y, q8 s5 y' n  |. @    best_gain = 0.08 {0 ~2 |: `9 M( e
        best_feature = None
    ; O( q. L' t* n8 M. ~6 B( f    for i in range(len(dataset.feature_names)):  S& O8 D% U4 a1 W
            feature_range = []
    ( ]4 ]  G) Q6 p0 P2 t/ O" u7 ]3 g" I        for j in range(len(dataset.data)):! h. z5 ^6 \0 p
                if dataset.data[j] not in feature_range:$ @; K* R3 o  y4 C, v
                    feature_range.append(dataset.data[j])
    9 G/ i7 k' @- c( R- A9 D2 s$ D$ l& Y2 H( _( j0 \- t
            spilt_h = 0.0
    $ v1 [- J9 m, T2 p# T$ i        for feature_value in feature_range:' H( d2 v2 y- b/ }% d7 F# U/ K1 y
                subset = get_subset(dataset, dataset.feature_names, feature_value)  ^- `( `( [* g; q8 v
                spilt_h += len(subset.target) / len(dataset.target) * get_h(subset.target)( A/ _8 D, _6 ^6 l: @# [( E
    : |* _& j# Z# N1 M; u
            if best_gain <= base_h - spilt_h:3 t# F/ H/ Q* i
                best_gain = base_h - spilt_h1 s! j+ O1 V; ]* P6 \3 m5 m
                best_feature = dataset.feature_names( O" {0 i6 \- S. ^# }

    : a. z0 }! ]& T" |% v    return best_feature
    # X+ S6 |- N- g% U1 D) u  i9 K: j1 A* v/ g" x' J
    # 返回数据集中一个数据最可能的标签/ K( I( I" E1 M$ K( z8 F  _0 J. q# u
    def vote_most(dataset):
    5 e; @0 ]0 o0 P  b    target_range = {}
    5 {' \5 Z9 q/ O- G    best_target = None% v0 @: X# n0 ~5 k
        best_vote = 0
    # R" i. r, u! r4 W; G# w) O# c  d. x! K4 F! `- c
        for t in dataset.target:
    - U2 v: P7 s! e$ v8 m        if t not in target_range.keys():
    # M  y- d. C$ j" f8 E9 q$ l& P            target_range[t] = 1* I% y1 @+ Y" \# u* ]: J0 D
            else:
    + O% F/ u1 X2 m; r8 {) t2 p, E            target_range[t] += 1* N( x! X3 c0 l' N7 u/ t

    + T0 G+ p. O* B    for t in target_range.keys():3 R2 @+ E: b2 \: D
            if target_range[t] > best_vote:5 p" z3 }4 g) G
                best_vote = target_range[t]
    8 K5 D$ {  ?/ r. E/ p            best_target = t
    # ]8 Q) l: H( m! W! ^, ?- _
      m! [& T8 b2 r% q    return best_target
    : g% K# c/ ]/ N+ z# y; d
    ' D8 ]3 l& s! q: s/ E/ \# 返回测试的正确率5 i, Y6 U. h, o, Q* V$ n. q; L# D
    # predict_result: 预测标签列表, target_result: 实际标签列表
    ) A7 Q2 ]* W* _: L7 N) F/ Adef accuracy_rate(predict_result, target_result):
    + U( X3 L& Y0 ^1 g2 o8 r- R5 r    # print("Predict Result: ", predict_result)) _# S$ h7 O& I  e0 Z5 B' p$ u% i
        # print("Target Result:  ", target_result)" d) ~: t& {2 T+ L& }6 ]+ R
        accuracy_score = 0- E" c* C1 X) P7 ~. f
        for i in range(len(predict_result)):, a) T( j6 H6 ~# A
            if predict_result == target_result:7 w6 R- ^$ ?0 `2 Q# q& |4 h4 F
                accuracy_score += 1% \3 q/ ~3 u; ]/ z0 @4 L7 n$ q
        return accuracy_score / len(predict_result)  l. |$ A0 R0 v3 @

    ; f1 m6 h, {+ ?5 }3 u8 I7 B0 H# 决策树的节点结构
    7 E1 m& W5 x7 n* Iclass dt_node:
    9 b0 z- T% l; r; \$ q) ~  y& |( w2 K' {  V, z
        def __init__(self, content, is_leaf=False, parent=None):
    , @  F% O5 a. F9 \; r+ ^        global nonce
    $ a- R( K4 i! T5 x# K; Z* w        self.id = nonce # 为节点赋予一个全局ID, 目的是方便画图
    ( w9 F9 Q8 _5 n0 N. n0 H6 Z% W9 K        nonce += 1
    1 u* W, ~/ q$ D; {0 J! {7 U        self.feature_name = None
    - Y3 N/ z2 ?3 {/ N; M* o        self.target_value = None
    ' V8 m8 o* V3 \! Z3 G% K( l        self.vote_most = None # 记录当前节点最可能的标签, g8 t4 C7 j: F0 ]8 t/ s( s
            if not is_leaf:
    " z) ?" Z3 c$ i; }( {  P6 A% @            self.feature_name = content # 非叶子节点的属性名# _; k& t* ?; Y2 b
            else:0 _* h6 a$ {7 j6 b2 l' Z# R; \
                self.target_value = content # 叶子节点的标签
    & U* p6 Y' J+ N5 T/ ]; R- ~5 O6 u) i' e& I5 g
            self.parent = parent8 v) j" F' A: ?$ _5 \7 D0 |8 Z
            self.child = {} # 以当前节点的属性对应的属性值作为键值
    + e* z! O. F5 l0 E0 @
    3 y; x$ s. @" t. r7 T# 决策树模型
    ) Y# U& ^! x, l4 g6 A( [5 q* jclass dt_tree:! }( J: V- b2 d' h1 F& K
    + m! G/ R0 ^2 a/ q8 Z
        def __init__(self):
    ! s3 N. w! N8 X- W4 i        self.tree = None # 决策树的根节点
    # C. A' ?6 l2 q$ s        self.map_str = """- Z% P# Q8 Z$ K4 y8 X+ o* P
                digraph demo{
    + x  X: L: o3 H0 C& t1 O5 a            node [shape=box, style="rounded", color="black", fontname="Microsoft YaHei"];
    1 \. Z" `; V! J3 ~& @6 Z6 {            edge [fontname="Microsoft YaHei"];
    ; y$ k! z4 ^3 a- Q! I            """ # 用于作图: pydotplus 格式的树图生成代码结构
    % B9 z* ~( g) F* ~' b        self.color_dir = {} # 用于作图: 叶子节点可选颜色, 以标签值为键值" J1 N9 H" }: G+ H! C! W& _- k

    1 y& Q# F5 ]6 W    # 训练模型, train_set: 训练集
    $ r: h. k/ ]; Z4 P3 }    def fit(self, train_set):
    # ~: A1 _4 H  ~" H4 |4 f& [# y9 |# U, k* f0 G
            if len(train_set.target) <= 0:  # 如果测试集数据为空, 则返回空节点, 结束递归# [) u$ q4 n; c# ?# h. ?5 |. ~
                return None
    0 e' u$ ^: p! [& I2 X7 B. K: s4 I
    . _7 S% Z: N6 k5 ]% q% G9 @        target_all_same = True
    5 w; h) z. ]/ b  I- \) X        for i in train_set.target:
      }0 V. t' S- l5 `1 U9 E            if i != train_set.target[0]:7 ]- f. |8 B9 B, E' [8 W
                    target_all_same = False# a' h8 O2 Y& }9 ]' A
                    break
    & t' w' i$ I( x# l- @9 X6 i! x& Q. i+ H$ D
            if target_all_same:  # 如果测试集数据中所有数据的标签相同, 则构造叶子节点, 结束递归, `3 G7 ^9 }% D: ?( F! x$ {% k6 t: Q
                node = dt_node(train_set.target[0], is_leaf=True)& @: r4 R1 W: I  i1 H! m) t  n+ m8 V
                if self.tree == None:  # 如果根节点为空,则让该节点成为根节点
    8 ?' p% z) Y1 V# o! j8 L% Y0 r                self.tree = node
    * d$ |: m. \* v' G. P
    3 v# K& K, `; ?            # 用于作图, 更新 map_str 内容, 为树图增加一个内容为标签值的叶子节点, m! @9 K8 c2 \3 s" K2 d; y8 Z
                node_content = "标签:" + str(node.target_value)
    & U4 l3 b* H& N) r  j5 K2 H9 r2 @            self.map_str += "id" + str(node.id) + "[label=\"" + node_content + "\", fillcolor=\"" + self.color_dir[node.target_value] + "\", style=filled]\n"
    6 a! h# q/ ]# B; M/ M4 h, E' G5 e7 h" y9 z
                return node
    1 _- G  B& R3 {" V/ i5 u5 K        elif len(train_set.feature_names) == 0:  # 如果测试集待考虑属性为空, 则构造叶子节点, 结束递归
    ' ~' u. @( M6 ?7 d: s5 P- o" ~            node = dt_node(vote_most(train_set), is_leaf=True)  # 这里让叶子结点的标签为概率上最可能的标签/ O5 V" X. |7 x1 d( z# d- L5 S
                if self.tree == None:  # 如果根节点为空,则让该节点成为根节点! X3 ~: D, Z0 J% E/ |
                    self.color_dir[vote_most(train_set)] = color_set[0]' ?: J) V8 l8 G7 d
                    self.tree = node" S# R, Z* a* ]8 k3 b

    , J+ a. B% l) ^+ {6 R! y            # 用于作图, 更新 map_str 内容, 为树图增加一个内容为标签值的叶子节点7 o4 Y* Y9 a6 G, d
                node_content = "标签:" + str(node.target_value)
    & G& m7 K' ~/ {' W; p, v            self.map_str += "id" + str(node.id) + "[label=\"" + node_content + "\", fillcolor=\"" + self.color_dir[node.target_value] + "\", style=filled]\n"6 j- U# I8 o7 ~$ k; E) [% X
    - K$ E1 `( Z- P& J
                return node7 \  o* `- I# ]9 a8 D
            else: # 普通情况, 构建一个内容为属性的非叶子节点9 H2 J( Z- e( ]; \) t' X9 f2 {1 N
                best_feature = best_spilt(train_set) # 寻找最优划分属性, 作为该结点的值
    6 W* q, u. }- z            best_feature_index = -1
    ) d0 g5 ?' G  }) _* ]            for i in range(len(train_set.feature_names)):  t4 r- B/ u6 ^0 i7 p2 `) i
                    if train_set.feature_names == best_feature:/ l, `+ n6 O- P6 x6 c+ j
                        best_feature_index = i
    ( F: Y- V8 H1 n& [# T2 a                    break
    0 @3 k- _) q4 j! U) i7 X8 y8 \' t7 q( G3 O- v, T  O
                node = dt_node(best_feature)/ X& S$ M* t3 l- X5 P$ j
                node.vote_most = vote_most(train_set)
    1 @0 V) ^7 e5 T5 q6 s) H9 D. F            if self.tree == None: # 如果根节点为空,则让该节点成为根节点. v8 ?, i, R$ m$ f2 n/ n  M3 t  a
                    self.tree = node
    * J9 @& x1 d" V) ]* Q! G                # 用于作图, 初始化叶子节点可选颜色) t( L4 K! f  ?/ A+ M
                    for i in range(len(train_set.target)):+ `3 Y5 I8 L/ P) o3 d
                        if train_set.target not in self.color_dir:
    7 B; Y. a* ~' G6 @7 r7 m                        global color_i# {0 K9 U. h- V  m. T9 Y5 Y- E
                            self.color_dir[train_set.target] = color_set[color_i]
    $ R; g0 L* c' {( \; {                        color_i += 1
    ) M7 z9 `( o5 i2 d                        color_i %= len(color_set)8 ^  ~+ J% T, a8 g$ `

      v) w% L0 b5 ?+ b' `" y( ~            feature_range = [] # 获取该属性出现在数据集中的可选属性值
    - o# c9 [& h+ _! ~) A0 y9 c            for t in train_set.data:1 Q' H) f0 c6 Y. I- q' z: Q: n
                    if t[best_feature_index] not in feature_range:
    2 X) [- C$ C. Y5 p                    feature_range.append(t[best_feature_index])
    6 D7 ]3 j+ F# y( Y( ?% S6 s+ x0 W8 k, h' C" b) r9 O7 d
                # 用于做图, 创建一个内容为属性的非叶子节点; k  p. q7 w7 }9 h! o  B' R9 }
                node_content = "属性:" + node.feature_name" V4 {/ n( {8 ~% y& H6 c' k
                self.map_str += "id" + str(node.id) + "[label=\"" + node_content + "\", fillcolor=\"#AADDFF\", style=filled]\n"
    7 @3 j& a: O6 V
    - |4 O+ Z0 e, V7 L* z            for feature_value in feature_range:% }. M& i  o) f9 t2 p
                    subset = get_subset(train_set, best_feature, feature_value)  # 获取每一个子集
    # }& i' n5 i+ X. [7 n                node.child[feature_value] = self.fit(subset)  # 递归调用 fit 函数生成子节点% ]  k% [2 k4 O5 m
                    if node.child[feature_value] == None:
    2 e% u. L7 l2 l8 l! T                    # 如果创建的子节点为空, 则创建一个叶子节点作为其子节点, 其中标签值为概率上最可能的标签5 A  R. d* B9 f
                        node.child[feature_value] = dt_node(vote_most(train_set), is_leaf=True)
    0 J& U' E9 r. r: R1 R+ t# e                node.child[feature_value].parent = node6 b! l7 s) i3 b: ?

    " \# D# j; Y, h2 i  o) N. G                # 用于做图, 创建当前节点到所有子节点的连线
    8 x0 \% w0 b0 n5 }                self.map_str += "id" + str(node.id) + " -> " + "id" + str(node.child[feature_value].id) + "[label=\"" + str(feature_value) + "\"]\n"
      m& z; n9 M. W! R8 n! m: _' J7 h9 G% S* M6 s8 z# y
                # print("Rest Festure: ", train_set.feature_names)  ?! }# g4 R) L$ ~  N" r
                # print("Best Feature: ", best_feature_index, best_feature, "Feature Range: ", feature_range)" \0 g. z1 u+ N% Z6 o
                # for feature_value in feature_range:5 Q% Z/ d6 i; n3 P3 e
                #     print("Child[", feature_value, "]: ", node.child[feature_value].feature_name, node.child[feature_value].target_value)
    ) E9 \, ]4 R# A- O  n4 s! ?. s+ o9 I            return node# L* b8 u: y% i7 U( Z

    / e. i8 D: W* Y# X$ }3 ~    # 测试模型, 对测试集 test_set 进行预测9 I# K: L7 g) [" G* l/ C+ e
        def predict(self, test_set):
    8 o! r2 F4 ^& |+ j5 Z$ f* v        test_result = []
    ; q- D' N. |: Z        for test in test_set.data:
    7 k. ]9 h0 |2 S7 o            node = self.tree # 从根节点一只往下找, 知道到达叶子节点
    : h# P! Q" V9 j$ `9 E  V% c            while node.target_value == None:7 V7 p) J, H; N
                    feature_name_index = -1) ^- k7 m8 N( T. L; p. j) C
                    for i in range(len(test_set.feature_names)):
    2 M1 A: d  J& k                    if test_set.feature_names == node.feature_name:
    / {' e" s* Z# ]; u0 F                        feature_name_index = i
    : N( a. w4 |. }+ }5 v9 b; [                        break3 d4 G) V4 X+ k
                    if test[feature_name_index] not in node.child.keys():
    " b( K1 m) c( F, T; O                    break
    ' H9 k* a  z. g1 ^' {- r5 `                else:: E4 r+ ?8 h7 w. c& w% H
                        node = node.child[test[feature_name_index]]. }3 ^. d) x# X; U. l3 T7 P- B

    & n: x, s: P, U            if node.target_value == None:
    % _- o; m! ^" H                test_result.append(node.vote_most)+ T3 k# t# o5 h  U( J
                else: # 如果没有到达叶子节点, 则取最后到达节点概率上最可能的标签为目标值6 o+ j" B& P6 w
                    test_result.append(node.target_value)
    ' T! c' p) f+ N; v* i0 m
    6 ~6 {0 U& z' Z: P  [        return test_result5 ?4 W1 }/ j0 y& t7 Q6 Z6 R
    0 w( `* X- [- s9 d2 y
        # 输出树, 生成图片, path: 图片的位置
    - {4 b6 D: ^2 I9 v) ]. s' p    def show_tree(self, path="demo.png"):7 e: w+ C  j4 J- a
            map = self.map_str + "}"1 I6 Y( M8 o  r- S  }9 _3 L; ^
            print(map)
    & T7 O1 t" B5 A) f3 v; Y' X' m        graph = pdp.graph_from_dot_data(map)* ]1 ?$ k" I" K$ f
            graph.write_png(path)4 n" d) ?, {1 T+ y+ w, J

    8 {1 B# A1 J! J7 d* l9 Y" r0 f$ S# 学习曲线评估算法精度 dataset: 数据练集, label: 纵轴的标签, interval: 测试规模递增的间隔- o7 b3 F! D# M- \: x
    def incremental_train_scale_test(dataset, label, interval=1):  t6 I. |. D; w  j, E1 `$ u
        c = dataset+ {, Z$ o1 n  s7 g
        r = range(5, len(c.data) - 1, interval)
    # @( F  g% q( t. G& I    rates = []
      `0 t( b3 [  F% v. `  H5 d; n    for train_num in r:
    $ Q4 |( o$ M6 T* M' N. t        print(train_num)9 K& m" b* J0 d/ k4 i
            train_set = new_dataset(c.feature_names, c.target_names, c.data[:train_num], c.target[:train_num]), Z9 D; ^' W4 N: E; t7 U
            test_set = new_dataset(c.feature_names, c.target_names, c.data[train_num:], c.target[train_num:])0 \- l  {$ m$ O8 p  o( f# e
            dt = dt_tree(): f' F; ]+ x, D
            dt.fit(train_set)/ V$ M: ?# W( ]9 g! p. B4 L2 D
            rates.append(accuracy_rate(dt.predict(test_set), list(test_set.target)))
    ; X$ N5 a! G1 _; q
    * q' U/ _$ l- t$ `/ D- R3 |, J    print(rates)
    * N! w1 }6 e+ V+ [4 P7 D8 B. c( d    plt.plot(r, rates)
    ! X1 }/ s8 D3 ?9 p# x/ V    plt.ylabel(label)
    , T2 H2 _" \' T% X5 v    plt.show()9 E; C7 t8 O; A% j8 {

    , J9 w* A1 {& ?5 `$ {if __name__ == '__main__':5 p( O3 W' E6 }' n, u

    7 \2 }! s2 h, d) U    c = load_car()  # 载入汽车数据集
    1 N. E$ C6 q: F" b$ u    # c = load_mushroom()  # 载入蘑菇数据集, h1 e  [3 F6 V0 z; |) _
        train_num = 1000 # 训练集规模(剩下的数据就放到测试集)3 W2 f! c) Y- G# F* n
        train_set = new_dataset(c.feature_names, c.target_names, c.data[:train_num], c.target[:train_num])
      q, U, L# @% ]$ l    test_set = new_dataset(c.feature_names, c.target_names, c.data[train_num:], c.target[train_num:])0 f  ?1 l# u' V0 d$ J& O2 h

    2 F3 I, }% a+ y  b0 k    dt = dt_tree()  # 初始化决策树模型
    8 A5 M  u* Z1 _& y- e    dt.fit(train_set)  # 训练
    0 X8 _8 R# j; U( x& ?    dt.show_tree("../image/demo.png") # 输出决策树图片
    $ m6 i% g5 y9 Z: y    print(accuracy_rate(dt.predict(test_set), list(test_set.target))) # 进行测试, 并计算准确率吧8 w+ r9 M# `' F1 p8 }- |6 _
    3 W$ G' h0 r0 K3 r$ A
        # incremental_train_scale_test(load_car(), "car")6 X6 \3 D* j8 D! H  n0 A. d
        # incremental_train_scale_test(load_mushroom(), "mushroom", interval=20)
    " i- H( M2 c) O6 a5 h& B' l! o; E$ F6 }- E, Z7 u' s: t7 Q
    4 x/ v* `" v1 E# b' k% R

    + k' u% [" @+ G' z7 X0 m; t1
    $ G3 T9 R/ k0 `) }. W* [2
    ' z% O7 n' Z. D9 {' z7 J3
    . v3 d2 c. B0 N49 }% r* u5 v% ]- _: W3 N6 F# m
    5
    ) d) P4 `' G1 ~  n1 s5 B" ?6! E$ L% J$ v+ g3 s
    79 F- P% `) m0 q- d% e: u
    8% W5 O) s/ Y8 S' d) @% O) e
    9+ g' b* n3 K  q
    10
    ! a  M$ F( _' d9 E' Z3 X11" s, p9 Z1 E! B5 W6 d' b
    12
    ) [( w* f- {0 |" R13
    ( ~1 s9 h; o" q14" V( k. k# @: |+ I* e: ~2 [  z1 D& o9 w
    15. o* C0 M8 C4 i3 z" B
    16
    $ I* d0 X! Z# j$ a17
    ( l- O3 z8 u) O18
    ) `6 u% V$ Y6 `, s; D19
    ! t: y6 n9 {; w" y, n0 W206 n5 l" j1 F" W) z: P
    21
      X* }0 q* L8 [$ w. i, Z  V22; i4 E" ?+ X) `6 O- ]
    23
    8 {- D4 v+ g) D" B7 I  N242 P- w8 U  N$ G  c/ Q
    25
    & v- ]8 Q( s4 C# }26& H' ]1 C7 t' d7 E, d1 Z
    274 |- d* S# V0 k( v3 z" R1 j, u( U
    28; P3 j/ q" R% h' u9 F& {  d, m5 ?
    29( z4 s$ ?: X7 x. K8 j9 a
    309 ^5 c) z. h& `5 M" d, @$ t
    31
    5 K9 k+ {, ^  T6 z32) p8 H' `! n" C7 V& E9 V
    33% b0 m0 L$ B; Y0 O& V: X
    349 D7 j/ U% Y+ P/ G+ @5 a
    35- g$ B" m0 k' ?6 O0 v2 M
    361 u/ Q5 o1 u2 A1 D0 o, W
    37: z& f- s! r! @/ Q% q$ ]
    38
    / N/ C# \* q0 y% ]0 y  ]0 s" Y393 L: w6 Y- I/ A& ^, {- r3 G& |
    40
    8 A: @6 o% j6 `# ~* A& Z. [1 K) x0 V417 A" k, L+ E' N( X# M$ Y# F; w
    42
    # }& b# a$ H9 F9 }43
    , N. T' Y8 h- s  ?; f$ a44% F0 R4 J+ Y2 P% |  z0 e
    45
    . k/ X1 h2 d' }) b  [46
    0 e5 b4 S! C2 c8 g47
    0 Z/ A2 e9 A/ z: S" E) S, f48- C. H/ e) R3 n* r4 ~' a* {
    49, R; J( V, Y% Z1 \/ O! |
    50
    6 O& i; ?) P& Z$ u51+ H2 ^: [( |- b9 c) L! ~
    52
    5 C# q+ Y" s! S- j53
    * A, z4 m; u, ~9 G3 ?( R54
    + z3 N% C% r% D; j! G55
    : v" k3 X" j# Q56
    7 o% X7 q: M4 Y" j7 n57
    + O% E5 |4 q$ v9 S; q583 o; d9 `1 w* x+ i  q1 @
    592 P4 o5 z! R! N# H+ k
    60
    4 d6 h1 o9 e" |0 ?, X2 @6 g61
    3 E8 Q0 X# e+ R& S, T629 w: \4 o- f1 p
    63
    ' M$ |7 Q/ Z$ S2 }& b" Z64) J& P) i9 I, Z0 q2 t2 D
    65
    2 l0 F3 R" }+ k669 {  R. k& ?3 e# }' k
    67) S. |+ u9 ]+ O8 W' W7 k+ M
    68
    , q) a: O# R8 _" ^69
    - z" d' X: a+ ?, M; @$ |70
    9 O( G: d; L* [7 E4 p& D71
    : O. m5 ~! ^7 }9 h) S+ A724 ]3 k  v/ h6 l7 O
    73
    5 O. s3 J+ E  S4 k) E8 W6 Y74
    . g9 z8 ~8 u9 |1 I751 B4 b5 Q8 U; t  \' c
    76
    3 t  |7 `6 @1 X" i( G77' t2 D( n/ k) s
    78& U! e# c. _7 }- }5 m" s$ f
    797 \! k/ Y0 b4 Y7 {; o! T3 S  g0 C( U
    80
    6 m5 O; x% M1 e* E813 v' ?/ P0 V1 `: b) k
    82
    $ {7 s- v) |4 s: Y% ?& h+ C83
    7 W, }! o! J* V84
    8 h+ y* T' l9 p7 d& R$ O3 R6 K85
    & v3 t# H) B% k/ Q7 t/ K; X* Q86
    4 E) Z9 _& c6 F0 c87
    9 R8 B  `1 G; }! v3 m9 O88
    * s7 ?: ?5 x( S4 v: s1 l* a89
    , E/ B: _! q4 O: A; G$ j8 x" d2 Q90  R" J5 g( I" W# l
    91) r7 a/ ]! I( }& h
    92. F1 G- d7 Q# F3 t- s3 r
    93- {' P5 s- S- V- `
    94
    ' z7 t+ {3 |! P7 M/ |- F952 G$ g1 ~" n* I8 J' L( K
    964 y9 U( I, U9 p5 s  T! t; s
    97
    2 R7 Q* J& G, Y' \98; [& `: A7 v, |  e$ ]# @
    992 S, M( A4 V" _) k; C2 B
    100; D5 E' w) M6 l. r3 ?
    101
    + L! M, o8 R, g  e& O' A102$ n# r7 {  l; P+ N* q
    103: T, L. J" \5 p# H3 s8 a! f
    104
    6 l: E, F  H4 W9 c6 i: h5 Z105
    . ?2 f3 Y% @$ d0 H106
    ) f5 r% B5 l, W5 a" ^0 U107
    * B; w4 a; R; o; u2 V; P$ y4 f108
    ; J8 h/ h% G, \" Z6 }" O109
    % u+ r4 E$ f& y$ n) K: a+ K110
    6 {; @+ v  F/ D- ]111
    * s1 d. A4 e' D+ F* J4 k$ s4 N112
    6 t% Y/ a& ?8 f+ H( V1130 {* k" ]+ @. x/ \
    1145 W$ _- k% L4 G' B' m7 v
    115" D- k2 ?3 v  `) ^- G0 a% P. `
    116
    , ]+ y( Y, A5 B# o) N( U117
    * a0 j8 h( Y2 [5 V+ D118
    " `4 J) ^* ~6 {119% Z3 S7 l0 P2 p7 ]  A# Z
    120
    0 M9 v% d, `- Z0 x. f6 T" Y121: A- p2 g% Q+ O& f9 F
    122
    : n# ?  G" E  ^$ X9 p$ B123
    ! I% w5 X$ `% }1 ?' r1246 o6 k& F3 @4 i. q. h* ~: U
    1251 V$ B+ z: x1 Q5 E3 l+ N) m1 u! {
    126, R' L+ B0 N# U
    127
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