Python实现的随机森林算法与简单总结

Python  /  管理员 发布于 7年前   451

本文实例讲述了Python实现的随机森林算法。分享给大家供大家参考，具体如下：

随机森林是数据挖掘中非常常用的分类预测算法，以分类或回归的决策树为基分类器。算法的一些基本要点：

*对大小为m的数据集进行样本量同样为m的有放回抽样；
*对K个特征进行随机抽样，形成特征的子集，样本量的确定方法可以有平方根、自然对数等；
*每棵树完全生成，不进行剪枝；
*每个样本的预测结果由每棵树的预测投票生成（回归的时候，即各棵树的叶节点的平均）

著名的python机器学习包scikit learn的文档对此算法有比较详尽的介绍: http://scikit-learn.org/stable/modules/ensemble.html#random-forests

出于个人研究和测试的目的，基于经典的Kaggle 101泰坦尼克号乘客的数据集，建立模型并进行评估。比赛页面及相关数据集的下载：https://www.kaggle.com/c/titanic

泰坦尼克号的沉没，是历史上非常著名的海难。突然感到，自己面对的不再是冷冰冰的数据，而是用数据挖掘的方法，去研究具体的历史问题，也是饶有兴趣。言归正传，模型的主要的目标，是希望根据每个乘客的一系列特征，如性别、年龄、舱位、上船地点等，对其是否能生还进行预测，是非常典型的二分类预测问题。数据集的字段名及实例如下：

PassengerId	Survived	Pclass	Name	Sex	Age	SibSp	Parch	Ticket	Fare	Cabin	Embarked
1	0	3	Braund, Mr. Owen Harris	male	22	1	0	A/5 21171	7.25		S
2	1	1	Cumings, Mrs. John Bradley (Florence Briggs Thayer)	female	38	1	0	PC 17599	71.2833	C85	C
3	1	3	Heikkinen, Miss. Laina	female	26	0	0	STON/O2. 3101282	7.925		S
4	1	1	Futrelle, Mrs. Jacques Heath (Lily May Peel)	female	35	1	0	113803	53.1	C123	S
5	0	3	Allen, Mr. William Henry	male	35	0	0	373450	8.05		S

值得说明的是，SibSp是指sister brother spouse，即某个乘客随行的兄弟姐妹、丈夫、妻子的人数，Parch指parents,children

下面给出整个数据处理及建模过程，基于ubuntu+python 3.4（ anaconda科学计算环境已经集成一系列常用包，pandas numpy sklearn等，这里强烈推荐）

懒得切换输入法，写的时候主要的注释都是英文，中文的注释是后来补充的:-)

# -*- coding: utf-8 -*-"""@author: kim"""from model import *＃载入基分类器的代码#ETL:same procedure to training set and test settraining=pd.read_csv('train.csv',index_col=0)test=pd.read_csv('test.csv',index_col=0)SexCode=pd.DataFrame([1,0],index=['female','male'],columns=['Sexcode']) ＃将性别转化为０１training=training.join(SexCode,how='left',on=training.Sex)training=training.drop(['Name','Ticket','Embarked','Cabin','Sex'],axis=1)＃删去几个不参与建模的变量，包括姓名、船票号，船舱号test=test.join(SexCode,how='left',on=test.Sex)test=test.drop(['Name','Ticket','Embarked','Cabin','Sex'],axis=1)print('ETL IS DONE!')#MODEL FITTING#===============PARAMETER AJUSTMENT============min_leaf=1min_dec_gini=0.0001n_trees=5n_fea=int(math.sqrt(len(training.columns)-1))#=============================================='''''BEST SCORE:0.83min_leaf=30min_dec_gini=0.001n_trees=20'''#ESSEMBLE BY RANDOM FORESTFOREST={}tmp=list(training.columns)tmp.pop(tmp.index('Survived'))feaList=pd.Series(tmp)for t in range(n_trees):#  fea=[]  feasample=feaList.sample(n=n_fea,replace=False)#select feature  fea=feasample.tolist()  fea.append('Survived')#    feaNew=fea.append(target)  subset=training.sample(n=len(training),replace=True)#generate the dataset with replacement  subset=subset[fea]#  print(str(t)+' Classifier built on feature:')#  print(list(fea))  FOREST[t]=tree_grow(subset,'Survived',min_leaf,min_dec_gini) #save the tree#MODEL PREDICTION#======================currentdata=trainingoutput='submission_rf_20151116_30_0.001_20'#======================prediction={}for r in currentdata.index:#a row  prediction_vote={1:0,0:0}  row=currentdata.get(currentdata.index==r)  for n in range(n_trees):    tree_dict=FOREST[n] #a tree    p=model_prediction(tree_dict,row)    prediction_vote[p]+=1  vote=pd.Series(prediction_vote)  prediction[r]=list(vote.order(ascending=False).index)[0]#the vote resultresult=pd.Series(prediction,name='Survived_p')#del prediction_vote#del prediction#result.to_csv(output)t=training.join(result,how='left')accuracy=round(len(t[t['Survived']==t['Survived_p']])/len(t),5)print(accuracy)

上述是随机森林的代码，如上所述，随机森林是一系列决策树的组合，决策树每次分裂，用Gini系数衡量当前节点的“不纯净度”，如果按照某个特征的某个分裂点对数据集划分后，能够让数据集的Gini下降最多（显著地减少了数据集输出变量的不纯度），则选为当前最佳的分割特征及分割点。代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-"""@author: kim"""import pandas as pdimport numpy as np#import sklearn as skimport mathdef tree_grow(dataframe,target,min_leaf,min_dec_gini):  tree={} #renew a tree  is_not_leaf=(len(dataframe)>min_leaf)  if is_not_leaf:    fea,sp,gd=best_split_col(dataframe,target)    if gd>min_dec_gini:      tree['fea']=fea      tree['val']=sp#      dataframe.drop(fea,axis=1) #1116 modified      l,r=dataSplit(dataframe,fea,sp)      l.drop(fea,axis=1)      r.drop(fea,axis=1)      tree['left']=tree_grow(l,target,min_leaf,min_dec_gini)      tree['right']=tree_grow(r,target,min_leaf,min_dec_gini)    else:#return a leaf      return leaf(dataframe[target])  else:    return leaf(dataframe[target])  return treedef leaf(class_lable):  tmp={}  for i in class_lable:    if i in tmp:      tmp[i]+=1    else:      tmp[i]=1  s=pd.Series(tmp)  s.sort(ascending=False)  return s.index[0]def gini_cal(class_lable):  p_1=sum(class_lable)/len(class_lable)  p_0=1-p_1  gini=1-(pow(p_0,2)+pow(p_1,2))  return ginidef dataSplit(dataframe,split_fea,split_val):  left_node=dataframe[dataframe[split_fea]<=split_val]  right_node=dataframe[dataframe[split_fea]>split_val]  return left_node,right_nodedef best_split_col(dataframe,target_name):  best_fea=''#modified 1116  best_split_point=0  col_list=list(dataframe.columns)  col_list.remove(target_name)  gini_0=gini_cal(dataframe[target_name])  n=len(dataframe)  gini_dec=-99999999  for col in col_list:    node=dataframe[[col,target_name]]    unique=node.groupby(col).count().index    for split_point in unique: #unique value      left_node,right_node=dataSplit(node,col,split_point)      if len(left_node)>0 and len(right_node)>0:        gini_col=gini_cal(left_node[target_name])*(len(left_node)/n)+gini_cal(right_node[target_name])*(len(right_node)/n)        if (gini_0-gini_col)>gini_dec:          gini_dec=gini_0-gini_col#decrease of impurity          best_fea=col          best_split_point=split_point    #print(col,split_point,gini_0-gini_col)  return best_fea,best_split_point,gini_decdef model_prediction(model,row): #row is a df  fea=model['fea']  val=model['val']  left=model['left']  right=model['right']  if row[fea].tolist()[0]<=val:#get the value    branch=left  else:    branch=right  if ('dict' in str( type(branch) )):    prediction=model_prediction(branch,row)  else:    prediction=branch  return prediction

实际上，上面的代码还有很大的效率提升的空间，数据集不是很大的情况下，如果选择一个较大的输入参数，例如生成100棵树，就会显著地变慢；同时，将预测结果提交至kaggle进行评测，发现在测试集上的正确率不是很高，比使用sklearn里面相应的包进行预测的正确率（0.77512）要稍低一点 :-(  如果要提升准确率，两个大方向： 构造新的特征；调整现有模型的参数。

这里是抛砖引玉，欢迎大家对我的建模思路和算法的实现方法提出修改意见。

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希望本文所述对大家Python程序设计有所帮助。