基于weka手工实现ID3决策树

一、决策树ID3算法

相比于logistic回归、BP网络、支持向量机等基于超平面的方法，决策树更像一种算法，里面的数学原理并不是很多，较好理解。

决策树就是一个不断地属性选择、属性划分地过程，直到满足某一情况就停止划分。

1. 当前样本全部属于同一类别了（信息增益为0）；
2. 已经是空叶子了（没有样本了）；
3. 当前叶子节点所有样本所有属性上取值相同，无法划分了（信息增益为0）。

信息增益如何计算？根据信息熵地变化量，信息熵减少最大地属性就是我们要选择地属性。

信息熵定义：

$$Ent(D)=-\sum _{k=1}^{|y|}{p}_{k}lo{g}_2{p}_k$$

信息增益定义：

$$Gain(D,a)=Ent(D)-\sum _{v=1}^v\frac{|D^v|}{|D|}Ent(D^v)$$

信息增益越大，则意味着属性a来划分所获得的“纯度提升”越大。

ID3就是以信息增益作为属性选择和划分的标准的。有了决策树生长和停止生长的条件，剩下的其实就是一些编程技巧了，我们就可以进行编码了。

除此之外，决策树还有C4.5等其它实现的算法，包括基尼系数、增益率、剪枝、预剪枝等防止过拟合的方法，但决策树最本质、朴素的思想还是在ID3中体现的最好。

具体可以参考这篇博客：机器学习06：决策树学习.

二、基于weka平台实现ID3决策树

package weka.classifiers.myf;

import weka.classifiers.Classifier;
import weka.core.*;

/**
 * @author YFMan
 * @Description 自定义的 ID3 分类器
 * @Date 2023/5/25 18:07
 */
public class myId3 extends Classifier {

    // 当前节点 的 后续节点
    private myId3[] m_Successors;

    // 当前节点的划分属性 (如果为空，说明当前节点是叶子节点；否则，说明当前节点是中间节点)
    private Attribute m_Attribute;

    // 当前节点的类别分布 (如果为中间节点，全为 0；为叶子节点，为类别分布)
    private double[] m_Distribution;

    // 当前节点的类别 (如果为中间节点，为 0；为叶子节点，为类别分布)
    // (用于获取类别的索引，对于算法本身没用，但对于可视化 决策树有用)
    private double m_ClassValue;

    // 当前节点的类别属性 (如果为中间节点，为 null；为叶子节点，为类别属性)
    // (用于获取类别的名称，对于算法本身没用，但对于可视化 决策树有用)
    private Attribute m_ClassAttribute;

    /*
     * @Author YFMan
     * @Description 根据训练数据 建立 决策树
     * @Date 2023/5/25 18:43
     * @Param [data]
     * @return void
     **/
    public void buildClassifier(Instances data) throws Exception {
        // 建树
        makeTree(data);
    }

    /*
     * @Author YFMan
     * @Description 根据训练数据 建立 决策树
     * @Date 2023/5/25 18:43
     * @Param [data] 训练数据
     * @return void
     **/
    private void makeTree(Instances data) throws Exception {

        // 如果是空叶子，拒绝建树 (拒判)
        if (data.numInstances() == 0) {
            m_Attribute = null;
            m_ClassValue = Instance.missingValue();
            m_Distribution = new double[data.numClasses()];
            return;
        }

        // 计算 所有属性的 信息增益
        double[] infoGains = new double[data.numAttributes()];
        // 遍历所有属性
        for(int i = 0; i < data.numAttributes(); i++) {
            // 如果是类别属性，跳过
            if (i == data.classIndex()) {
                infoGains[i] = 0;
            } else {
                // 计算信息增益
                infoGains[i] = computeInfoGain(data, data.attribute(i));
            }
        }

        // 选择信息增益最大的属性
        m_Attribute = data.attribute(Utils.maxIndex(infoGains));

        // 如果信息增益为 0，说明当前节点包含的样例都属于同一类别，直接设置为叶子节点
        if (Utils.eq(infoGains[m_Attribute.index()], 0)) {
            // 设置为叶子节点
            m_Attribute = null;
            m_Distribution = new double[data.numClasses()];
            // 遍历所有样例
            for (int i = 0; i < data.numInstances(); i++) {
                // 获取当前样例的类别
                Instance inst = data.instance(i);
                // 统计类别分布
                m_Distribution[(int) inst.classValue()]++;
            }
            // 归一化
            Utils.normalize(m_Distribution);
            // 设置类别
            m_ClassValue = Utils.maxIndex(m_Distribution);
            m_ClassAttribute = data.classAttribute();
        } else { // 否则，递归建树
            // 划分数据集
            Instances[] splitData = splitData(data, m_Attribute);
            // 创建叶子
            m_Successors = new myId3[m_Attribute.numValues()];
            // 叶子再去长叶子，递归调用
            for (int j = 0; j < m_Attribute.numValues(); j++) {
                m_Successors[j] = new myId3();
                m_Successors[j].makeTree(splitData[j]);
            }
        }


    }

    /*
     * @Author YFMan
     * @Description 根据 instance 进行分类
     * @Date 2023/5/25 18:33
     * @Param [instance] 待分类的实例
     * @return double[] 类别分布
     **/
    public double[] distributionForInstance(Instance instance)
            throws NoSupportForMissingValuesException {
        // 如果到达叶子节点，返回类别分布
        if (m_Attribute == null) {
            // 如果 m_Distribution 全为 0(是空叶子)，随机返回一个类别分布
            if (Utils.eq(Utils.sum(m_Distribution), 0)) {
                // 在 0~类别数-1 之间随机选择一个类别
                m_Distribution = new double[m_ClassAttribute.numValues()];
                m_Distribution[(int) Math.round(Math.random() * m_ClassAttribute.numValues())] = 1.0;
            }
            return m_Distribution;
        } else {
            // 否则，递归调用
            return m_Successors[(int) instance.value(m_Attribute)].
                    distributionForInstance(instance);
        }
    }

    /*
     * @Author YFMan
     * @Description 计算当前数据集 选择某个属性的 信息增益
     * @Date 2023/5/25 18:29
     * @Param [data, att] 当前数据集，选择的属性
     * @return double 信息增益
     **/
    private double computeInfoGain(Instances data, Attribute att)
            throws Exception {
        // 计算 data 的信息熵
        double infoGain = computeEntropy(data);
        // 计算 data 按照 att 属性进行划分的信息熵
        // 划分数据集
        Instances[] splitData = splitData(data, att);
        // 遍历划分后的数据集
        for (Instances instances : splitData) {
            // 计算概率
            double probability = (double) instances.numInstances() / data.numInstances();
            // 计算信息熵
            infoGain -= probability * computeEntropy(instances);
        }
        // 返回信息增益
        return infoGain;
    }

    /*
     * @Author YFMan
     * @Description 计算信息熵
     * @Date 2023/5/25 18:18
     * @Param [data] 计算的数据集
     * @return double 信息熵
     **/
    private double computeEntropy(Instances data) throws Exception {
        // 计不同类别的数量
        double[] classCounts = new double[data.numClasses()];
        // 遍历数据集
        for(int i=0;i<data.numInstances();i++){
            // 获取类别
            int classIndex = (int) data.instance(i).classValue();
            // 数量加一
            classCounts[classIndex]++;
        }
        // 计算信息熵
        double entropy = 0;
        // 遍历类别
        for (double classCount : classCounts) {
            // 注意：这里是大于 0，因为 log2(0) = -Infinity；
            // 如果是等于 0，那么计算结果就是 NaN，熵就出错了
            if(classCount > 0){
                // 计算概率
                double probability = classCount / data.numInstances();
                // 计算信息熵
                entropy -= probability * Utils.log2(probability);
            }
        }
        // 返回信息熵
        return entropy;
    }

    /*
     * @Author YFMan
     * @Description 根据属性划分数据集
     * @Date 2023/5/25 18:23
     * @Param [data, att] 数据集，属性
     * @return weka.core.Instances[] 划分后的数据集
     **/
    private Instances[] splitData(Instances data, Attribute att) {
        // 定义划分后的数据集
        Instances[] splitData = new Instances[att.numValues()];
        // 遍历划分后的数据集
        for(int i=0;i<splitData.length;i++){
            // 创建数据集 (这里主要是为了初始化 数据集 header)
            // Constructor copying all instances and references to the header
            // information from the given set of instances.
            splitData[i] = new Instances(data,0);
        }
        // 遍历数据集
        for(int i=0;i<data.numInstances();i++){
            // 获取实例
            Instance instance = data.instance(i);
            // 获取实例的属性值
            double value = instance.value(att);
            // 将实例添加到对应的数据集中
            splitData[(int) value].add(instance);
        }
        // 返回划分后的数据集
        return splitData;
    }

    private String toString(int level) {

        StringBuffer text = new StringBuffer();

        if (m_Attribute == null) {
            if (Instance.isMissingValue(m_ClassValue)) {
                text.append(": null");
            } else {
                text.append(": " + m_ClassAttribute.value((int) m_ClassValue));
            }
        } else {
            for (int j = 0; j < m_Attribute.numValues(); j++) {
                text.append("\n");
                for (int i = 0; i < level; i++) {
                    text.append("|  ");
                }
                text.append(m_Attribute.name() + " = " + m_Attribute.value(j));
                text.append(m_Successors[j].toString(level + 1));
            }
        }
        return text.toString();
    }

    public String toString() {

        if ((m_Distribution == null) && (m_Successors == null)) {
            return "Id3: No model built yet.";
        }
        return "Id3\n\n" + toString(0);
    }

    /**
     * Main method.
     *
     * @param args the options for the classifier
     */
    public static void main(String[] args) {
        runClassifier(new myId3(), args);
    }
}