决策树常见划分原则信息熵、条件熵、信息增益、信息增益比、基尼指数的一般化描述

信息熵

信息熵就是度量信息的不确定度,例如现在总共10份数据,其中5份正5份负,那么正负的概率就是0.5

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根据这个公式,来计算信息熵,p(xi)代表每一类的概率,这样计算出来的值代表目前数据的不确定度。

条件熵

我们知道条件概率,p(y|x)就是在X的条件下我们计算Y的概率
那么条件熵也是相同的,就是我们先按照X做为分类标准,再计算以Y作为分类标准的熵值。

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这里的H(y|x)就是我们如果按照X先进行分类之后,再以Y分类的信息熵
条件熵是另一个变量Y熵对X(条件)的期望
其实条件熵意思是按一个新的变量的每个值对原变量进行分类,比如上面这个题把嫁与不嫁按帅,不帅分成了俩类。

然后在每一个小类里面,都计算一个小熵,然后每一个小熵乘以各个类别的概率,然后求和。

我们用另一个变量对原变量分类后,原变量的不确定性就会减小了,因为新增了Y的信息,可以感受一下。不确定程度减少了多少就是信息的增益。

信息增益

信息增益恰好是:信息熵-条件熵。
(解释:如果目前Y代表lable,那么H(Y)就是当前的信息熵,H(Y|X)代表以X特征作为分类条件的lable信息熵,两者相减就是如果使用X特征进行分类所获得的信息增益,如果信息增益为正的话那么按照X分类后的不确定度降低)

换句话说,信息增益代表了在一个条件下,信息复杂度(不确定性)减少的程度。那么我们现在也很好理解了,在决策树算法中,我们的关键就是每次选择一个特征,特征有多个,那么到底按照什么标准来选择哪一个特征。这个问题就可以用信息增益来度量。如果选择一个特征后,信息增益最大(信息不确定性减少的程度最大),那么我们就选取这个特征。

信息增益比

以信息作为划分训练数据的特征,存在偏向选择取值较多的特征的问题,使用信息增益比可以校正这一问题。
信息增益比等于特征A的信息增益g(D,A)除以,训练数据集D关于在特征A下的熵H(D)的比值。

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基尼系数

基尼指数( CART算法 ---分类树)
定义:基尼指数(基尼不纯度):表示在样本集合中一个随机选中的样本被分错的概率。

注意: Gini指数越小表示集合中被选中的样本被分错的概率越小,也就是说集合的纯度越高,反之,集合越不纯。
即 基尼指数(基尼不纯度)= 样本被选中的概率 * 样本被分错的概率

书中公式:

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说明:

1. pk表示选中的样本属于k类别的概率,则这个样本被分错的概率是(1-pk)

2. 样本集合中有K个类别,一个随机选中的样本可以属于这k个类别中的任意一个,因而对类别就加和

3. 当为二分类是,Gini(P) = 2p(1-p)

**样本集合D的Gini指数 : **假设集合中有K个类别,则:

image

基于特征A划分样本集合D之后的基尼指数:

需要说明的是CART是个二叉树,也就是当使用某个特征划分样本集合只有两个集合:1. 等于给定的特征值 的样本集合D1 , 2 不等于给定的特征值 的样本集合D2

实际上是对拥有多个取值的特征的二值处理。

举个例子:
假设现在有特征 “学历”,此特征有三个特征取值: “本科”,“硕士”, “博士”,

当使用“学历”这个特征对样本集合D进行划分时,划分值分别有三个,因而有三种划分的可能集合,划分后的子集如下:

    1. 划分点: “本科”,划分后的子集合 : {本科},{硕士,博士}

    2. 划分点: “硕士”,划分后的子集合 : {硕士},{本科,博士}

    3. 划分点: “硕士”,划分后的子集合 : {博士},{本科,硕士}

      对于上述的每一种划分,都可以计算出基于 划分特征= 某个特征值 将样本集合D划分为两个子集的纯度:

image.png

因而对于一个具有多个取值(超过2个)的特征,需要计算以每一个取值作为划分点,对样本D划分之后子集的纯度Gini(D,Ai),(其中Ai 表示特征A的可能取值)**
然后从所有的可能划分的Gini(D,Ai)中找出Gini指数最小的划分,这个划分的划分点,便是使用特征A对样本集合D进行划分的最佳划分点。

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