Python实现的随机森林算法与简单总结
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scikitlearn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Kaggle101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.OwenHarris
male
22
1
0
A/521171
7.25
S
2
1
1
Cumings,Mrs.JohnBradley(FlorenceBriggsThayer)
female
38
1
0
PC17599
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.JacquesHeath(LilyMayPeel)
female
35
1
0
113803
53.1
C123
S
5
0
3
Allen,Mr.WilliamHenry
male
35
0
0
373450
8.05
S
值得说明的是，SibSp是指sisterbrotherspouse，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+python3.4（anaconda科学计算环境已经集成一系列常用包，pandasnumpysklearn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
"""
frommodelimport*＃载入基分类器的代码
#ETL:sameproceduretotrainingsetandtestset
training=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０１
training=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('ETLISDONE!')
#MODELFITTING
#===============PARAMETERAJUSTMENT============
min_leaf=1
min_dec_gini=0.0001
n_trees=5
n_fea=int(math.sqrt(len(training.columns)-1))
#==============================================
'''''
BESTSCORE:0.83
min_leaf=30
min_dec_gini=0.001
n_trees=20
'''
#ESSEMBLEBYRANDOMFOREST
FOREST={}
tmp=list(training.columns)
tmp.pop(tmp.index('Survived'))
feaList=pd.Series(tmp)
fortinrange(n_trees):
#fea=[]
feasample=feaList.sample(n=n_fea,replace=False)#selectfeature
fea=feasample.tolist()
fea.append('Survived')
#feaNew=fea.append(target)
subset=training.sample(n=len(training),replace=True)#generatethedatasetwithreplacement
subset=subset[fea]
#print(str(t)+'Classifierbuiltonfeature:')
#print(list(fea))
FOREST[t]=tree_grow(subset,'Survived',min_leaf,min_dec_gini)#savethetree
#MODELPREDICTION
#======================
currentdata=training
output='submission_rf_20151116_30_0.001_20'
#======================
prediction={}
forrincurrentdata.index:#arow
prediction_vote={1:0,0:0}
row=currentdata.get(currentdata.index==r)
forninrange(n_trees):
tree_dict=FOREST[n]#atree
p=model_prediction(tree_dict,row)
prediction_vote[p]+=1
vote=pd.Series(prediction_vote)
prediction[r]=list(vote.order(ascending=False).index)[0]#thevoteresult
result=pd.Series(prediction,name='Survived_p')
#delprediction_vote
#delprediction
#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
"""
importpandasaspd
importnumpyasnp
#importsklearnassk
importmath
deftree_grow(dataframe,target,min_leaf,min_dec_gini):
tree={}#renewatree
is_not_leaf=(len(dataframe)>min_leaf)
ifis_not_leaf:
fea,sp,gd=best_split_col(dataframe,target)
ifgd>min_dec_gini:
tree['fea']=fea
tree['val']=sp
#dataframe.drop(fea,axis=1)#1116modified
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:#returnaleaf
returnleaf(dataframe[target])
else:
returnleaf(dataframe[target])
returntree
defleaf(class_lable):
tmp={}
foriinclass_lable:
ifiintmp:
tmp[i]+=1
else:
tmp[i]=1
s=pd.Series(tmp)
s.sort(ascending=False)
returns.index[0]
defgini_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))
returngini
defdataSplit(dataframe,split_fea,split_val):
left_node=dataframe[dataframe[split_fea]<=split_val]
right_node=dataframe[dataframe[split_fea]>split_val]
returnleft_node,right_node
defbest_split_col(dataframe,target_name):
best_fea=''#modified1116
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
forcolincol_list:
node=dataframe[[col,target_name]]
unique=node.groupby(col).count().index
forsplit_pointinunique:#uniquevalue
left_node,right_node=dataSplit(node,col,split_point)
iflen(left_node)>0andlen(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#decreaseofimpurity
best_fea=col
best_split_point=split_point
#print(col,split_point,gini_0-gini_col)
returnbest_fea,best_split_point,gini_dec
defmodel_prediction(model,row):#rowisadf
fea=model['fea']
val=model['val']
left=model['left']
right=model['right']
ifrow[fea].tolist()[0]<=val:#getthevalue
branch=left
else:
branch=right
if('dict'instr(type(branch))):
prediction=model_prediction(branch,row)
else:
prediction=branch
returnprediction
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。