編者按：保險(xiǎn)業(yè)數(shù)據(jù)科學(xué)家Alan Marazzi用R語(yǔ)言展示了基于決策樹(shù)的模型的強(qiáng)大和簡(jiǎn)潔之處。

這是一篇基于決策樹(shù)的模型的簡(jiǎn)明介紹，盡量使用非技術(shù)術(shù)語(yǔ)，同時(shí)也給出了模型的R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。由于這篇文章已經(jīng)夠長(zhǎng)了，因此我們省略了一些代碼。不過(guò)別擔(dān)心，你可以在配套的GitHub倉(cāng)庫(kù)中找到完整代碼：https://github.com/alanmarazzi/trees-forest

為何基于決策樹(shù)的模型經(jīng)久不衰

決策樹(shù)是一組通常用于分類的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。因?yàn)樗鼈兒?jiǎn)單有效，所以也是初學(xué)者首先學(xué)習(xí)的算法之一。你大概很難在最新的機(jī)器學(xué)習(xí)論文和研究上看到它們，但在真實(shí)世界項(xiàng)目中，基于決策樹(shù)的模型仍被廣泛使用。

之所以得到如此廣泛的使用，主要原因之一是它們的簡(jiǎn)單性和可解釋性。下面是一棵預(yù)測(cè)天氣是否多云的簡(jiǎn)單決策樹(shù)。

這一方法讓我們可以通過(guò)傳入數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)某個(gè)變量，不過(guò)，大概更重要的是我們可以推斷預(yù)測(cè)因子之間的關(guān)系。這意味著我們可以從底部開(kāi)始，看看哪些因素導(dǎo)致了多云。

比如，如果風(fēng)很小，看起來(lái)要下雨了，那說(shuō)明是多云。對(duì)簡(jiǎn)單模型而言，這些規(guī)則可以被人類所學(xué)習(xí)和應(yīng)用，或者我們可以生成一份清單以輔助決策過(guò)程。通過(guò)可視化決策樹(shù)，我們可以理解機(jī)器是如何工作的，為何將某些日子分類為多云，將另一些日子分類為非多云。

盡管這看起來(lái)挺微不足道的，但在許多情形下，我們需要知道模型為何做出某些預(yù)測(cè)。考慮一個(gè)預(yù)測(cè)是否接受胸痛患者的模型。在測(cè)試了許多高級(jí)模型之后，醫(yī)生想要搞清楚算法為什么讓某些處以危險(xiǎn)之中的患者回家。所以他們?cè)跀?shù)據(jù)上運(yùn)行了一個(gè)基于決策樹(shù)的模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)算法認(rèn)為患有哮喘的胸痛病人風(fēng)險(xiǎn)很小。

這是一個(gè)巨大的錯(cuò)誤。醫(yī)生非常清楚哮喘和胸痛必須立刻治療，這意味著哮喘和胸痛的病人會(huì)馬上得到收治。你發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在了吧？用于建模的數(shù)據(jù)認(rèn)為這類病人風(fēng)險(xiǎn)很小，是因?yàn)樗羞@類病人都得到了治療，所以極少有人在此之后死亡。

何時(shí)使用基于決策樹(shù)的模型

如前所述，當(dāng)可解釋性很重要時(shí)，決策樹(shù)非常好，即使它可能僅用于理解預(yù)測(cè)哪里出錯(cuò)了。實(shí)際上，基于決策樹(shù)的模型可以變得非常復(fù)雜，在損失可解釋性的同時(shí)，增加準(zhǔn)確性。這里存在著一個(gè)權(quán)衡。

另一個(gè)使用決策樹(shù)的理由是它們非常容易理解和解釋。在有一些強(qiáng)預(yù)測(cè)因子的情形下，決策樹(shù)可以用來(lái)創(chuàng)建可以同時(shí)為機(jī)器和人類使用的模型。我剛想到的一個(gè)例子是預(yù)測(cè)顧客是否最終會(huì)購(gòu)買某物的決策樹(shù)模型。

評(píng)測(cè)也是這些方法大放異彩之處：你很快會(huì)發(fā)現(xiàn)，用于分類時(shí)，即使是相當(dāng)簡(jiǎn)單的基于決策樹(shù)的模型，也很難被大幅超過(guò)。我個(gè)人經(jīng)常在要處理的數(shù)據(jù)集上運(yùn)行隨機(jī)森林（后文會(huì)介紹這一算法），接著嘗試戰(zhàn)勝它。

R語(yǔ)言配置

在開(kāi)始之前，你可能需要先配置一下R環(huán)境。

安裝如下包：

trees_packages <- c("FFTrees", ? ?"evtree", ? ?"party", ? ?"randomForest", ? ?"intubate", ? ?"dplyr")install.packages(trees_packages)

這些是在R語(yǔ)言中使用基于決策樹(shù)的模型和數(shù)據(jù)處理的主要包，但它們不是唯一的。任何你打算使用的基于決策樹(shù)的模型，幾乎都有幾十個(gè)包可以用，不信的話可以上Crantastic搜索一番。

現(xiàn)在是植樹(shù)時(shí)刻！我決定使用Titanic數(shù)據(jù)集，機(jī)器學(xué)習(xí)社區(qū)最著名的數(shù)據(jù)集之一。你可以從Kaggle（c/titanic）或GitHub（alanmarazzi/trees-forest）獲取這一數(shù)據(jù)集。我將直接從清洗數(shù)據(jù)和建模開(kāi)始講起，如果你在數(shù)據(jù)下載、加載上需要幫助，或者缺乏頭緒，可以參考我之前的文章Data Science in Minutes或者GitHub倉(cāng)庫(kù)中的完整代碼。

預(yù)備數(shù)據(jù)

首先，我們看下要處理的數(shù)據(jù)是什么樣子的：

我真心不喜歡有大寫字母姓名的數(shù)據(jù)集，很幸運(yùn)，我們可以用tolower()函數(shù)，一行代碼轉(zhuǎn)換為小寫字母：

names(titanic) <- tolower(names(titanic))

接著，將sex和embarked變量轉(zhuǎn)換為因子（類別變量）：

titanic$sex <- as.factor(titanic$sex)titanic$embarked <- as.factor(titanic$embarked)

建模時(shí)最重要的步驟之一是處理缺失值（NA）。許多R模型可以自動(dòng)處理缺失值，但大多數(shù)只不過(guò)是直接移除包含缺失值的觀測(cè)。這意味著可供模型學(xué)習(xí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)變少了，這幾乎一定會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)確率下降。

有各種填充NA的技術(shù)：填充均值、中位數(shù)、眾數(shù)，或使用一個(gè)模型預(yù)測(cè)它們的值。我們的例子將使用線性回歸替換數(shù)據(jù)集中年齡變量的缺失值。

乍看起來(lái)這個(gè)想法有點(diǎn)嚇人，有點(diǎn)怪異，你可能會(huì)想：“你說(shuō)的是，為了改進(jìn)我的模型，我應(yīng)該使用另一個(gè)模型？！”但其實(shí)并沒(méi)有看起來(lái)這么難，特別是如果我們使用線性回歸的話。

首先讓我們看下年齡變量中有多少NA：

mean(is.na(titanic$age))[1] 0.1986532

將近20%的乘客沒(méi)有年齡記錄，這意味著如果我們不替換缺失值，直接在數(shù)據(jù)集上運(yùn)行模型的話，我們的訓(xùn)練數(shù)據(jù)只有714項(xiàng)，而不是891項(xiàng)。

是時(shí)候在數(shù)據(jù)上跑下線性回歸了：

age_prediction <- lm(age ~ survived + pclass + fare, data = titanic)summary(age_prediction)

我們干了什么？我們告訴R求解如下線性等式，找出恰當(dāng)?shù)摩?、βn的值。

age = α + β1?survived + β2?pclass + β3?fare

然后我們?cè)趧?chuàng)建的模型上調(diào)用summary()函數(shù)，查看線性回歸的結(jié)果。R會(huì)給出一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們需要查看這些數(shù)據(jù)以了解數(shù)據(jù)的情況：

Call:lm(formula = age ~ survived + pclass + fare, data = titanic)Residuals: Min 1Q Median 3Q Max -37.457 -8.523 -1.128 8.060 47.505 Coefficients: Estimate Std. Error t value Pr(>|t|) (Intercept) 54.14124 2.04430 26.484 < 2e-16 ***survived ? ?-6.81709 ? ?1.06801 ?-6.383 3.14e-10 ***pclass ? ? ?-9.12040 ? ?0.72469 -12.585 ?< 2e-16 ***fare ? ? ? ?-0.03671 ? ?0.01112 ?-3.302 ?0.00101 ** ---Signif. codes: ?0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1Residual standard error: 13.03 on 710 degrees of freedom ?(177 observations deleted due to missingness)Multiple R-squared: ?0.1993, ? ?Adjusted R-squared: ?0.1959 F-statistic: ?58.9 on 3 and 710 DF, ?p-value: < 2.2e-16

上面第一行（Call）提示我們是哪個(gè)模型產(chǎn)生了這一結(jié)果，第二行顯示了殘差，之后是系數(shù)。這里我們可以查看系數(shù)的估計(jì)值，它們的標(biāo)準(zhǔn)差，t值和p值。之后是一些其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。我們看到R實(shí)際上移除了含NA的數(shù)據(jù)（177 observations deleted due to missingness）。

現(xiàn)在我們可以使用這個(gè)模型來(lái)填充NA了。我們使用predict()函數(shù)：

titanic$age[is.na(titanic$age)] <- predict(age_prediction, ? ?newdata = titanic[is.na(titanic$age),])

邏輯回歸基準(zhǔn)

是否幸存這樣的二元分類問(wèn)題，邏輯回歸很難戰(zhàn)勝。我們將使用邏輯回歸預(yù)測(cè)泰坦尼克幸存者，并將這一結(jié)果作為基準(zhǔn)。

別擔(dān)心，在R中進(jìn)行邏輯回歸非常直截了當(dāng)。我們引入dplyr和intubate庫(kù)，然后調(diào)用glm()函數(shù)運(yùn)行邏輯回歸。glm()接受三個(gè)參數(shù)，predictors為預(yù)測(cè)因子，例如年齡、艙等，response為結(jié)果變量，這里我們傳入survived，family指定返回結(jié)果的類別，這里我們傳入binomial。

library(dplyr) # 數(shù)據(jù)處理library(intubate) # 建模工作流# btbt_glb是 %>% 版本的glm函數(shù)logi <- titanic %>% select(survived, pclass, sex, age, sibsp) %>% ntbt_glm(survived ~ ., family = binomial)summary(logi)

下面讓我們查看下邏輯回歸模型做出的預(yù)測(cè)：

# 收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)上的預(yù)測(cè)logi_pred <- predict(logi, type = "response")# 預(yù)測(cè)值在0和1之間，我們將其轉(zhuǎn)換為`survived`或`not`survivors_logi <- rep(0, nrow(titanic))survivors_logi[logi_pred > .5] <- 1# 這將成為我們的基準(zhǔn)table(model = survivors_logi, real = titanic$survived)

上面的混淆矩陣給出了模型在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上的結(jié)果：預(yù)測(cè)572人死亡（0），319人幸存（1）。矩陣的對(duì)角線表明，480項(xiàng)和250項(xiàng)預(yù)測(cè)正確，而預(yù)測(cè)死亡的92人實(shí)際上幸存了，預(yù)測(cè)幸存的69人實(shí)際上未能幸存。

對(duì)這樣開(kāi)箱即用的模型而言，82%的預(yù)測(cè)精確度已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了。但是我們想在未見(jiàn)數(shù)據(jù)上測(cè)試一下，所以讓我們載入測(cè)試集，試下模型在測(cè)試集上的效果。

test <- read.csv(paste0("https://raw.githubusercontent.com/", ? ?"alanmarazzi/trees-forest/master/data/test.csv"), ? ?stringsAsFactors = FALSE, ? ?na.strings = "")# 和訓(xùn)練集一樣，清洗下數(shù)據(jù)names(test) <- tolower(names(test))test$sex <- as.factor(test$sex)

下面在測(cè)試數(shù)據(jù)上預(yù)測(cè)幸存率：

test_logi_pred <- predict(logi, test, type = "response")surv_test_logi <- data.frame(PassengerId = test$passengerid, ? ?Survived = rep(0, nrow(test)))surv_test_logi$Survived[test_logi_pred > .5] <- 1write.csv(surv_test_logi, "results/logi.csv", row.names = FALSE)

我們將結(jié)果保存為csv，因?yàn)闇y(cè)試數(shù)據(jù)沒(méi)有標(biāo)簽，我們并不知道預(yù)測(cè)是否正確。我們需要將結(jié)果上傳到Kaggle以查看結(jié)果。最終模型做出了77.5%的正確預(yù)測(cè)。

快速和低成本決策樹(shù)

終于可以開(kāi)始植樹(shù)了！我們將嘗試的第一個(gè)模型是快速和低成本決策樹(shù)。這基本上是最簡(jiǎn)單的模型。我們將使用R的FFTrees包。

# 臨時(shí)復(fù)制下數(shù)據(jù)集，因?yàn)镕FTrees包里也包含titanic變量titanicc <- titaniclibrary(FFTrees)titanic <- titaniccrm(titanicc)

載入包，我們只需在選中的變量上應(yīng)用FFTrees。

fftitanic <- titanic %>% select(age, pclass, sex, sibsp, fare, survived) %>% ntbt(FFTrees, survived ~ .)

模型需要跑一會(huì)兒，因?yàn)橐?xùn)練和測(cè)試不止一棵FFTree。最終得到的結(jié)果是一個(gè)FFTree對(duì)象，包含了所有測(cè)試過(guò)的FFTree：

fftitanic[1] "An FFTrees object containing 8 trees using 4 predictors {sex,pclass,fare,age}"[1] "FFTrees AUC: (Train = 0.84, Test = --)"[1] "My favorite training tree is #5, here is how it performed:" trainn 891.00p(Correct) 0.79Hit Rate (HR) 0.70False Alarm Rate (FAR) 0.16d-prime 1.52

我們看到，算法使用最多4個(gè)預(yù)測(cè)因子測(cè)試了8棵樹(shù)，表現(xiàn)最佳的是5號(hào)樹(shù)。接著我們看到了這棵樹(shù)的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這些輸出很有幫助，但可視化方法能夠更好地幫助我們理解發(fā)生了什么：

plot(fftitanic, main = "Titanic", decision.names = c("Not Survived", "Survived"))

這一張圖中有大量信息，從上往下依次為：觀測(cè)數(shù)目、分類數(shù)目、決策樹(shù)、診斷數(shù)據(jù)。讓我們重點(diǎn)關(guān)注決策樹(shù)。

決策樹(shù)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮sex變量：如果是女性（sex != male），我們將直接退出決策樹(shù)，預(yù)測(cè)幸存。粗暴，但相當(dāng)有效。如果是男性，將通過(guò)第二個(gè)節(jié)點(diǎn)pclass。這里，如果是三等艙，我們將退出決策樹(shù)，預(yù)測(cè)死亡。接著，如果船費(fèi)超過(guò)￡ 26.96（fare），預(yù)測(cè)幸存。最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮的是age（年齡）：如果年齡大于21.35歲，預(yù)測(cè)死亡。

在圖表的Performance（表現(xiàn)）區(qū)域，我們最關(guān)心左側(cè)的混淆矩陣，我們可以對(duì)比之前邏輯回歸得到的混淆矩陣。

此外，我們也可以查看下右側(cè)的ROC曲線。FFTrees包在數(shù)據(jù)上自動(dòng)運(yùn)行邏輯回歸和CART（另一種基于決策樹(shù)的模型），以供比較。仔細(xì)看圖，我們看到，代表邏輯回歸的圓圈基本上完全被5號(hào)樹(shù)的圓圈蓋住了，意味著這兩個(gè)模型表現(xiàn)相當(dāng)。

現(xiàn)在我們分類測(cè)試數(shù)據(jù)，并提交結(jié)果至Kaggle。如同我之前說(shuō)過(guò)的那樣，這些決策樹(shù)極為簡(jiǎn)單。我上面解釋決策樹(shù)如何工作時(shí)，解釋每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的句子中都有“如果”，這意味著我們可以依照同樣的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建一個(gè)基于清單的分類器，或者，我們甚至可以記住這些規(guī)則，然后手工分類。

ffpred <- ifelse(test$sex != "male", 1, ? ? ? ? ? ? ? ? ifelse(test$pclass > 2, 0, ifelse(test$fare < 26.96, 0, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ifelse(test$age >= 21.36, 0, 1))))ffpred[is.na(ffpred)] <- 0

只需4個(gè)嵌套的ifelse語(yǔ)句，我們就可以分類整個(gè)數(shù)據(jù)集。我們只有2個(gè)NA，所以我決定將它們分類為“未幸存”。接著我們只需將csv格式的結(jié)果上傳到Kaggle，看看模型表現(xiàn)如何。

我們的4個(gè)if-else語(yǔ)句表現(xiàn)只比基準(zhǔn)差了1%. 考慮到模型的簡(jiǎn)單性，這是非常出色的成績(jī)。

聚會(huì)時(shí)分

party包使用條件推理樹(shù)，比FFTrees更復(fù)雜的決策樹(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，條件推理樹(shù)在決定分割節(jié)點(diǎn)時(shí)，不僅考慮重要性，還考慮數(shù)據(jù)分布。雖然條件推理樹(shù)更復(fù)雜，但使用起來(lái)很簡(jiǎn)單，加載包后只需使用ctree函數(shù)即可創(chuàng)建決策樹(shù)。

library(party)partyTitanic <- titanic %>% select(age, pclass, sex, sibsp, fare, survived) %>% ntbt(ctree, as.factor(survived) ~ .)

運(yùn)行模型后，我們可以調(diào)用這個(gè)包的繪圖函數(shù)可視化得到的決策樹(shù)，plot(ctree_relust)。這里我們不在乎其他花里胡哨的東西，只在意最終得到的決策樹(shù)。所以會(huì)使用一些可選參數(shù)讓輸出整潔一點(diǎn)。

plot(partyTitanic, main = "Titanic prediction", type = "simple", inner_panel = node_inner(partyTitanic, pval = FALSE), terminal_panel = node_terminal(partyTitanic, abbreviate = TRUE, digits = 1, fill = "white"))

不幸的是較大的樹(shù)占用更多空間，如果再加上一些節(jié)點(diǎn)，圖就基本上看不清了。將這棵樹(shù)和上面那棵FFTree比較一下，我們看到現(xiàn)在這棵樹(shù)更復(fù)雜：之前我們直接預(yù)測(cè)每個(gè)男性死亡，現(xiàn)在這個(gè)模型嘗試將男性分為多種情況。

增加的復(fù)雜性降低了15%的訓(xùn)練誤差。和上面的FFTree相比，這是一項(xiàng)改進(jìn)。

train_party <- Predict(partyTitanic)table(tree = train_party, real = titanic$survived)

不過(guò)，很遺憾，我們下面將學(xué)到機(jī)器學(xué)習(xí)最重要的一課。事實(shí)上，在測(cè)試集上的分類正確率只有73.7%！

你也許會(huì)問(wèn)，這怎么可能？我們剛看到的是過(guò)擬合現(xiàn)象。模型考慮的一些變量最終看來(lái)其實(shí)是噪聲。結(jié)果在訓(xùn)練集上改善了，但在未見(jiàn)數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)變差了。有多種應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題的方式，比如剪枝。剪枝的意思是削減分支，比如通過(guò)降低樹(shù)的最大深度達(dá)成。剪枝搭配交叉驗(yàn)證，很可能改善測(cè)試數(shù)據(jù)上的結(jié)果。

集成模型

目前為止，我們開(kāi)發(fā)的都是單個(gè)學(xué)習(xí)者，意味著我們通過(guò)一個(gè)模型找到解決方案。另一系列的機(jī)器學(xué)習(xí)算法是集成，通過(guò)許多所謂的弱小學(xué)習(xí)者創(chuàng)建的模型。背后的理論是通過(guò)使用許多學(xué)習(xí)者（在我們的例子中是決策樹(shù)），結(jié)合他們的選擇，我們能得到良好的結(jié)果。

集成模型因模型創(chuàng)建方法、組合結(jié)果方式的不同而不同?？赡芸雌饋?lái)有點(diǎn)雜亂，但部分集成方法通常是開(kāi)箱即用的，是一個(gè)很好的優(yōu)化結(jié)果的選擇。

集成的目的是為了減少方差。比如，我們上面在訓(xùn)練集上得到了良好的結(jié)果，但在測(cè)試集上的誤差率卻很大。如果我們有不同的訓(xùn)練集，不同的模型，那么各自會(huì)有不同的偏差，集成之后就能得到更好的結(jié)果。

我們將查看三種不同的集成算法：Bagging、隨機(jī)森林、Boosting。

Bagging

bagging的主要思路相當(dāng)簡(jiǎn)單：如果我們?cè)诓煌挠?xùn)練集上訓(xùn)練許多較大的決策樹(shù)，我們將得到許多高方差、低偏差的模型。平均每棵樹(shù)的預(yù)測(cè)，我們就能得到方差和偏差相對(duì)較低的分類。

你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，我們并沒(méi)有許多訓(xùn)練集。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，我們通過(guò)bootstrap方法創(chuàng)建這些訓(xùn)練集。bootstrap不過(guò)是一種有放回的重復(fù)取樣方法。

x <- rnorm(100) # 生成隨機(jī)向量# 定義固定取樣函數(shù)boot_x <- function(x, size) { ? ?sample(x, size, replace = TRUE)}# 循環(huán)取樣，直到取滿需要的樣本bootstrapping <- function(x, reps, size) { ? ?y <- list() ? ?for (i in seq_len(reps)) { ? ? ? ?y[[i]] <- boot_x(x, size) ? ?} ? ?y}# 結(jié)果是一個(gè)列表z <- bootstrapping(x, 500, 20)

為了在泰坦尼克數(shù)據(jù)上運(yùn)行bagging，我們可以使用randomForest包。這是因?yàn)閎agging和隨機(jī)森林差不多，唯一的區(qū)別是在創(chuàng)建決策樹(shù)時(shí)考慮多少預(yù)測(cè)因子。bagging中，我們考慮數(shù)據(jù)集中的每個(gè)預(yù)測(cè)因子，我們可以通過(guò)設(shè)置mtry參數(shù)做到這一點(diǎn)。

library(randomForest)# 如果你希望重現(xiàn)結(jié)果，別忘了設(shè)置一樣的隨機(jī)數(shù)種子set.seed(123)# 創(chuàng)建bagging模型titanic_bag <- titanic %>% select(survived, age, pclass, sex, sibsp, fare, parch) %>% ntbt_randomForest(as.factor(survived) ~ ., mtry = 6)

注意，這里我們將survived作為因子（as.factor）傳入，這樣就可以使函數(shù)創(chuàng)建分類樹(shù)，而不是回歸樹(shù)（是的，決策樹(shù)同樣可以用于回歸）。

bagging默認(rèn)創(chuàng)建500棵樹(shù)，如果你想要增加更多樹(shù)，可以傳入ntree參數(shù)，設(shè)定一個(gè)更高的數(shù)值。

上面的代碼有一個(gè)問(wèn)題，直接跳過(guò)NA，不作預(yù)測(cè)。為了在避免進(jìn)一步特征工程的前提下，生成符合Kaggle要求的結(jié)果，我決定將測(cè)試集中的NA用中位數(shù)替換。不幸的是，這個(gè)問(wèn)題限制了預(yù)測(cè)能力，結(jié)果是66.5%的正確預(yù)測(cè)率。

隨機(jī)森林

隨機(jī)森林是最著名的機(jī)器學(xué)習(xí)算法之一，原因是它開(kāi)箱即用的效果好到?jīng)]道理。隨機(jī)森林幾乎和bagging一樣，只不過(guò)使用較弱的學(xué)習(xí)者，創(chuàng)建決策樹(shù)時(shí)只考慮有限數(shù)量的預(yù)測(cè)因子。

你可能會(huì)問(wèn)使用全部預(yù)測(cè)因子和僅使用部分預(yù)測(cè)因子有什么區(qū)別。答案是使用所有預(yù)測(cè)因子時(shí)，在不同的bootstrap取樣的數(shù)據(jù)集上創(chuàng)建決策樹(shù)時(shí)，前兩個(gè)分割很可能是一樣的，因?yàn)閯?chuàng)建決策樹(shù)時(shí)考慮的是預(yù)測(cè)因子的重要性。所以使用bagging創(chuàng)建的500棵樹(shù)會(huì)很相似，相應(yīng)地，做出的預(yù)測(cè)也會(huì)很相似。

為了限制這一行為，我們使用隨機(jī)森林，通過(guò)mtry參數(shù)限制預(yù)測(cè)因子。我們使用交叉驗(yàn)證決定“最好”的參數(shù)值，或者嘗試一些經(jīng)驗(yàn)法則，比如ncol(data)/3和sqrt(ncol(data))，不過(guò)在這個(gè)例子中我將mtry參數(shù)值定為3.

我建議你試驗(yàn)不同的值，然后查看發(fā)生了什么，以更好地理解隨機(jī)森林算法。

set.seed(456)titanic_rf <- titanic %>% select(survived, age, pclass, sex, sibsp, fare, parch) %>% ntbt_randomForest(as.factor(survived) ~ ., mtry = 3, n.trees = 5000)

結(jié)果是74.6%，比bagging要好不少（譯者注：這里的比較不是很公平，因?yàn)橹癰agging只用了500棵樹(shù)，而這里隨機(jī)森林用了5000棵樹(shù)，感興趣的讀者可以試下統(tǒng)一數(shù)量后再做比較），但還是比邏輯回歸差一點(diǎn)。

隨機(jī)森然有很多實(shí)現(xiàn)，也許我們可以嘗試下party包，用下條件推斷樹(shù)構(gòu)成的隨機(jī)森林。

set.seed(415)titanic_rf_party <- titanic %>% select(survived, age, pclass, sex, sibsp, fare, parch) %>% ntbt(cforest, as.factor(survived) ~ ., controls = cforest_unbiased(ntree = 5000, mtry = 3))

如你所見(jiàn)，代碼和之前差不多，但是結(jié)果是不是差不多呢？

這個(gè)結(jié)果差不多可以算是和邏輯回歸打了個(gè)平手。

Boosting

和之前“奮發(fā)”學(xué)習(xí)的算法不同，boosting緩慢學(xué)習(xí)。實(shí)際上，為了避免過(guò)擬合，bagging和隨機(jī)森林需要?jiǎng)?chuàng)建幾千棵決策樹(shù)，然后平均所有預(yù)測(cè)。boosting的方式與此不同：創(chuàng)建一棵樹(shù)，結(jié)果基于第一棵樹(shù)的結(jié)果創(chuàng)建另一棵樹(shù)，以此類推。

boosting比其他基于決策樹(shù)的算法學(xué)得慢，這有助于防止過(guò)擬合，但也要求我們小心地調(diào)整學(xué)習(xí)速度。從下面的代碼中，我們能看到，boosting的參數(shù)和隨機(jī)森林比較相似。

library(gbm)set.seed(999)titanic_boost <- titanic %>% select(survived, age, pclass, sex, sibsp, fare, parch) %>% ntbt(gbm, survived ~ ., distribution = "bernoulli", n.trees = 5000, interaction.depth = 3)

我們使用gbm包中的同名函數(shù)（ntbt），并指定distribution參數(shù)為bernoulli（伯努利分布），告訴函數(shù)這是一個(gè)分類問(wèn)題。n.trees參數(shù)指定創(chuàng)建決策樹(shù)的數(shù)目，interaction.depth指定樹(shù)的最大深度。

76%，和邏輯回歸、隨機(jī)森林、FFTrees的結(jié)果差不多。

我們學(xué)到了

復(fù)雜模型 > 簡(jiǎn)單模型 == 假。邏輯回歸和FFTrees很難戰(zhàn)勝，而且我們只需一點(diǎn)特征工程就可以進(jìn)一步提升簡(jiǎn)單模型的表現(xiàn)。

特征工程 > 復(fù)雜模型 == 真。特征工程是一項(xiàng)藝術(shù)。它是數(shù)據(jù)科學(xué)家最強(qiáng)大的武器之一，我們可以使用特征工程改進(jìn)預(yù)測(cè)。

創(chuàng)建模型 == 樂(lè)！數(shù)據(jù)科學(xué)家很有意思。盡管R有時(shí)會(huì)讓人有點(diǎn)沮喪，但總體而言學(xué)習(xí)R回報(bào)豐厚。如果你希望進(jìn)一步了解細(xì)節(jié)，或者想要一個(gè)逐步的指南，你可以訪問(wèn)文章開(kāi)頭提到的GitHub倉(cāng)庫(kù)，里面有完整的代碼。

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