使用成本复杂度剪枝对决策树进行后剪枝#

DecisionTreeClassifier 提供了诸如 min_samples_leaf 和 max_depth 之类的参数来防止树过拟合。成本复杂度剪枝提供了另一种控制树大小的选项。在 DecisionTreeClassifier 中，此剪枝技术由成本复杂度参数 ccp_alpha 进行参数化。ccp_alpha 的值越大，剪枝的节点数量就越多。在这里，我们仅展示 ccp_alpha 对正则化树的影响，以及如何根据验证分数选择 ccp_alpha。

有关剪枝的详细信息，另请参阅最小成本复杂度剪枝。

import matplotlib.pyplot as plt

from sklearn.datasets import load_breast_cancer
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

叶子的总杂质与剪枝树的有效 alpha 值#

最小成本复杂度剪枝递归地找到“最薄弱环节”的节点。最薄弱环节的特征在于有效 alpha 值，其中有效 alpha 值最小的节点将首先被剪枝。为了了解 ccp_alpha 的哪些值可能是合适的，scikit-learn 提供了 DecisionTreeClassifier.cost_complexity_pruning_path，它在剪枝过程的每个步骤中返回有效 alpha 值和相应的总叶子杂质。随着 alpha 值的增加，将对树进行更多剪枝，这会增加其叶子的总杂质。

X, y = load_breast_cancer(return_X_y=True)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=0)

clf = DecisionTreeClassifier(random_state=0)
path = clf.cost_complexity_pruning_path(X_train, y_train)
ccp_alphas, impurities = path.ccp_alphas, path.impurities

在下图中，删除了最大有效 alpha 值，因为它是只有一个节点的平凡树。

fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(ccp_alphas[:-1], impurities[:-1], marker="o", drawstyle="steps-post")
ax.set_xlabel("effective alpha")
ax.set_ylabel("total impurity of leaves")
ax.set_title("Total Impurity vs effective alpha for training set")

Total Impurity vs effective alpha for training set

Text(0.5, 1.0, 'Total Impurity vs effective alpha for training set')

接下来，我们使用有效 alpha 值训练决策树。ccp_alphas 中的最后一个值是剪枝整棵树的 alpha 值，留下只有一个节点的树 clfs[-1]。

clfs = []
for ccp_alpha in ccp_alphas:
    clf = DecisionTreeClassifier(random_state=0, ccp_alpha=ccp_alpha)
    clf.fit(X_train, y_train)
    clfs.append(clf)
print(
    "Number of nodes in the last tree is: {} with ccp_alpha: {}".format(
        clfs[-1].tree_.node_count, ccp_alphas[-1]
    )
)

Number of nodes in the last tree is: 1 with ccp_alpha: 0.3272984419327777

在本示例的其余部分中，我们将删除 clfs 和 ccp_alphas 中的最后一个元素，因为它只有一个节点的平凡树。在这里，我们展示了随着 alpha 值的增加，节点数量和树深度会减少。

clfs = clfs[:-1]
ccp_alphas = ccp_alphas[:-1]

node_counts = [clf.tree_.node_count for clf in clfs]
depth = [clf.tree_.max_depth for clf in clfs]
fig, ax = plt.subplots(2, 1)
ax[0].plot(ccp_alphas, node_counts, marker="o", drawstyle="steps-post")
ax[0].set_xlabel("alpha")
ax[0].set_ylabel("number of nodes")
ax[0].set_title("Number of nodes vs alpha")
ax[1].plot(ccp_alphas, depth, marker="o", drawstyle="steps-post")
ax[1].set_xlabel("alpha")
ax[1].set_ylabel("depth of tree")
ax[1].set_title("Depth vs alpha")
fig.tight_layout()

Number of nodes vs alpha, Depth vs alpha

训练集和测试集的准确率与 alpha 值的关系#

当 ccp_alpha 设置为零并保留 DecisionTreeClassifier 的其他默认参数时，树会过拟合，导致训练准确率为 100%，测试准确率为 88%。随着 alpha 值的增加，将对树进行更多剪枝，从而创建泛化能力更强的决策树。在本示例中，设置 ccp_alpha=0.015 可最大限度地提高测试准确率。

train_scores = [clf.score(X_train, y_train) for clf in clfs]
test_scores = [clf.score(X_test, y_test) for clf in clfs]

fig, ax = plt.subplots()
ax.set_xlabel("alpha")
ax.set_ylabel("accuracy")
ax.set_title("Accuracy vs alpha for training and testing sets")
ax.plot(ccp_alphas, train_scores, marker="o", label="train", drawstyle="steps-post")
ax.plot(ccp_alphas, test_scores, marker="o", label="test", drawstyle="steps-post")
ax.legend()
plt.show()

Accuracy vs alpha for training and testing sets

脚本总运行时间：（0 分 0.552 秒）