Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3

Ngày đăng: 05/09/2015, 22:09

Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Mục lục Mục lục 2 Phần 1: Cây quyết định 3 Phần 2: Giải thuật quy nạp cây quyết định ID3 8 2 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Phần 1: Cây quyết định Trong lý thuyết quyết định (chẳng hạn quản lí rủi ro), một cây quyết định (tiếng Anh: decision tree) là một đồ thị của các quyết định và các hậu quả có thể của nó (bao gồm rủi ro và hao phí tài nguyên). Cây quyết định được sử dụng để xây dựng một kế hoạch nhằm đạt được mục tiêu mong muốn. Các cây quyết định được dùng để hỗ trợ quá trình ra quyết định. Cây quyết định là một dạng đặc biệt của cấu trúc cây. 1. Giới thiệu chung Trong lĩnh vực học máy, cây quyết định là một kiểu mô hình dự báo (predictive model), nghĩa là một ánh xạ từ các quan sát về một sự vật/hiện tượng tới các kết luận về giá trị mục tiêu của sự vật/hiện tượng. Mỗi một nút trong (internal node) tương ứng với một biến; đường nối giữa nó với nút con của nó thể hiện một giá trị cụ thể cho biến đó. Mỗi nút lá đại diện cho giá trị dự đoán của biến mục tiêu, cho trước các giá trị của các biến được biểu diễn bởi đường đi từ nút gốc tới nút lá đó. Kỹ thuật học máy dùng trong cây quyết định được gọi là học bằng cây quyết định, hay chỉ gọi với cái tên ngắn gọn là cây quyết định. Học bằng cây quyết định cũng là một phương pháp thông dụng trong khai phá dữ liệu. Khi đó, cây quyết định mô tả một cấu trúc cây, trong đó, các lá đại diện cho các phân loại còn cành đại diện cho các kết hợp của các thuộc tính dẫn tới phân loại đó. Một cây quyết định có thể được học bằng cách chia tập hợp nguồn thành các tập con dựa theo một kiểm tra giá trị thuộc tính. Quá trình này được lặp lại một cách đệ qui cho mỗi tập con dẫn xuất. Quá trình đệ qui hoàn thành khi không thể tiếp tục thực hiện việc chia tách được nữa, hay khi một phân loại đơn có thể áp dụng cho từng phần tử của tập con dẫn xuất. Một bộ phân loại rừng ngẫu nhiên (random forest) sử dụng một số cây quyết định để có thể cải thiện tỉ lệ phân loại. Cây quyết định cũng là một phương tiện có tính mô tả dành cho việc tính toán các xác suất có điều kiện. Cây quyết định có thể được mô tả như là sự kết hợp của các kỹ thuật toán học và tính toán nhằm hỗ trợ việc mô tả, phân loại và tổng quát hóa một tập dữ liệu cho trước. Dữ liệu được cho dưới dạng các bản ghi có dạng: 1 2 3 (, ) (, ,, ,, ) k x y x x x x y= Biến phụ thuộc (dependant variable) y là biến mà chúng ta cần tìm hiểu, phân loại hay tổng quát hóa. 1 2 3, , x x x là các biến sẽ giúp ta thực hiện công việc đó. 3 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 2. Các kiểu cây quyết định Cây quyết định còn có hai tên khác: Cây hồi quy (Regression tree): ước lượng các hàm giá có giá trị là số thực thay vì được sử dụng cho các nhiệm vụ phân loại. (ví dụ: ước tính giá một ngôi nhà hoặc khoảng thời gian một bệnh nhân nằm viện) Cây phân loại (Classification tree): nếu y là một biến phân loại như: giới tính (nam hay nữ), kết quả của một trận đấu (thắng hay thua). 3. Ví dụ Ta sẽ dùng một ví dụ để giải thích về cây quyết định: David là quản lý của một câu lạc bộ đánh golf nổi tiếng. Anh ta đang có rắc rối chuyện các thành viên đến hay không đến. Có ngày ai cũng muốn chơi golf nhưng số nhân viên câu lạc bộ lại không đủ phục vụ. Có hôm, không hiểu vì lý do gì mà chẳng ai đến chơi, và câu lạc bộ lại thừa nhân viên. Mục tiêu của David là tối ưu hóa số nhân viên phục vụ mỗi ngày bằng cách dựa theo thông tin dự báo thời tiết để đoán xem khi nào người ta sẽ đến chơi golf. Để thực hiện điều đó, anh cần hiểu được tại sao khách hàng quyết định chơi và tìm hiểu xem có cách giải thích nào cho việc đó hay không. Vậy là trong hai tuần, anh ta thu thập thông tin về: Trời (outlook) (nắng (sunny), nhiều mây (clouded) hoặc mưa (raining)). Nhiệt độ (temperature) bằng độ F. Độ ẩm (humidity). Có gió mạnh (windy) hay không. Và tất nhiên là số người đến chơi golf vào hôm đó. David thu được một bộ dữ liệu gồm 14 dòng và 5 cột. 4 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Dữ liệu chơi golf Các biến độc lập Quang cảnh Nhiệt độ Độ ẩm Gió Chơi Nắng 85 85 không không Nắng 80 90 có không Âm u 83 78 không có Mưa 70 96 không có Mưa 68 80 không có Mưa 65 70 có không Âm u 64 65 có có Nắng 72 95 không không Nắng 69 70 không có Mưa 75 80 không có Nắng 75 70 có có Âm u 72 90 có có Âm u 81 75 không có mưa 71 80 có không 5 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Sau đó, để giải quyết bài toán của David, người ta đã đưa ra một mô hình cây quyết định. Cây quyết định là một mô hình dữ liệu mã hóa phân bố của nhãn lớp (cũng là y) theo các thuộc tính dùng để dự đoán. Đây là một đồ thị có hướng phi chu trình dưới dạng một cây. Nút gốc (nút nằm trên đỉnh) đại diện cho toàn bộ dữ liệu. Thuật toán cây phân loại phát hiện ra rằng cách tốt nhất để giải thích biến phụ thuộc, play (chơi), là sử dụng biến Outlook. Phân loại theo các giá trị của biến Outlook, ta có ba nhóm khác nhau: Nhóm người chơi golf khi trời nắng, nhóm chơi khi trời nhiều mây, và nhóm chơi khi trời mưa. Kết luận thứ nhất: nếu trời nhiều mây, người ta luôn luôn chơi golf. Và có một số người ham mê đến mức chơi golf cả khi trời mưa. Tiếp theo, ta lại chia nhóm trời nắng thành hai nhóm con. Ta thấy rằng khách hàng không muốn chơi golf nếu độ ẩm lên quá 70%. Cuối cùng, ta chia nhóm trời mưa thành hai và thấy rằng khách hàng sẽ không chơi golf nếu trời nhiều gió. Và đây là lời giải ngắn gọn cho bài toán mô tả bởi cây phân loại. David cho phần lớn nhân viên nghỉ vào những ngày trời nắng và ẩm, hoặc những ngày mưa gió. Vì hầu như sẽ chẳng có ai chơi golf trong những ngày đó. Vào những hôm khác, khi nhiều người sẽ đến chơi golf, anh ta có thể thuê thêm nhân viên thời vụ để phụ giúp công việc. 6 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Kết luận là cây quyết định giúp ta biến một biểu diễn dữ liệu phức tạp thành một cấu trúc đơn giản hơn rất nhiều. 4. Ưu điểm của cây quyết định So với các phương pháp khai phá dữ liệu khác, cây quyết định là phương pháp có một số ưu điểm: • Cây quyết định dễ hiểu. Người ta có thể hiểu mô hình cây quyết định sau khi được giải thích ngắn. • Việc chuẩn bị dữ liệu cho một cây quyết định là cơ bản hoặc không cần thiết. Các kỹ thuật khác thường đòi hỏi chuẩn hóa dữ liệu, cần tạo các biến phụ (dummy variable) và loại bỏ các giá trị rỗng. • Cây quyết định có thể xử lý cả dữ liệu có giá trị bằng số và dữ liệu có giá trị là tên thể loại. Các kỹ thuật khác thường chuyên để phân tích các bộ dữ liệu chỉ gồm một loại biến. Chẳng hạn, các luật quan hệ chỉ có thể dùng cho các biến tên, trong khi mạng nơ-ron chỉ có thể dùng cho các biến có giá trị bằng số. • Cây quyết định là một mô hình hộp trắng. Nếu có thể quan sát một tình huống cho trước trong một mô hình, thì có thể dễ dàng giải thích điều kiện đó bằng logic Boolean. Mạng nơ-ron là một ví dụ về mô hình hộp đen, do lời giải thích cho kết quả quá phức tạp để có thể hiểu được. • Có thể thẩm định một mô hình bằng các kiểm tra thống kê. Điều này làm cho ta có thể tin tưởng vào mô hình. • Cây quyết định có thể xử lý tốt một lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn. Có thể dùng máy tính cá nhân để phân tích các lượng dữ liệu lớn trong một thời gian đủ ngắn để cho phép các nhà chiến lược đưa ra quyết định dựa trên phân tích của cây quyết định. 7 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Phần 2: Giải thuật quy nạp cây quyết định ID3 1. Giới thiệu Giải thuật quy nạp cây ID3 (gọi tắt là ID3) là một giải thuật học đơn giản nhưng tỏ ra thành công trong nhiều lĩnh vực. ID3 là một giải thuật hay vì cách biểu diễn tri thức học được của nó, tiếp cận của nó trong việc quản lý tính phức tạp, heuristic của nó dùng cho việc chọn lựa các khái niệm ứng viên, và tiềm năng của nó đối với việc xử lý dữ liệu nhiễu. ID3 biểu diễn các khái niệm (concept) ở dạng các cây quyết định (decision tree). Biểu diễn này cho phép chúng ta xác định phân loại của một đối tượng bằng cách kiểm tra các giá trị của nó trên một số thuộc tính nào đó. Như vậy, nhiệm vụ của giải thuật ID3 là học cây quyết định từ một tập các ví dụ rèn luyện (training example) hay còn gọi là dữ liệu rèn luyện (training data). Hay nói khác hơn, giải thuật có: • Đầu vào: Một tập hợp các ví dụ. Mỗi ví dụ bao gồm các thuộc tính mô tả một tình huống, hay một đối tượng nào đó, và một giá trị phân loại của nó. • Đầu ra: Cây quyết định có khả năng phân loại đúng đắn các ví dụ trong tập dữ liệu rèn luyện, và hy vọng là phân loại đúng cho cả các ví dụ chưa gặp trong tương lai. Ví dụ, chúng ta hãy xét bài toán phân loại xem ta ‘có đi chơi tennis’ ứng với thời tiết nào đó không. Giải thuật ID3 sẽ học cây quyết định từ tập hợp các ví dụ sau: 8 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Tập dữ liệu này bao gồm 14 ví dụ. Mỗi ví dụ biểu diễn cho tình trạng thời tiết gồm các thuộc tính quang cảnh, nhiệt độ, độ ẩm và gió; và đều có một thuộc tính phân loại ‘chơi Tennis’ (có, không). ‘Không’ nghĩa là không đi chơi tennis ứng với thời tiết đó, ‘Có’ nghĩa là ngược lại. Giá trị phân loại ở đây chỉ có hai loại (có, không), hay còn ta nói phân loại của tập ví dụ của khái niệm này thành hai lớp (classes). Thuộc tính ‘Chơi tennis’ còn được gọi là thuộc tính đích (target attribute). Mỗi thuộc tính đều có một tập các giá trị hữu hạn. Thuộc tính quang cảnh có ba giá trị (âm u, mưa, nắng), nhiệt độ có ba giá trị (nóng, mát, ấm áp), độ ẩm có hai giá trị (cao, TB) và gió có hai giá trị (mạnh, nhẹ). Các giá trị này chính là ký hiệu (symbol) dùng để biểu diễn bài toán. Từ tập dữ liệu rèn luyện này, giải thuật ID3 sẽ học một cây quyết định có khả năng phân loại đúng đắn các ví dụ trong tập này, đồng thời hy vọng trong tương lai, nó cũng sẽ phân loại đúng các ví dụ không nằm trong tập này. Một cây quyết định ví dụ mà giải thuật ID3 có thể quy nạp được là: Các nút trong cây quyết định biểu diễn cho một sự kiểm tra trên một thuộc tính nào đó, mỗi giá trị có thể có của thuộc tính đó tương ứng với một nhánh của cây. Các nút lá thể hiện sự phân loại của các ví dụ thuộc nhánh đó, hay chính là giá trị của thuộc tính phân loại. Sau khi giải thuật đã quy nạp được cây quyết định, thì cây này sẽ được sử dụng để phân loại tất cả các ví dụ hay thể hiện (instance) trong tương lai. Và cây quyết định sẽ không thay đổi cho đến khi ta cho thực hiện lại giải thuật ID3 trên một tập dữ liệu rèn luyện khác. 9 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Ứng với một tập dữ liệu rèn luyện sẽ có nhiều cây quyết định có thể phân loại đúng tất cả các ví dụ trong tập dữ liệu rèn luyện. Kích cỡ của các cây quyết định khác nhau tùy thuộc vào thứ tự của các kiểm tra trên thuộc tính. Vậy làm sao để học được cây quyết định có thể phân loại đúng tất cả các ví dụ trong tập rèn luyện? Một cách tiếp cận đơn giản là học thuộc lòng tất cả các ví dụ bằng cách xây dựng một cây mà có một lá cho mỗi ví dụ. Với cách tiếp cận này thì có thể cây quyết định sẽ không phân loại đúng cho các ví dụ chưa gặp trong tương lai. Vì phương pháp này cũng giống như hình thức ‘học vẹt’, mà cây không hề học được một khái quát nào của khái niệm cần học. Vậy, ta nên học một cây quyết định như thế nào là tốt? Occam’s razor và một số lập luận khác đều cho rằng ‘giả thuyết có khả năng nhất là giả thuyết đơn giản nhất thống nhất với tất cả các quan sát’, ta nên luôn luôn chấp nhận những câu trả lời đơn giản nhất đáp ứng một cách đúng đắn dữ liệu của chúng ta. Trong trường hợp này là các giải thuật học cố gắng tạo ra cây quyết định nhỏ nhất phân loại một cách đúng đắn tất cả các ví dụ đã cho. Trong phần kế tiếp, chúng ta sẽ đi vào giải thuật ID3, là một giải thuật quy nạp cây quyết định đơn giản thỏa mãn các vấn đề vừa nêu. 2. Giải thuật ID3 xây dựng cây quyết định từ trên xuống ID3 xây dựng cây quyết định (cây QĐ) theo cách từ trên xuống. Lưu ý rằng đối với bất kỳ thuộc tính nào, chúng ta cũng có thể phân vùng tập hợp các ví dụ rèn luyện thành những tập con tách rời, mà ở đó mọi ví dụ trong một phân vùng (partition) có một giá trị chung cho thuộc tính đó. ID3 chọn một thuộc tính để kiểm tra tại nút hiện tại của cây và dùng trắc nghiệm này để phân vùng tập hợp các ví dụ; thuật toán khi đó xây dựng theo cách đệ quy một cây con cho từng phân vùng. Việc này tiếp tục cho đến khi mọi thành viên của phân vùng đều nằm trong cùng một lớp; lớp đó trở thành nút lá của cây. Vì thứ tự của các trắc nghiệm là rất quan trọng đối với việc xây dựng một cây QĐ đơn giản, ID3 phụ thuộc rất nhiều vào tiêu chuẩn chọn lựa trắc nghiệm để làm gốc của cây. Để đơn giản, phần này chỉ mô tả giải thuật dùng để xây dựng cây QĐ, với việc giả định một hàm chọn trắc nghiệm thích hợp. Phần kế tiếp sẽ trình bày heuristic chọn lựa của ID3. Ví dụ, hãy xem xét cách xây dựng cây QĐ của ID3 từ ví dụ trước đó 10 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Bắt đầu với bảng đầy đủ gồm 14 ví dụ rèn luyện, ID3 chọn thuộc tính quang cảnh để làm thuộc tính gốc sử dụng hàm chọn lựa thuộc tính mô tả trong phần kế tiếp. Trắc nghiệm này phân chia tập ví dụ như cho thấy trong hình 9.2 với phần tử của mỗi phân vùng được liệt kê bởi số thứ tự của chúng trong bảng. 11 […]… Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 * ID3 xây dựng cây quyết định theo giải thuật sau: Function induce_tree(tập_ví_dụ, tập_thuộc_tính) begin if mọi ví dụ trong tập_ví_dụ đều nằm trong cùng một lớp then return một nút lá được gán nhãn… Chơi-Tennis = Yes If (Quang-cảnh =Âm u) Then Chơi-Tennis = Yes … 7 Khi nào nên sử dụng ID3 19 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Giải thuật ID3 là một giải thuật học đơn giản nhưng nó chỉ phù hợp với một lớp các bài toán hay vấn đề có thể biểu diễn bằng ký hiệu Chính vì vậy, giải thuật này thuộc tiếp cận giải quyết vấn đề dựa trên ký hiệu (symbol – based approach) Tập dữ liệu rèn luyện ở đây… chọn thuộc tính kiểm tra tạo ra càng nhiều phân vùng thuần nhất càng tốt ID3 sử dụng lý thuyết thông tin để thực hiện điều này 13 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 3 Thuộc tính nào là thuộc tính dùng để phân loại tốt nhất? Quinlan (1983) là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng lý thuyết thông tin để tạo ra các cây quyết định và công trình của ông là cơ sở cho phần trình bày ở đây Lý thuyết… quyết định của ID3 là một không gian đầy đủ các cây quyết định trên các thuộc tính đã cho trong tập rèn luyện Điều này có nghĩa là không gian mà ID3 tìm kiếm chắc chắn có chứa cây quyết định cần tìm • Trong khi tìm kiếm, ID3 chỉ duy trì một giả thuyết hiện tại Vì vậy, giải thuật này không có khả năng biểu diễn được tất cả các cây quyết định khác nhau có khả năng phân loại đúng dữ liệu hiện có • Giải thuật. .. là có khả năng phân loại đúng các ví dụ không nằm trong tập dữ liệu rèn luyện Để đánh giá hiệu suất của một cây quyết định người ta thường sử dụng một tập ví dụ tách rời, tập này khác với tập dữ liệu rèn luyện, để đánh giá khả năng phân loại 18 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 của cây trên các ví dụ của tập này Tập dữ liệu này gọi là tập kiểm tra (validation set) Thông thường, tập dữ liệu… từ cây rỗng, sau đó dần dần xem xét các giả thuyết phức tạp hơn mà có thể phân loại đúng các ví dụ rèn luyện Hàm đánh giá được dùng để hướng dẫn tìm kiếm leo núi ở đây là phép đo lượng thông tin thu được Từ cách nhìn ID3 như là một giải thuật tìm kiếm trong không gian các giả thuyết, ta có một số nhận xét như sau: 17 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 • Không gian giả thuyết các cây quyết. .. một vài dữ liệu sai (hay dữ liệu nhiễu) • Trong quá trình tìm kiếm, giải thuật ID3 có xu hướng chọn cây quyết định ngắn hơn là những cây quyết định dài Đây là tính chất thiên lệch quy nạp của ID3 5 Đánh giá hiệu suất của cây quyết định: Một cây quyết định sinh ra bởi ID3 được đánh giá là tốt nếu như cây này có khả năng phân loại đúng được các trường hợp hay ví dụ sẽ gặp trong tương lai, hay cụ thể hơn… nên ID3 tạo một nút lá với nhãn là lớp ‘Có’ Còn phân vùng của hai nhánh còn lại vừa có ví dụ âm, vừa có ví dụ dương Nên tiếp tục chọn thuộc tính “Độ ẩm” để làm trắc nghiệm cho nhánh Nắng, và thuộc tính Gió cho nhánh Mưa, vì các ví dụ trong các phân vùng con của các nhánh cây này đều thuộc cùng một lớp, nên giải thuật ID3 kết thúc và ta có được cây QĐ như sau 12 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán. .. của cây quyết định ta được cây quyết định hoàn chỉnh như sau 4 Tìm kiếm không gian giả thuyết trong ID3 Cũng như các phương pháp học quy nạp khác, ID3 cũng tìm kiếm trong một không gian các giả thuyết một giả thuyết phù hợp với tập dữ liệu rèn luyện Không gian giả thuyết mà ID3 tìm kiếm là một tập hợp các cây quyết định có thể có ID3 thực hiện một phép tìm kiếm từ đơn giản đến phức tạp, theo giải thuật. .. Gain(S, Độ ẩm) = 0.151 Gain(S, Gió) = 0.048 gốc Ta thấy Gain(S, Quang cảnh) là lớn nhất  lấy thuộc tính quang cảnh làm nút Sau khi lập được cấp đầu tiên của cây quyết định ta lại xét nhánh Nắng 16 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Tiếp tục lấy Entropy và Gain cho nhánh Nắng ta được hiệu suất như sau: Gain(SNắng, Độ ẩm) = 0.970 Gain(SNắng, Nhiệt độ) = 0.570 Gain(SNắng, Gió) = 0.019 Như. Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Mục lục Mục lục 2 Phần 1: Cây quyết định 3 Phần 2: Giải thuật quy nạp cây quyết định ID3 8 2 Xây. ra quyết định dựa trên phân tích của cây quyết định. 7 Xây dựng cây quyết định ứng dụng thuật toán ID3 Phần 2: Giải thuật quy nạp cây quyết định ID3 1. Giới thiệu Giải thuật quy nạp cây ID3. vào giải thuật ID3, là một giải thuật quy nạp cây quyết định đơn giản thỏa mãn các vấn đề vừa nêu. 2. Giải thuật ID3 xây dựng cây quyết định từ trên xuống ID3 xây dựng cây quyết định (cây QĐ)

Source: https://bem2.vn
Category: Ứng dụng hay