R语言决策树（1）

日月流水2024-04-03 12:44

数据集heart_learning.csv与heart_test.csv是关于心脏病的数据集，heart_learning.csv是训练数据集，heart_test.csv是测试数据集。要求：target和target2为因变量，其他诸变量为自变量。用决策树模型对target和target2做预测，并与实际值比较来验证预测情况。变量说明：pain,ekg,slope,thal是分类变量，在做模型训练前需要对其进行转换为因子型变量。target是定类多值因变量，target2是二值变量，文中分别对其进行预测。

|---------|-----------------------------------|
| 变量名称 | 变量说明 |
| age | 年龄 |
| sex | 性别，取值1代表男性，0代表女性 |
| pain | 胸痛的类型，取值1,2,3,4,代表4种类型 |
| bpress | 入院时的静息血压（单位：毫米汞柱） |
| chol | 血清胆固醇（单位：毫克/分升） |
| bsugar | 空腹血糖是否大于120毫克/公升，1代表是，0代表否 |
| ekg | 静息心电图结果，取值0,1,2代表3中不同的结果 |
| thalach | 达到的最大心率 |
| exang | 是否有运动性心绞痛，1代表是0代表否 |
| oldpeak | 运动引起的ST段压低 |
| slope | 锻炼高峰期ST段的斜率，取值1代表上斜，2代表平坦，3代表下斜 |
| ca | 荧光染色的大血管数目，取值为0,1,2,3 |
| thal | 取值3代表正常，取值6代表固定缺陷，取值7代表可逆缺陷 |
| target | 因变量，直径减少50%以上的大血管数目，取值0,1,2,3,4 |
| target2 | 因变量，取值1表示target大于0，取值0表示target等于0 |

二、对二元因变量target2进行预测

1、导入分析包和数据集，进行数据清理

library(rpart) #rpart包实现分类树和回归树

install.packages('rpart.plot')

library(rpart.plot) #rpart.plot包含各种决策树和可视化函数

install.packages('rattle')

library(rattle) #实现数据挖掘和图形交互式可视化函数

library(dplyr) #数据处理包

library(ggplot2)

library(sampling) #实现各种数据抽样，包含各种随机抽样函数

将数据集heart_learning和heart_test里面的分类变量转换为因子变量

heart_learning<-read.csv('F:/桌面/练习表格/heart_learning.csv',

colClasses=rep('numeric',15)) %>%

mutate(pain=as.factor(pain)) %>% mutate(ekg=as.factor(ekg)) %>%

mutate(slope=as.factor(slope)) %>% mutate(thal=as.factor(thal))

heart_test<-read.csv('F:/桌面/练习表格/heart_test.csv',

colClasses=rep('numeric',15)) %>%

mutate(pain=as.factor(pain)) %>% mutate(ekg=as.factor(ekg)) %>%

mutate(slope=as.factor(slope)) %>% mutate(thal=as.factor(thal))

对数据集heart_learning进行分层随机抽样，以便选取出验证数据集最佳的模型参数

idtrain<-strata(heart_learning,stratanames = 'target2',

size = round(0.7*table(heart_learning$target2)),

method='srswor')$ID_unit

train<-heart_learning[idtrain,]

valid<-heart_learning[-idtrain,]

2、建立决策树模型，设置模型参数，查看决策树结果

二值因变量target2要转换为因子型变量

fit.tree<-rpart(as.factor(target2)~.,train[,-14],

parms=list(split='gini'),

control = rpart.control(minbucket = 5),

minsplit=10,

maxcompete=2,

maxdepth=30,

maxsurrogate=5,

cp=0.0001) #CP是复杂度参数

查看决策树

attributes(fit.tree)

复制代码 
attributes(fit.tree)
$names
 [1] "frame"               "where"               "call"                "terms"               "cptable"            
 [6] "method"              "parms"               "control"             "functions"           "numresp"            
[11] "splits"              "csplit"              "variable.importance" "y"                   "ordered"            

$xlevels
$xlevels$pain
[1] "1" "2" "3" "4"

$xlevels$ekg
[1] "0" "1" "2"

$xlevels$slope
[1] "1" "2" "3"

$xlevels$thal
[1] "3" "6" "7"


$ylevels
[1] "0" "1"

$class
[1] "rpart"

显示决策树子树矩阵

print(fit.tree$cptable)

复制代码 
print(fit.tree$cptable)
          CP nsplit rel error    xerror       xstd
1 0.51515152      0 1.0000000 1.0000000 0.09059288
2 0.06060606      1 0.4848485 0.7121212 0.08525299
3 0.01000000      4 0.3030303 0.4393939 0.07291598

显示决策树的规则

print(fit.tree)

复制代码 
print(fit.tree)
n= 144 

node), split, n, loss, yval, (yprob)
      * denotes terminal node

 1) root 144 66 0 (0.54166667 0.45833333)  
   2) thalach>=147.5 88 21 0 (0.76136364 0.23863636)  
     4) ca< 0.5 65  8 0 (0.87692308 0.12307692) *
     5) ca>=0.5 23 10 1 (0.43478261 0.56521739)  
      10) pain=1,3 13  4 0 (0.69230769 0.30769231) *
      11) pain=2,4 10  1 1 (0.10000000 0.90000000) *
   3) thalach< 147.5 56 11 1 (0.19642857 0.80357143)  
     6) oldpeak< 0.6 10  3 0 (0.70000000 0.30000000) *
     7) oldpeak>=0.6 46  4 1 (0.08695652 0.91304348) *

绘制决策树图

fancyRpartPlot(fit.tree,type=5,digits=3,main = '',sub='')

prp(fit.tree,box.palette = 'auto',roundint = FALSE)

3、使用验证数据集分类准确率对决策树进行修剪，选取合适的子树

初始化变量，赋初值

nsubtree<-length(fit.tree$cptable[,1])

results<-data.frame(cp=rep(0,nsubtree),accu=rep(0,nsubtree))

循环的思想是用建立的决策树fit.tree中子树矩阵每个子树对应的复杂度参数CP去修剪决策树，得到每个修剪后的子树，用这些修剪后的子树去验证分层随机抽样后的数据集valid，得到了预测概率和分类结果，与实际真值进行比对，得到了预测准确率，数据框results有两列，一列是每个子树的CP值，一个是验证准确率。

for(j in 1:nsubtree){

resultscp\[j\]\<-fit.treecptable[j,'CP']

fit.subtree<-prune(fit.tree,results$cp[j])

prob_valid<-predict(fit.subtree,valid[,-14],

type='prob')[,2]

class_valid<-1*(prob_valid>0.5)

resultsaccu\[j\]\<-length(which(validtarget2==class_valid))/length(valid$target2)

}

从results数据框中的accu找出最准确的值对于的CP参数值。

bestcp<-resultscp\[which.max(resultsaccu)]

用这个CP参数值进行修剪子树，得到了最佳修剪后子树

fit.valid.subtrees<-prune(fit.tree,bestcp)

4、用修剪后的最佳子树做预测

用这个最佳修改子树去预测测试数据集heart_test，得到了预测概率

prob.tree.valid<-predict(fit.valid.subtrees,heart_test[,-14],type='prob')[,2]

class.tree<-1*(prob.tree>0.5)

得到了分类预测结果

class.tree

得到了预测值和真实值的列联表

table(heart_test$target2,class.tree)

复制代码 
 class.tree
     0  1
  0 34 14
  1 10 33

5、每个自变量的影响程度分析

初始化向量importance.tree

importance.tree<-rep(0,13)

names(importance.tree)<-colnames(heart_learning)[1:13]

nvar<-length(fit.valid.subtrees$variable.importance)

通过循环把最佳决策子树中的向量fit.valid.subtrees$variable.importance赋值到向量importance.tree

for(i in 1:nvar）

{ importance.tree[which(names(importance.tree)==names(fit.valid.subtreesvariable.importance)\[i\])\]\<-fit.valid.subtreesvariable.importance[i]}

进行标准化

importance.tree<-importance.tree/sum(importance.tree)

imp<-data.frame(name=names(importance.tree),importance=importance.tree)

绘制各变量影响程度的柱形图

ggplot(imp,aes(reorder(name,importance),importance))+geom_col()+xlab('Variables')+

ylab('relative importance')+coord_flip()+ggtitle('Importance of Variables')

6、查看最佳子树的可视化图形

fancyRpartPlot(fit.valid.subtrees,type=5,digits=3,main = '',sub='')

prp(fit.valid.subtrees,box.palette = 'auto',roundint = FALSE)

二、对二多值因变量target进行预测

target取值为0,1,2,3,4，程序和target2类似，也需要把分类变量转化为因子变量，需要注意的是预测概率和预测分类类别的取值和定义。

library(rpart)

library(rpart.plot)

library(rattle)

library(dplyr)

library(ggplot2)

library(sampling)

set.seed(12345)

heart_learning<-read.csv('F:/桌面/练习表格/heart_learning.csv',

colClasses=rep('numeric',15)) %>%

mutate(pain=as.factor(pain)) %>% mutate(ekg=as.factor(ekg)) %>%

mutate(slope=as.factor(slope)) %>% mutate(thal=as.factor(thal))

heart_test<-read.csv('F:/桌面/练习表格/heart_test.csv',

colClasses=rep('numeric',15)) %>%

mutate(pain=as.factor(pain)) %>% mutate(ekg=as.factor(ekg)) %>%

mutate(slope=as.factor(slope)) %>% mutate(thal=as.factor(thal))

idtrain<-strata(heart_learning,stratanames = 'target2',

size = round(0.7*table(heart_learning$target)),

method='srswor')$ID_unit

train<-heart_learning[idtrain,]

valid<-heart_learning[-idtrain,]

fit.tree<-rpart(as.factor(target)~.,train[,-15],

parms=list(split='gini'),

control = rpart.control(

minbucket = 5,

minsplit=10,

maxcompete=2,

maxdepth=30,

maxsurrogate=5,

cp=0.0001))

attributes(fit.tree)

print(fit.tree$cptable)

print(fit.tree)

plotcp(fit.tree)

fancyRpartPlot(fit.tree,type=5,digits=3,main = '',sub='')

prp(fit.tree,box.palette = 'auto',roundint = FALSE)

nsubtree<-length(fit.tree$cptable[,1])

results<-data.frame(cp=rep(0,nsubtree),accu=rep(0,nsubtree))

for(j in 1:nsubtree){

resultscp\[j\]\<-fit.treecptable[j,'CP']

fit.subtree<-prune(fit.tree,results$cp[j])

prob_valid<-predict(fit.subtree,valid[,-15],

type='prob')

class_valid<-apply(prob_valid,1,which.max)-1

resultsaccu\[j\]\<-length(which(validtarget==class_valid))/length(valid$target)

}

bestcp<-resultscp\[which.max(resultsaccu)]

fit.valid.subtrees<-prune(fit.tree,bestcp)

importance.tree<-rep(0,13)

names(importance.tree)<-colnames(heart_learning)[1:13]

nvar<-length(fit.valid.subtrees$variable.importance)

for(i in 1:nvar){

importance.tree[which(names(importance.tree)==names(fit.valid.subtreesvariable.importance)\[i\])\]\<-fit.valid.subtreesvariable.importance[i]}

importance.tree<-importance.tree/sum(importance.tree)

imp<-data.frame(name=names(importance.tree),importance=importance.tree)

ggplot(imp,aes(reorder(name,importance),importance))+geom_col()+xlab('Variables')+

ylab('relative importance')+coord_flip()+ggtitle('Importance of Variables')

prob.tree<-predict(fit.valid.subtrees,heart_test[,1:13],type = 'prob')

class.tree<-apply(prob.tree,1,which.max)-1

class.tree

table(heart_test$target,class.tree)

运行可以得到

真实值与预测值的列联表

复制代码 
table(heart_test$target,class.tree)
   class.tree
     0  1  2  3
  0 43  4  1  0
  1 10  4  1  2
  2  4  2  3  2
  3  3  4  3  1
  4  1  0  3  0

变量的重要程度柱形图

决策树的可视化图形等

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