机器学习——随机森林算法分类问题案例解析（sklearn）

1. 集成学习：三个臭皮匠，如何赛过诸葛亮？

我们之前学习的线性回归、决策树等算法，就像是团队里的某一位"专家"。这位专家可能在某个领域很擅长，但单凭他一人，要解决复杂多变的问题，总会遇到瓶颈。就好比，一位再厉害的"诸葛亮"，也难免有失算的时候。

那怎么办呢？古人云："三个臭皮匠，赛过诸葛亮"。**集成学习（Ensemble Learning）**的核心思想正是如此：它不依赖于某一个"超级天才"（强学习器），而是将一群"普通人"（弱学习器）的智慧汇集起来，形成一个决策能力超强的"专家团"（强学习器）。

一个弱学习器，通常指那些性能仅比随机猜测好一点点的模型。而一个成功的"专家团"需要满足两个关键条件：

1. 个体优秀 (Good)：团队里的每个成员（弱学习器）都得有两把刷子，至少得具备一定的判断能力（比如，分类准确率要大于50%）。
2. 彼此差异 (Different)：如果团队成员的想法和知识背景一模一样，那和一个人决策没区别。成员之间必须有差异性、能互补短长，这样集成的效果才会最好。

为了组建这样的"专家团"，我们主要有两种策略，可以从两个维度来理解：

维度一：团队成员的构成方式 (同质 vs. 异质)

• 异质集成 (Heterogeneous Ensemble)：这就像组建一个"跨学科团队"。团队里有搞数学的（线性回归）、搞分类的（决策树）、搞空间分析的（K近邻）等等。我们让每个不同类型的模型都对问题进行预测，然后给那些历史表现更好的"专家"更高的发言权（权重），最后综合所有人的加权意见，得出最终结论。
• 同质集成 (Homogeneous Ensemble) ：这就像组建一个"专科攻坚小组"，所有成员都是同一类型，比如全是决策树专家。为了避免大家想法一致，我们会给每个专家分发略有不同的"资料包"（搅动数据）。通过这种方式，即使模型类型相同，他们学到的侧重点也各不相同，从而保证了差异性。

维度二：团队的工作模式 (并行 vs. 串行)

• 并行集成 (Parallel Ensemble) ：大家"同时开工，独立思考"。就像一场开卷考试，我们给每个学生（弱学习器）发一份略有不同的复习资料（通过自助采样得到的数据子集），让他们独立完成整套试卷。最后，我们统计所有学生的答案，通过"民主投票"来决定最终答案。这种方式互不干扰，非常适合大规模并行计算。

  • 代表算法 ：装袋法 (Bagging) 和 随机森林 (Random Forest)。

• 串行集成 (Serial Ensemble)：大家"接力工作，查漏补缺"。第一位同学（弱学习器）先做一遍题，然后把做错的题目标记出来。第二位同学拿到后，就重点攻克上一位同学搞错的难题。以此类推，每一位新成员都致力于解决前面所有成员留下的"历史遗留问题"。这样层层递进，模型的能力越来越强。

  • 代表算法 ：提升法 (Boosting)，如 AdaBoost, GBDT, XGBoost 等。

分类维度	类型	核心思想	工作模式	代表算法	比喻
按构成	异质集成	不同类型的模型组合	各自预测，加权表决	Stacking	跨学科专家会诊
	同质集成	同一类型的模型组合	通过数据扰动创造差异	Bagging, Boosting	决策树专家小组
按生成	并行集成	独立、互不依赖	同时训练，投票/平均	Bagging, 随机森林	学生独立完成考试
	串行集成	依赖、层层递进	迭代训练，弥补前序错误	Boosting (AdaBoost, GBDT)	师徒接力解决难题

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2. 随机森林分类任务：民主投票的决策专家团

随机森林是同质并行集成的杰出代表。顾名思义，"森林"由大量的"树"（决策树）组成。下面我们来看看这个"专家团"是如何工作的。

工作流程：

1. 建造森林：有控制的"随机"

   • 样本随机 (Bootstrap Sampling) ：假设我们有1000个原始样本。为了训练第一棵树，我们从这1000个样本中有放回地随机抽取1000次，形成一个训练集。因为是有放回的，所以这个新的训练集中，有些样本可能出现多次，有些则一次都未出现。这个过程就像是为每个专家准备一份独特的"复习资料"。
   • 特征随机 (Feature Sampling) ：在决策树的每个节点进行分裂时，我们不是 从全部 P 个特征中寻找最优分裂点，而是随机抽取 m 个特征（m < P），再从这 m 个中选出最好的。这确保了每棵树都不会过分依赖某几个强特征，增加了树之间的"视角"差异。
     • 经验法则 ：对于分类任务，通常取 m ≈ √p；对于回归任务，取 m ≈ p/3。
     • 与装袋法(Bagging)的关系 ：如果设置 m = p，即每次都考虑所有特征，那随机森林就退化成了装袋法。所以说，随机森林是装袋法的一种"进阶版"，它通过增加特征随机性来进一步提升模型的多样性。

2. 独立训练：并行工作的专家

   每棵决策树都使用自己独特的样本集和特征子集进行独立训练，互不干扰。

3. 集中决策：少数服从多数

   当一个新的样本需要预测时，森林里的每一棵树都独立地给出一个自己的分类判断。最后，随机森林采用"多数投票 (Majority Voting)"原则，得票最多的那个类别就是最终的预测结果。

优点与缺点：

• 优点 ：
  • 高准确率与抗过拟合：通过平均/投票多棵树的结果，个别树的错误会被其他树纠正，使得整体模型非常稳健，不易过拟含。
  • 处理高维数据：即使有数千个特征，随机森林也能表现良好，并且能帮我们评估哪些特征更重要。
  • 易于并行化：各棵树的训练可以分散到多个CPU核心或机器上，效率很高。
• 缺点 ：
  • 可解释性较差 ：相对于单棵决策树，由成百上千棵树组成的"黑箱"模型，我们很难直观地理解其内部的决策逻辑。（这催生了下面要讲的解释性工具！）
  • 计算成本：对于大数据集，训练大量的树会消耗较多的时间和内存。

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3. 谁是MVP？解密随机森林的特征重要性

随机森林是一个"黑箱"，但我们依然有办法窥探其内部，比如，搞清楚"在所有决策中，哪个特征的贡献最大？" 这就像评选一支球队的"最有价值球员 (MVP)"。

核心思想 ：一个特征越重要，意味着它在分裂决策树节点时，起到的"让数据变纯粹"的作用越大。

计算方法：

1. 单棵树的贡献 ：在一棵决策树中，每当一个特征被用来分裂节点时，我们会计算这次分裂带来的"不纯度下降量"（例如，基尼指数下降或信息增益提升）。把这个特征在这棵树里所有分裂点的贡献加起来，就是它在这棵树里的重要性得分。
2. 整个森林的总评 ：将该特征在森林中所有树上的重要性得分进行平均，就得到了它在整个随机森林中的最终重要性排名。

一句话总结：一个特征的重要性，就是它在所有树中、所有分裂决策里，平均贡献度的总和。贡献越大，排名越靠前，它就是我们模型眼中的"MVP"。

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4. 不止看"谁"重要，更要看"如何"重要：模型的可解释性利器

特征重要性告诉我们"哪些 "特征是MVP，但没有告诉我们这个MVP"如何 "影响比赛结果的（例如，是得分能力强还是防守能力强？）。部分依赖图 (PDP) 和 个体条件期望图 (ICE) 就是为了回答"如何影响"这个问题的强大工具。

1. 部分依赖图 (Partial Dependence Plot, PDP)：看清"平均趋势"

• 解决的问题 ：它展示了当其他所有特征保持不变时 ，某一个特征值的变化，对模型平均预测结果的影响。
• 比喻 ：就像研究"咖啡因摄入量"对"所有学生平均专注度"的影响。我们想知道，是咖啡因越多越好，还是适量最好？
• 工作原理 ：
  1. 选择一个你感兴趣的特征，比如"年龄"。
  2. 固定住数据集中其他所有特征，然后强制让所有样本的"年龄"都等于20岁，计算出所有样本的平均预测概率。
  3. 接着，强制让所有样本的"年龄"都等于21岁，再算一个平均预测概率。
  4. ...以此类推，将不同年龄值对应的平均预测结果连接起来，就形成了一条曲线。
• 解读 ：这条曲线展示了"年龄"这个特征对模型预测结果的边际效应。我们可以直观地看到，随着年龄的增长，预测结果是线性上升、下降，还是呈现更复杂的关系。

2. 个体条件期望图 (Individual Conditional Expectation, ICE Plot)：洞察"个体故事"

• 解决的问题 ：PDP展示的是平均效果，但这种"平均"可能会掩盖个体之间的巨大差异。ICE图则为每一个样本 都画出一条线，展示特定特征的变化对该样本预测结果的影响。
• 比喻 ：PDP是看咖啡因对"所有学生"的平均影响，而ICE图是看咖啡因对"张三 "、"李四"每个人专注度的具体影响。可能张三喝了咖啡生龙活虎，李四喝了却心慌意乱。
• 工作原理 ：它和PDP的原理几乎一样，唯一的区别是------它不对所有样本的预测结果求平均。它为每个样本单独画出一条"特征-预测"关系曲线。
• 解读 ：
  • ICE图是PDP的"拆解版"。所有ICE曲线的平均线，就是PDP曲线。
  • 通过观察ICE图，我们可以发现是否存在一些行为特异的子群体。如果所有ICE曲线都大致平行，说明该特征对所有样本的影响是同质的。如果曲线杂乱无章，说明存在复杂的交互效应。

一句话总结：

• 特征重要性：告诉你哪个特征是MVP。
• PDP：告诉你这位MVP对**整个团队（所有样本）**的平均影响是怎样的。
• ICE：告诉你这位MVP对**每一位队员（单个样本）**的具体影响是怎样的。

数据13.1中的数据为例进行讲解。针对"数据13.1"，我们以credit（是否发生违约）为响应变量，以age（年龄）、education（受教育程度）、workyears（工作年限）、resideyears（居住年限）、income（年收入水平）、debtratio（债务收入比）、creditdebt（信用卡负债）、otherdebt（其他负债）为特征变量，使用分类随机森林算法进行。

5.随机森林算法分类问题案例解析

1 变量设置及数据处理

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifierfrom sklearn.ensemble import RandomForestRegressorfrom sklearn.metrics import confusion_matrixfrom sklearn.metrics import classification_reportfrom sklearn.metrics import cohen_kappa_scorefrom sklearn.inspection import PartialDependenceDisplayfrom mlxtend.plotting import plot_decision_regions#分类问题随机森林算法示例#1  变量设置及数据处理data=pd.read_csv('数据13.1.csv')X = data.iloc[:,1:]#设置特征变量y = data.iloc[:,0]#设置响应变量X_train, X_test, y_train, y_test =  train_test_split(X,y,test_size=0.3, stratify=y, random_state=10)

2 二元Logistic回归、单颗分类决策树算法对比观察

#2  二元Logistic回归、单颗分类决策树算法观察model =  LogisticRegression(C=1e10, max_iter=1000,fit_intercept=True)model.fit(X_train, y_train)model.score(X_test, y_test)#单颗分类决策树算法model = DecisionTreeClassifier()path = model.cost_complexity_pruning_path(X_train, y_train)param_grid = {'ccp_alpha': path.ccp_alphas}kfold = StratifiedKFold(n_splits=10, shuffle=True, random_state=10)model = GridSearchCV(DecisionTreeClassifier(random_state=10), param_grid, cv=kfold)model.fit(X_train, y_train)print("最优alpha值：", model.best_params_)     model = model.best_estimator_print("最优预测准确率：", model.score(X_test, y_test))

最优alpha值：{'ccp_alpha': 0.004534462760155709}

最优预测准确率：0.861904761904762

3 装袋法分类算法

# 3  装袋法分类算法model=BaggingClassifier(estimator=DecisionTreeClassifier(random_state=10),n_estimators=300,max_samples=0.8,random_state=0)model.fit(X_train, y_train)model.score(X_test, y_test)

0.8666666666666667

4 随机森林分类算法

# 4  随机森林分类算法model = RandomForestClassifier(n_estimators=300, max_features='sqrt', random_state=10)model.fit(X_train, y_train)model.score(X_test, y_test)

5 寻求max_features最优参数

#5  寻求max_features最优参数scores = []for max_features in range(1, X.shape[1] + 1):    model = RandomForestClassifier(max_features=max_features,                                  n_estimators=300, random_state=10)    model.fit(X_train, y_train)    score = model.score(X_test, y_test)    scores.append(score)index = np.argmax(scores)range(1, X.shape[1] + 1)[index]plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] #正常显示中文plt.plot(range(1, X.shape[1] + 1), scores, 'o-')plt.axvline(range(1, X.shape[1] + 1)[index], linestyle='--', color='k', linewidth=1)plt.xlabel('最大特征变量数')plt.ylabel('最优预测准确率')plt.title('预测准确率随选取的最大特征变量数变化情况')plt.show()plt.savefig('预测准确率随选取的最大特征变量数变化情况.png')print(scores)

6 寻求n_estimators最优参数

#6  寻求n_estimators最优参数ScoreAll = []for i in range(100,300,10):    model= RandomForestClassifier(max_features=2,n_estimators = i,random_state = 10)    model.fit(X_train, y_train)    score = model.score(X_test, y_test)    ScoreAll.append([i,score])ScoreAll = np.array(ScoreAll)print(ScoreAll)max_score = np.where(ScoreAll==np.max(ScoreAll[:,1]))[0][0] #找出最高得分对应的索引print("最优参数以及最高得分:",ScoreAll[max_score])  plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] #正常显示中文plt.figure(figsize=[20,5])plt.xlabel('n_estimators')plt.ylabel('预测准确率')plt.title('预测准确率随n_estimators变化情况')plt.plot(ScoreAll[:,0],ScoreAll[:,1])plt.show()plt.savefig('预测准确率随n_estimators变化情况.png')

进一步寻求n_estimators最优参数

#进一步寻求n_estimators最优参数ScoreAll = []for i in range(190,210):    model= RandomForestClassifier(max_features=2,n_estimators = i,random_state = 10)    model.fit(X_train, y_train)    score = model.score(X_test, y_test)    ScoreAll.append([i,score])ScoreAll = np.array(ScoreAll)print(ScoreAll)max_score = np.where(ScoreAll==np.max(ScoreAll[:,1]))[0][0] #找出最高得分对应的索引print("最优参数以及最高得分:",ScoreAll[max_score])  plt.figure(figsize=[20,5])plt.xlabel('n_estimators')plt.ylabel('预测准确率')plt.title('预测准确率随n_estimators变化情况')plt.plot(ScoreAll[:,0],ScoreAll[:,1])plt.show()plt.savefig('预测准确率随n_estimators变化情况.png')

7 随机森林特征变量重要性水平分析​​​​

# 7  随机森林特征变量重要性水平分析sorted_index = model.feature_importances_.argsort()plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']#解决图表中中文显示问题plt.barh(range(X_train.shape[1]), model.feature_importances_[sorted_index])plt.yticks(np.arange(X_train.shape[1]), X_train.columns[sorted_index])plt.xlabel('特征变量重要性水平')plt.ylabel('特征变量')plt.title('随机森林特征变量重要性水平分析')plt.tight_layout()plt.show()plt.savefig('随机森林特征变量重要性水平分析.png')

8 绘制部分依赖图与个体条件期望图​​​​​​​

#8  绘制部分依赖图与个体条件期望图PartialDependenceDisplay.from_estimator(model, X_train, ['workyears','debtratio'], kind='average')#绘制部分依赖图简称PDP图PartialDependenceDisplay.from_estimator(model, X_train, ['workyears','debtratio'],kind='individual')#绘制个体条件期望图（ICE Plot）PartialDependenceDisplay.from_estimator(model, X_train, ['workyears','debtratio'],kind='both')#绘制个体条件期望图（ICE Plot）plt.show()plt.savefig('部分依赖图与个体条件期望图.png')

9 模型性能评价

#9  模型性能评价prob = model.predict_proba(X_test)prob[:5]pred = model.predict(X_test)pred[:5]print(classification_report(y_test,pred))cohen_kappa_score(y_test, pred)#计算kappa得分

热力图

#热力图import seaborn as snssns.heatmap(confusion_matrix(y_test, pred), annot=True, fmt='d', cmap='Blues')plt.show()plt.savefig('混淆矩阵热力图.png')

10 绘制ROC曲线

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#10  绘制ROC曲线plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']#解决图表中中文显示问题from sklearn.metrics import roc_curve,roc_auc_score
# 假设 y_true 和 y_score 是你的真实标签和模型预测的概率得分predict_target_prob=model.predict_proba(X_test)fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y_test, predict_target_prob[:,1])# 计算AUC值auc = roc_auc_score(y_test, predict_target_prob[:,1])print("AUC值：", auc)# 绘制 ROC 曲线plt.plot(fpr, tpr, label='ROC Curve area=%.3f'%auc)plt.plot(fpr, fpr, 'k--', linewidth=1)plt.xlabel('False Positive Rate')plt.ylabel('True Positive Rate')plt.title('随机森林分类树算法ROC曲线')plt.legend()plt.show()plt.savefig('随机森林分类树算法ROC曲线.pdf')

11 运用两个特征变量绘制随机森林算法决策边界图

#11  运用两个特征变量绘制随机森林算法决策边界图X2 = X.iloc[:, [2,5]]#仅选取workyears、debtratio作为特征变量model = RandomForestClassifier(n_estimators=300, max_features=1, random_state=1)model.fit(X2,y)model.score(X2,y)plot_decision_regions(np.array(X2), np.array(y), model)plt.xlabel('debtratio')#将x轴设置为'debtratio'plt.ylabel('workyears')#将y轴设置为'workyears'plt.title('随机森林算法决策边界')#将标题设置为'随机森林算法决策边界'plt.show()plt.savefig('随机森林算法决策边界.png')