信息增益、信息增益率、gini、特征选择、决策树

浅浅的花香味﹌ 2022-06-16 03:52 915阅读 0赞

**先简单介绍一下概念**

**熵**：表示随机变量的不确定性。  
**条件熵**：在一个条件下，随机变量的不确定性。  
**信息增益**：熵 - 条件熵。在一个条件下，信息不确定性减少的程度。通俗地讲，X(明天下雨)是一个随机变量，X的熵可以算出来， Y(明天阴天)也是随机变量，在阴天情况下下雨的信息熵我们如果也知道的话（此处需要知道其联合概率分布或是通过数据估计）即是条件熵。两者相减就是信息增益。原来明天下雨例如信息熵是2，条件熵是0.01（因为如果是阴天就下雨的概率很大，信息就少了），这样相减后为1.99，在获得阴天这个信息后，下雨信息不确定性减少了1.99。是很多的。所以信息增益大。也就是说，阴天这个信息对下雨来说是很重要的。所以在特征选择的时候常常用信息增益，如果IG（信息增益大）的话那么这个特征对于分类来说很关键。 决策树就是这样来找特征的。  
熟悉决策树的人都知道ID3以及C4.5两种算法，当然也非常清楚信息增益以及信息增益率两个概念。  
信息增益（Info Gain）用于ID3，Gini用于CART，信息增益率（Info Gain Ratio）用于C4.5。  
**信息增益率**：假设某个属性存在大量的不同值，决策树在选择属性时，将偏向于选择该属性，但这肯定是不正确（导致过拟合）的。因此有必要使用一种更好的方法，那就是C4.5中使用的信息增益率（Info Gain Ratio），其考虑了分支数量和尺寸的因素，使用称为内在信息（Intrinsic Information）的概念。  
内在信息（Intrinsic Information），可简单地理解为表示信息分支所需要的信息量，其计算公式如下：IntrinsicInfo(S,A)=−sumfrac|Si||S|log2frac|Si||S|信息增益率则计算如下：gainratio(Attribute)=fracgain(Attribute)IntrinsicInfo(Attribute)。实际上可以看出，属性的重要性会随着其内在信息（Intrinsic Information）的增大而减小。 信息增益率作为一种补偿（Compensate）措施来解决信息增益所存在的问题，但是它也有可能导致过分补偿，而选择那些内在信息很小的属性，这一点可以尝试：首先，仅考虑那些信息增益超过平均值的属性，其次再比较信息增益。  
**gini**：在CART里面划分决策树的条件是采用Gini Index，定义如下：gini(T)=1−sumnj=1p2j，其中，( p\_j )是类j在T中的相对频率，当类在T中是倾斜的时，gini(T)会最小。将T划分为T1（实例数为N1）和T2（实例数为N2）两个子集后，划分数据的Gini定义如下：ginisplit(T)=fracN1Ngini(T1)+fracN2Ngini(T2)，然后选择其中最小的( gini\_\{split\}(T) )作为结点划分决策树

**有关计算**

1. 信息论里的熵

因此先回忆一下信息论中有关信息量（就是“熵”）的定义。说有这么一个变量X，它可能的取值有n多种，分别是x1，x2，……，xn，每一种取到的概率分别是P1，P2，……，Pn，那么X的熵就定义为：  
  
![2012052716580125.jpg][]  
  
意思就是一个变量可能的变化越多（反而跟变量具体的取值没有任何关系，只和值的种类多少以及发生概率有关），它携带的信息量就越大  
  
2. 分类系统里的熵  
  
对分类系统来说，类别C是变量，它可能的取值是C1，C2，……，Cn，而每一个类别出现的概率是P(C1)，P(C2)，……，P(Cn)，因此n就是类别的总数。此时分类系统的熵就可以表示为：  
  
![2012052716580941.jpg][]  
  
  
3. 信息增益和熵的关系  
  
信息增益是针对一个一个的特征而言的，就是看一个特征t，系统有它和没它的时候信息量各是多少，两者的差值就是这个特征给系统带来的信息量，即增益。系统含有特征t的时候信息量很好计算，就是刚才的式子，它表示的是包含所有特征时系统的信息量。  
  
问题是当系统不包含t时，信息量如何计算？我们换个角度想问题，把系统要做的事情想象成这样：说教室里有很多座位，学生们每次上课进来的时 候可以随便坐，因而变化是很大的（无数种可能的座次情况）；但是现在有一个座位，看黑板很清楚，听老师讲也很清楚，于是校长的小舅子的姐姐的女儿托关系 （真辗转啊），把这个座位定下来了，每次只能给她坐，别人不行，此时情况怎样？对于座次的可能情况来说，我们很容易看出以下两种情况是等价的：（1）教室 里没有这个座位；（2）教室里虽然有这个座位，但其他人不能坐（因为反正它也不能参与到变化中来，它是不变的）。  
  
对应到我们的系统中，就是下面的等价：（1）系统不包含特征t；（2）系统虽然包含特征t，但是t已经固定了，不能变化。  
  
我们计算分类系统不包含特征t的时候，就使用情况（2）来代替，就是计算当一个特征t不能变化时，系统的信息量是多少。这个信息量其实也有专门的名称，就叫做“条件熵”，条件嘛，自然就是指“t已经固定“这个条件。  
  
但是问题接踵而至，例如一个特征X，它可能的取值有n多种（x1，x2，……，xn）， 当计算条件熵而需要把它固定的时候，要把它固定在哪一个值上呢？答案是每一种可能都要固定一下，计算n个值，然后取均值才是条件熵。而取均值也不是简单的 加一加然后除以n，而是要用每个值出现的概率来算平均（简单理解，就是一个值出现的可能性比较大，固定在它上面时算出来的信息量占的比重就要多一些）。  
  
因此有这样两个条件熵的表达式：  
  
![2012052716582069.jpg][]  
  
这是指特征X被固定为值xi时的条件熵，  
  
![2012052716582949.jpg][]  
这是指特征X被固定时的条件熵，注意与上式在意义上的区别。从刚才计算均值的讨论可以看出来，第二个式子与第一个式子的关系就是：  
  
  
![2012052716583994.jpg][]  
具体到我们文本分类系统中的特征t，t有几个可能的值呢？注意t是指一个固定的特征，比如他就是指关键词“经济”或者“体育”，当我们说特征“经济”可能的取值时，实际上只有两个，“经济”要么出现，要么不出现。一般的，t的取值只有t（代表t出现）和（代表t不出现），注意系统包含t但t 不出现与系统根本不包含t可是两回事。  
  
因此固定t时系统的条件熵就有了，为了区别t出现时的符号与特征t本身的符号，我们用T代表特征，而用t代表T出现，那么：  
  
  
![2012052716585043.jpg][]  
与刚才的式子对照一下，含义很清楚对吧，P(t)就是T出现的概率，就是T不出现的概率。这个式子可以进一步展开，其中的  
![2012052716592052.jpg][]  
  
  
另一半就可以展开为：  
  
![2012052716595056.jpg][]  
  
因此特征T给系统带来的信息增益就可以写成系统原本的熵与固定特征T后的条件熵之差：  
  
![2012052716595874.jpg][]  
  
公式中的东西看上去很多，其实也都很好计算。比如P(Ci)，表示类别Ci出现的概率，其实只要用1除以类别总数就得到了（这是说你平等的看待每个类别而忽略它们的大小时这样算，如果考虑了大小就要把大小的影响加进去）。再比如P(t)，就是特征T出现的概率，只要用出现过T的文档数除以总文档数就可以了，再比如P(Ci|t)表示出现T的时候，类别Ci出现的概率，只要用出现了T并且属于类别Ci的文档数除以出现了T的文档数就可以了。  
  
从以上讨论中可以看出，信息增益也是考虑了特征出现和不出现两种情况，与开方检验一样，是比较全面的，因而效果不错。但信息增益最大的问题 还在于它只能考察特征对整个系统的贡献，而不能具体到某个类别上，这就使得它只适合用来做所谓“全局”的特征选择（指所有的类都使用相同的特征集合），而 无法做“本地”的特征选择（每个类别有自己的特征集合，因为有的词，对这个类别很有区分度，对另一个类别则无足轻重）。

**一个实例**

任务：

根据天气预测否去打网球

数据：

![复制代码][copycode.gif]

这个数据集来自Mitchell的机器学习，叫做是否去打网球play-tennis,以下数据仍然是从带逗号分割的文本文件，复制到纪事本，把后缀直接改为.csv就可以拿Excel打开：
    
    *play-tennis data，其中6个变量依次为：编号、天气{Sunny、Overcast、Rain}、温度{热、冷、适中}、湿度{高、正常}、风力{强、弱}以及最后是否去玩的决策{是、否}。一个建议是把这些数据导入Excel后，另复制一份去掉变量的数据到另外一个工作簿，即只保留14个观测值。这样可以方便地使用Excel的排序功能，随时查看每个变量的取值到底有多少。*/
    
    NO. , Outlook , Temperature , Humidity , Wind , Play 
    1 , Sunny , Hot , High , Weak , No 
    2 , Sunny , Hot , High , Strong , No 
    3 , Overcast , Hot , High , Weak , Yes 
    4 , Rain , Mild , High , Weak , Yes 
    5 , Rain , Cool , Normal , Weak , Yes 
    6 , Rain , Cool , Normal , Strong , No 
    7 , Overcast , Cool , Normal , Strong , Yes 
    8 , Sunny , Mild , High , Weak , No 
    9 , Sunny , Cool , Normal , Weak , Yes 
    10 , Rain , Mild , Normal , Weak , Yes 
    11 , Sunny , Mild , Normal , Strong , Yes 
    12 , Overcast , Mild , High , Strong , Yes 
    13 , Overcast , Hot , Normal , Weak , Yes 
    14 , Rain , Mild , High , Strong , No

![复制代码][copycode.gif]

用决策树来预测：

决策树的形式类似于“如果天气怎么样，去玩；否则，怎么着怎么着”的树形分叉。那么问题是用哪个属性（即变量，如天气、温度、湿度和风力）最适合充当这颗树的根节点，在它上面没有其他节点，其他的属性都是它的后续节点。

那么借用上面所述的能够衡量一个属性区分以上数据样本的能力的“信息增益”（Information Gain）理论。

如果一个属性的信息增益量越大，这个属性作为一棵树的根节点就能使这棵树更简洁，比如说一棵树可以这么读成，如果风力弱，就去玩；风力强，再按天气、温度等分情况讨论，此时用风力作为这棵树的根节点就很有价值。如果说，风力弱，再又天气晴朗，就去玩；如果风力强，再又怎么怎么分情况讨论，这棵树相比就不够简洁了。

用熵来计算信息增益:

![复制代码][copycode.gif]

1 计算分类系统熵
    类别是 是否出去玩。取值为yes的记录有9个，取值为no的有5个，即说这个样本里有9个正例，5 个负例，记为S(9+,5-)，S是样本的意思(Sample)。那么P(c1) = 9/14, P(c2) = 5/14

这里熵记为Entropy(S),计算公式为：

Entropy(S)= -(9/14)*log2(9/14)-(5/14)*log2(5/14)用Matlab做数学运算

2 分别以Wind、Humidity、Outlook和Temperature作为根节点，计算其信息增益
    
    我们来计算Wind的信息增益

当Wind固定为Weak时：记录有8条，其中正例6个，负例2个；

同样，取值为Strong的记录6个，正例负例个3个。我们可以计算相应的熵为：

Entropy(Weak)=-(6/8)*log(6/8)-(2/8)*log(2/8)=0.811
    Entropy(Strong)=-(3/6)*log(3/6)-(3/6)*log(3/6)=1.0

现在就可以计算出相应的信息增益了：

所以，对于一个Wind属性固定的分类系统的信息量为 (8/14)*Entropy(Weak)+(6/14)*Entropy(Strong)

Gain(Wind)=Entropy(S)-(8/14)*Entropy(Weak)-(6/14)*Entropy(Strong)=0.940-(8/14)*0.811-(6/14)*1.0=0.048

这个公式的奥秘在于，8/14是属性Wind取值为Weak的个数占总记录的比例，同样6/14是其取值为Strong的记录个数与总记录数之比。

同理，如果以Humidity作为根节点：
    Entropy(High)=0.985 ; Entropy(Normal)=0.592
    Gain(Humidity)=0.940-(7/14)*Entropy(High)-(7/14)*Entropy(Normal)=0.151
    以Outlook作为根节点：
    Entropy(Sunny)=0.971 ; Entropy(Overcast)=0.0 ; Entropy(Rain)=0.971
    Gain(Outlook)=0.940-(5/14)*Entropy(Sunny)-(4/14)*Entropy(Overcast)-(5/14)*Entropy(Rain)=0.247
    以Temperature作为根节点：
    Entropy(Cool)=0.811 ; Entropy(Hot)=1.0 ; Entropy(Mild)=0.918
    Gain(Temperature)=0.940-(4/14)*Entropy(Cool)-(4/14)*Entropy(Hot)-(6/14)*Entropy(Mild)=0.029
    这样我们就得到了以上四个属性相应的信息增益值：
    Gain(Wind)=0.048 ；Gain(Humidity)=0.151 ； Gain(Outlook)=0.247 ；Gain(Temperature)=0.029
    最后按照信息增益最大的原则选Outlook为根节点。子节点重复上面的步骤。这颗树可以是这样的，它读起来就跟你认为的那样：

[2012052716580125.jpg]: /images/20220616/ee72e54d1f8e44ef87dab650225325a1.png
[2012052716580941.jpg]: /images/20220616/a574fec282de43d3aafc2936a8f1893c.png
[2012052716582069.jpg]: /images/20220616/06648669a7344ef0a5cf08dfdcd64cda.png
[2012052716582949.jpg]: /images/20220616/0b9a07ec6fa7415689ca63cd55995234.png
[2012052716583994.jpg]: /images/20220616/d7c9137e84984145a777c3422f61707f.png
[2012052716585043.jpg]: /images/20220616/e9dba6f91ccc46f495d7d367189f5b40.png
[2012052716592052.jpg]: /images/20220616/7c69315058954140a9d3e5cf2de4033c.png
[2012052716595056.jpg]: /images/20220616/790a763d59f647b0a165eb877d90f4a1.png
[2012052716595874.jpg]: /images/20220616/ddbf0277611b46608635a72e6ec2cf99.png
[copycode.gif]: /images/20220616/4880d6f1c72d43b7a3a4fbfc8d9ae8ff.png