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首頁(yè)大數(shù)據(jù)時(shí)代為什么決策樹(shù)中經(jīng)常用熵作為判別條件而不是基尼不純度？
為什么決策樹(shù)中經(jīng)常用熵作為判別條件而不是基尼不純度？
2023-04-13
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決策樹(shù)是一種常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用于分類(lèi)和回歸問(wèn)題。在決策樹(shù)構(gòu)建的過(guò)程中，熵和基尼不純度是兩個(gè)常用的判別條件，用于選擇最優(yōu)的分裂點(diǎn)。雖然熵和基尼不純度都可以表示樣本集合的混亂程度，但是為什么在決策樹(shù)中經(jīng)常使用熵而不是基尼不純度呢？下面我將詳細(xì)闡述這個(gè)問(wèn)題。

首先，讓我們來(lái)看一下熵和基尼不純度的定義。熵是信息論中一個(gè)重要的概念，在信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、通信工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它反映了一個(gè)隨機(jī)變量或者信源的不確定性。給定一個(gè)樣本集合D，其熵可以用以下公式表示：

$$ Ent(D) = -sum_{k=1}^{|mathcal{Y}|}p_klog_2p_k $$

其中，$mathcal{Y}$是樣本集合D中所有可能的類(lèi)別，$p_k$是樣本屬于類(lèi)別$k$的概率?？梢钥闯觯?dāng)樣本集合的純度越高，即只包含同一類(lèi)別的樣本時(shí)，其熵越低，反之亦然。

基尼不純度是衡量節(jié)點(diǎn)純度的另一種指標(biāo)，它是在決策樹(shù)算法中比較常用的一個(gè)量。給定一個(gè)樣本集合D，其基尼不純度可以用以下公式表示：

$$ Gini(D) = sum_{k=1}^{|mathcal{Y}|}sum_{k'neq k}p_kp_{k'} $$

其中，$mathcal{Y}$是樣本集合D中所有可能的類(lèi)別，$p_k$是樣本屬于類(lèi)別$k$的概率?？梢钥闯?，當(dāng)樣本集合的純度越高，即只包含同一類(lèi)別的樣本時(shí)，其基尼不純度越低，反之亦然。

雖然熵和基尼不純度都可以用來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)的純度，但是它們之間存在一些差異，這些差異也導(dǎo)致了它們?cè)?a href='/map/jueceshu/' style='color:#000;font-size:inherit;'>決策樹(shù)中的應(yīng)用有所區(qū)別。

首先，從計(jì)算復(fù)雜度上來(lái)說(shuō)，熵的計(jì)算涉及到對(duì)每個(gè)類(lèi)別的概率進(jìn)行求對(duì)數(shù)運(yùn)算，而對(duì)數(shù)運(yùn)算是比較耗時(shí)的操作。相比之下，基尼不純度的計(jì)算只涉及乘法和加法，計(jì)算復(fù)雜度較低。因此，在需要快速構(gòu)建決策樹(shù)的場(chǎng)景下，選擇基尼不純度作為判別條件更為合適。

其次，從分類(lèi)效果上來(lái)說(shuō)，熵在處理離散屬性時(shí)具有天然的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殪厥腔谛畔⒄摰母拍?，它可以很好地處理離散屬性的取值問(wèn)題。例如，對(duì)于顏色屬性，可以將其取值范圍劃分成"紅、黃、藍(lán)"等幾個(gè)離散值，然后計(jì)算每個(gè)值出現(xiàn)的概率，從而得到該屬性的熵。相比之下，基尼不純度更適合處理連續(xù)屬性，因?yàn)檫B續(xù)屬性的取值范圍是無(wú)限的，難以進(jìn)行有效的分割。此外，熵在處理類(lèi)別較多的數(shù)據(jù)集時(shí)也具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗軌蚋玫胤从硺颖炯系幕靵y程度。

最后，考慮到?jīng)Q

最后，考慮到決策樹(shù)的構(gòu)建過(guò)程是一個(gè)遞歸的過(guò)程，如果在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用基尼不純度作為判別條件，可能會(huì)導(dǎo)致決策樹(shù)過(guò)于復(fù)雜。相比之下，使用熵作為判別條件可以更好地控制決策樹(shù)的生長(zhǎng)，因?yàn)殪啬軌蚝芎玫胤从彻?jié)點(diǎn)樣本集合的混亂程度，當(dāng)節(jié)點(diǎn)中的樣本越來(lái)越趨向于同一類(lèi)別時(shí)，熵也會(huì)隨之降低。

綜上所述，在選擇判別條件時(shí)，需要考慮到計(jì)算復(fù)雜度、分類(lèi)效果以及決策樹(shù)的復(fù)雜度控制等因素。雖然熵和基尼不純度都可以用來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)的純度，但是它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，在具體應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。對(duì)于離散屬性、多分類(lèi)問(wèn)題或者需要控制決策樹(shù)復(fù)雜度的場(chǎng)景，使用熵作為判別條件更為合適；而對(duì)于連續(xù)屬性或者需要快速構(gòu)建決策樹(shù)的場(chǎng)景，選擇基尼不純度作為判別條件更為合適。

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