数据挖掘报告

哈尔滨工业大学

数据挖掘理论与算法实验报告(2016年度秋季学期)

课程编码S1300019C

授课教师邹兆年

学生姓名汪瑞

学号16S003011

学院计算机学院

一、实验内容

决策树算法是一种有监督学习的分类算法；kmeans是一种无监督的聚类算法。

本次实验实现了以上两种算法。在决策树算法中采用了不同的样本划分方式、不同的分支属性的选择标准。在kmeans算法中，比较了不同初始质心产生的差异。

本实验主要使用python语言实现，使用了sklearn包作为实验工具。

二、实验设计

1.决策树算法

1.1读取数据集

本次实验主要使用的数据集是汽车价值数据。有6个属性，命名和属性值分别如下：

buying: vhigh, high, med, low.

maint: vhigh, high, med, low.

doors: 2, 3, 4, 5more.

persons: 2, 4, more.

lug_boot: small, med, big.

safety: low, med, high.

分类属性是汽车价值，共4类，如下：

class values：unacc, acc, good, vgood

该数据集不存在空缺值。

由于sklearn.tree只能使用数值数据，因此需要对数据进行预处理，将所有标签类属性值转换为整形。

1.2数据集划分

数据集预处理完毕后，对该数据进行数据集划分。数据集划分方法有hold-out法、k-fold交叉验证法以及有放回抽样法（boottrap）。

Hold—out法在pthon中的实现是使用如下语句：

其中，cv是sklearn中cross_validation包，train_test_split方法的参数分别是数据集、数据集大小、测试集所占比、随机生成方法的可选项。该方法分别返回，训练集、测试集在原数据集中的序号以及对应的所属类别的序号。

K-flod法实现较为简单。如下：

xl为数据集大小，n_folds为划分若干折，一般可用10-fold验证。返回值loo中是包含两个元组的列表，这两个元组分别是train_index 和test_index的列表。

Bootstrap法实现如下，其与k-fold方法类似。

1.3创建和训练决策树及评价

数据集划分完毕后，就需要建立决策树并结合训练集来训练决策树。

建立决策树只需要调用tree.DecisionTreeClassifier()方法即可。它有一些参数可以根据需求进行设置。

Criterion选项，默认是“Gini”，表示决策树非叶节点划分依据是根据Gini指数表示划分的纯度。可选值有“entropy”，用信息增益来衡量

划分的优劣。Sklearn.tree中没有支持用错分类误差法来衡量节点划分的优劣。

min_samples_split选项，是指一个非叶节点继续划分所需要的最小样本数，如果该节点下的待分样本小于该值，则终止该节点划分，节点被标记为占多少的类，形成叶节点。它属于提前抑制决策树增长的方法。

max_depth选项，是指该训练决策树时允许达到的最大深度。默认深度是一直划分到节点纯净或者达到min_samples_split的要求。因此该选项是实验中有必要进行设置的项，以控制决策树过拟合，它属于前剪枝的操作。

min_impurity_split选项，是指划分某节点时所需要的最低不纯度阈值，如果某一节点划分的不纯度低于该值，表明该节点已经可以被接受成为叶节点，无须继续划分。它也是一种提前停止增长的策略。

决策树建立和训练的具体实例如下（用10-fold做例子）：

由于实验采用的是10-fold交叉验证，因此最终准确率应该是每一折准确率的平均值。上述代码也包含了训练决策树和使用测试集验证决策树的代码，即：

该实验的最终准确率约是：test right rate: 0.8165

1.4基于树桩的Adaboost算法

在python中同样也实现了adaboost算法，需要使用AdaBoostClassifier（）方法构造它。它有若干可选项：base_estimator是设置adaboost算法使用的弱分类器，默认是一层决策树，即树桩。

n_estimators是设置迭代次数，每一次迭代时该算法选择数据集中的某一特征作为树桩的分类节点，训练集中被错误分类的记录将被增加权重，正确分类的记录将被降低权重，权重更新后的数据集将用于下一次迭代。初始时各个记录权重均为1/n，n为记录数目。

主要的实现语句如下：

……

最终在测试集上，由adaboost生成的强分类器的准确率为：

2.kmeans算法

2.1读取数据集

Kmeans算法的数据集是酒的品种数据。有13个属性，一个分类属性。共分成3类，数据集前58号为第一类，59-129号为第二类，130-177号为第三类。

2.2初始化kmeans参数

Python中通过调用sklearn.cluster包中的kmeans类来创建方法实例。需要设置的主要参数是n_clusters，即聚簇数量。具体代码如下：

当然可以设置init参数为random，表示随机生成初始质心。默认值的kmeans++，智能选择数据中的若干项作为质心。

还有max_iter可选项，表示kmeans方法迭代次数。

2.3聚类划分

聚簇划分代码如下：

2.4错误率

计算聚簇划分的错误率，代码

结果：

[1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 2 2 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2

1 1

2 2 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 2 0 2 0 0 2 0 0 2 2 2 0 0 1

2 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 2 2 0 2 0 2 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 2 2 2 2 0 0 2 2 2 0 0 2 2 0 2 2 0 0 0 0 2 2 2 0 2 2 2 0 2 0 2 2 0 2 2 2 2 0 0 2 2 2 2 2 0 0]

[58, 129, 177]

0.29608938547486036

由于数据集较小而且比较规整，经过测试发现该次实验在第二次迭代就已经收敛，错误率在29.6%左右。

当然，对于没有标签的数据，在衡量聚类结果时可以使用总SSE 来评价。在不同的k值情况下，选择具有最小总SSE的模型最为合