基于随机森林的分类与回归

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基于随机森林的分类与回归

2018 年 5 月 23 日 算法与数学之美

一、随机森林基本概念

随机森林(Random forest) 是一种组成式的有监督学习方法。在随机森林中，我们同时生成多个预测模型，并将模型的结果汇总以提升预测模型的准确率。

随机森林算法(预测和回归)主要包括一下三个方面：
1.从原始数据随机有放回的抽取N个样本单元，生成决策或者回归树。

2.在每一个节点随机抽取m<M个变量，将其作为分割节点的候选变量。每一个节点处变量数应该一致。

3.最终对每一颗决策或者回归树的结果进行整合，生成预测值。

二、随机森林的优势

1.在没有验证数据集的时候，可以计算袋外预测误差（生成树时没有用到的样本点所对应的类别可由生成的树估计，与其真实类别比较即可得到袋外预测）。

2.随机森林可以计算变量的重要性。

3.计算不同数据点之间的距离，从而进行非监督分类。

三、随机森林R语言实例

如果数据集的响应变量为类别型，则随机森林根据预测变量预测一个分类结果；如果数据集的响应变量为连续型，则随机森林根据预测变量进行回归。

1.利用随机森林预测一个分类结果

加载程序包

library(randomForest)
library(MASS)

加载数据

data(fgl)
str(fgl)

为保证结果大家运算结果一致设定随机种子

set.seed(17)

构建随机森林模型 mtry参数表征默认在每个节点抽取的变量数

fgl.rf<- randomForest(type ~ .,data=fgl, mtry=2, importance=TRUE,
do.trace=100)
fgl.rf

混淆矩阵结果可以看出随机森林对各类别的分类效果。

采用十折交叉验证对比随机森林与支持向量机的误差。十折交叉验证：用来测试精度。是常用的精度测试方法。将数据集分成十分，轮流将其中9份做训练1份做测试，10次的结果的均值作为对算法精度的估计，一般还需要进行多次10倍交叉验证求均值，例如10次10倍交叉验证，更精确一点。

library(ipred)
set.seed(131)
error.RF<- numeric(10)
for(iin 1:10) error.RF[i] <-
errorest(type ~ ., data = fgl,
model = randomForest, mtry = 2)$error
summary(error.RF)

library(e1071)
set.seed(563)
error.SVM<- numeric(10)
for(i in 1:10) error.SVM[i] <-
errorest(type ~ ., data = fgl,
model = svm, cost = 10, gamma = 1.5)$error
summary(error.SVM)

从结果中可以看出随机森林的误差要小于支持向量机模型

查看变量重要性

imp<- as.data.frame(fgl.rf$importance)
head(imp)
attach(imp)
par(mfrow= c(2, 2))
for(i in 1:4){
data <-imp[order(imp[,i],decreasing=T),]
plot(data[,i],type = “h”, main =paste(“Measure”, i), ylab=””, xaxt=”n”)
text(data[,i],rownames(data),cex=0.6,pos=4,col=”red”)
}

由上图可以看出不同变量在预测不同类别时的重要性

2.基于随机森林回归分析

首先，我们先注意一下随机森林回归和随机森林分类的差别：（1）默认m_try是p/3而不是p^1/2，其中p表示预测变量数（2）默认节点大小为5而不是1（3）只有一个测量变量的重要性。

data(Boston)
set.seed(1341)
BH.rf<- randomForest(medv ~ ., Boston)
BH.rf

由上图可以看出随机森林回归模型结果的方差解释量

对比随机森林预测结果、多元回归预测结果和实际值的差异

forest.pred<- predict(BH.rf, Boston)
fit<- lm(medv ~ ., Boston)
lm.pred<-predict(fit,Boston)
data<- data.frame(Boston$medv, forest.pred1, lm.pred1)
head(data)
library(car)
png(filename= “lm.png”, width = 900, height = 500)
scatterplotMatrix(data)
dev.off()