决策树（Decision Tree，DT）

2020-07-13 17:15:49 浏览数 (1)

决策树（decision tree）是一种基本的分类与回归方法。

  • 分类问题中，基于特征对实例进行分类的过程。
  • 优点：模型具有可读性，分类速度快。
  • 学习：利用训练数据，根据损失函数最小化的原则建立决策树模型。
  • 预测：对新的数据，利用决策树模型进行分类。

决策树学习通常包括3个步骤：特征选择、决策树生成、决策树修剪。

Quinlan在1986年提出的ID3算法、1993年提出的C4.5算法 Breiman等人在1984年提出的CART算法

1. 决策树模型与学习

决策树由结点（node）和有向边（directed edge）组成。

  • 内部结点（internal node）和叶结点（leaf node）。
  • 内部结点表示一个特征或属性，叶结点表示一个类。
  • 用决策树分类，从根结点开始，对实例的某一特征进行测试，根据测试结果，将实例分配到其子结点；这时，每一个子结点对应着该特征的一个取值。
  • 递归地对实例进行测试并分配，直至达到叶结点。最后将实例分到叶结点的类中。

决策树学习本质：从训练数据集中归纳出一组分类规则。

  • 需要一个与训练数据矛盾较小的决策树，同时具有很好的泛化能力。
  • 决策树学习的损失函数：通常是正则化的极大似然函数。
  • 决策树学习的策略：损失函数为目标函数的最小化。

2. 特征选择

决策树训练时高度太高，对训练数据准确率高，但泛化能力差，需要剪枝。

常用的准则：

（1）样本集合

D

对特征

A

的 信息增益（ID3）

g(D, A)=H(D)-H(D|A)
H(D)=-sum_{k=1}^{K} frac{left|C_{k}right|}{|D|} log _{2} frac{left|C_{k}right|}{|D|}
H(D | A)=sum_{i=1}^{n} frac{left|D_{i}right|}{|D|} Hleft(D_{i}right)

其中，

H(D)

是数据集

D

的熵，

H(D_i)

是数据集

D_i

的熵，

H(D|A)

是数据集

D

对特征

A

的条件熵。

D_i

是

D

中特征

A

取第

i

个值的样本子集，

C_k

是

D

中属于第

k

类的样本子集。

n

是特征

A

取值的个数，

K

是类的个数。

  • 熵越大，随机变量的不确定性就越大
  • 信息增益（information gain）表示得知特征X的信息而使得类Y的信息的不确定性减少的程度。
  • 选择信息增益 大的

（2）样本集合

D

对特征

A

的 信息增益比（C4.5）

g_{R}(D, A)=frac{g(D, A)}{H_A(D)}

其中，

g(D,A)

是信息增益，

H_A(D)

是数据集

D

关于特征

A

的熵。

（3）样本集合

D

的 基尼指数（CART）

operatorname{Gini}(D)=1-sum_{k=1}^{K}left(frac{left|C_{k}right|}{|D|}right)^{2}

特征

A

条件下集合

D

的基尼指数：

operatorname{Gini}(D, A)=frac{left|D_{1}right|}{|D|} operatorname{Gini}left(D_{1}right) frac{left|D_{2}right|}{|D|} operatorname{Gini}left(D_{2}right)
  • 基尼指数表示集合D的不确定性，基尼指数
Gini(D,A)

表示经

A=a

分割后集合

D

的不确定性。

  • 基尼指数值越大，样本集合的不确定性也就越大，这一点与熵相似。
  • 选择 基尼指数 小的

2.1 特征选择Python代码

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def get_data():
    datasets = [['青年', '否', '否', '一般', '否'],
                ['青年', '否', '否', '好', '否'],
                ['青年', '是', '否', '好', '是'],
                ['青年', '是', '是', '一般', '是'],
                ['青年', '否', '否', '一般', '否'],
                ['中年', '否', '否', '一般', '否'],
                ['中年', '否', '否', '好', '否'],
                ['中年', '是', '是', '好', '是'],
                ['中年', '否', '是', '非常好', '是'],
                ['中年', '否', '是', '非常好', '是'],
                ['老年', '否', '是', '非常好', '是'],
                ['老年', '否', '是', '好', '是'],
                ['老年', '是', '否', '好', '是'],
                ['老年', '是', '否', '非常好', '是'],
                ['老年', '否', '否', '一般', '否'],
                ]
    labels = [u'年龄', u'有工作', u'有自己的房子', u'信贷情况', u'分类']
    # 字符串前加 u, 后面字符串以 Unicode 格式 进行编码，一般用在中文字符串前面，防止乱码
    return datasets, labels;
# ---------书上贷款例子-----------------
datasets, labels = get_data()

def cal_entropy(datasets):  # 经验熵H(D)
    data_len = len(datasets)
    label_count = {}
    for i in range(data_len):
        label = datasets[i][-1]
        if label not in label_count:
            label_count[label] = 0
        label_count[label]  = 1
    entropy = -sum([(p / data_len) * log(p / data_len, 2) for p in label_count.values()])
    return entropy


def cond_entropy(datasets, axis=0):  # 经验条件熵H(D|A)
    data_len = len(datasets)
    feature_set = {}
    for i in range(data_len):
        feature = datasets[i][axis]
        if feature not in feature_set:
            feature_set[feature] = []
        feature_set[feature].append(datasets[i])
    cond_ent = sum([(len(p) / data_len) * cal_entropy(p) for p in feature_set.values()])
    return cond_ent


def info_gain(entropy, cond_ent):  # 信息增益
    return entropy - cond_ent


def info_gain_train(datasets):	# 基于特征信息增益的特征选择
    count = len(datasets[0]) - 1
    entropy = cal_entropy(datasets)
    best_feature = []
    for i in range(count):
        info_gain_i = info_gain(entropy, cond_entropy(datasets, axis=i))
        best_feature.append((i, info_gain_i))
        print("特征（{}）- info_gain - {:.3f}".format(labels[i], info_gain_i))
    best_feature_i = max(best_feature, key=lambda x: x[-1])
    print("特征（{}）的信息增益最大，选为根节点的特征".format(labels[best_feature_i[0]]))

info_gain_train(np.array(datasets))
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特征（年龄）- info_gain - 0.083
特征（有工作）- info_gain - 0.324
特征（有自己的房子）- info_gain - 0.420
特征（信贷情况）- info_gain - 0.363
特征（有自己的房子）的信息增益最大，选为根节点的特征

3. 决策树的生成

通常使用信息增益最大、信息增益比最大或基尼指数最小作为特征选择的准则。

决策树的生成往往通过计算信息增益或其他指标，从根结点开始，递归地产生决策树。 这相当于用信息增益或其他准则不断地选取局部最优的特征，或将训练集分割为能够基本正确分类的子集。

  • ID3算法只有树的生成，所以该算法生成的树容易产生过拟合
  • C4.5算法与ID3算法相似，进行了改进。C4.5在生成的过程中，用信息增益比来选择特征。

3.1 Python代码

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class Node():
    def __init__(self, root=True, label=None, feature_name=None, feature=None):
        self.root = root
        self.label = label
        self.feature_name = feature_name
        self.feature = feature
        self.tree = {}
        self.result = {
            'label:': self.label,
            'feature:': self.feature,
            'tree:': self.tree
        }

    def __repr__(self):  # 类似str方法，更侧重程序员调试
        print('{}'.format(self.result))

    def add_node(self, val, node):
        self.tree[val] = node

    def predict(self, features):
        if self.root is True:
            return self.label
        return self.tree[features[self.feature]].predict(features)


class DTree():
    def __init__(self, epsilon=0.1):  # 信息增益阈值， < epsilon 时，结束决策树展开
        self.epsilon = epsilon
        self._tree = {}

    @staticmethod
    def cal_entropy(datasets):  # 经验熵H(D)
        data_len = len(datasets)
        label_count = {}
        for i in range(data_len):
            label = datasets[i][-1]
            if label not in label_count:
                label_count[label] = 0
            label_count[label]  = 1
        entropy = -sum([(p / data_len) * log(p / data_len, 2) for p in label_count.values()])
        return entropy

    def cond_entropy(self, datasets, axis=0):  # 经验条件熵H(D|A)
        data_len = len(datasets)
        feature_set = {}
        for i in range(data_len):
            feature = datasets[i][axis]
            if feature not in feature_set:
                feature_set[feature] = []
            feature_set[feature].append(datasets[i])
        cond_ent = sum([(len(p) / data_len) * self.cal_entropy(p) for p in feature_set.values()])
        return cond_ent

    @staticmethod
    def info_gain(entropy, cond_ent):  # 信息增益
        return entropy - cond_ent

    def info_gain_train(self, datasets):  # 基于特征信息增益的特征选择
        count = len(datasets[0]) - 1
        entropy = self.cal_entropy(datasets)
        best_feature = []
        for i in range(count):
            info_gain_i = info_gain(entropy, cond_entropy(datasets, axis=i))
            best_feature.append((i, info_gain_i))
            print("特征（{}）- info_gain - {:.3f}".format(labels[i], info_gain_i))
        best_feature_i = max(best_feature, key=lambda x: x[-1])
        return best_feature_i

    def train(self, train_data):
        '''
        :input: 数据集D(DataFrame格式)，特征集A，阈值eta
        :return: 决策树DT
        '''
        _, y_train, features = train_data.iloc[:, :-1], train_data.iloc[:, -1], train_data.columns[:-1]

        # 1. 若所有D实例都属于同一分类，不用分了，直接返回那个类
        if len(y_train.value_counts()) == 1:
            return Node(root=True, label=y_train.iloc[0])
        # 2. 若没有特征A，返回D中数量最多的分类
        if len(features) == 0:
            return Node(root=True, label=y_train.value_counts().sort_values(
                ascending=False).index[0])
        # 3. 计算最大信息增益，取为特征
        max_feature, max_info_gain = self.info_gain_train(np.array(train_data))
        max_feature_name = features[max_feature]

        # 4. 如果信息增益小于阈值epsilon，置为单节点，将实例数最大的类作为节点标记
        if max_info_gain < self.epsilon:
            return Node(root=True, label=y_train.value_counts().sort_values(
                ascending=False).index[0])
        # 5. 构建Ag子集
        node_tree = Node(root=False, feature_name=max_feature_name, feature=max_feature)

        feature_list = train_data[max_feature_name].value_counts().index
        for f in feature_list:
            sub_train_df = train_data.loc[train_data[max_feature_name] == f].drop([max_feature_name], axis=1)

            # 6. 递归生成树
            sub_tree = self.train(sub_train_df)
            node_tree.add_node(f, sub_tree)
        return node_tree

    def fit(self, train_data):
        self._tree = self.train(train_data)
        return self._tree

    def predict(self, X_test):
        return self._tree.predict(X_test)


train_data = pd.DataFrame(datasets, columns=labels)
dt = DTree()
tree = dt.fit(train_data)
print(dt.predict(['老年', '否', '否', '一般']))
print(dt.predict(['青年', '否', '是', '一般']))
print(dt.predict(['中年', '是', '否', '好']))
print(dt.predict(['老年', '否', '是', '一般']))

4. 决策树的剪枝

学习时，过多考虑准确性，树复杂，过拟合，泛化能力差，需要剪枝。

方法：极小化决策树整体损失函数

5. CART 算法

分类与回归树（classification and regression tree，CART）模型

  • 二叉树
  • 左分支，是；右分支，否
  • （1）决策树生成：基于训练数据集生成决策树，生成的决策树要尽量大； （2）决策树剪枝：用验证数据集对已生成的树进行剪枝并选择最优子树，这时用损失函数最小作为剪枝的标准。

6. sklearn 例子

sklearn.tree.DecisionTreeClassifier

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class sklearn.tree.DecisionTreeClassifier(criterion='gini', splitter='best',
 max_depth=None, min_samples_split=2, min_samples_leaf=1, 
 min_weight_fraction_leaf=0.0, max_features=None, random_state=None, 
 max_leaf_nodes=None, min_impurity_decrease=0.0, min_impurity_split=None,
  class_weight=None, presort='deprecated', ccp_alpha=0.0)
  • 特征选择标准：
代码语言：javascript复制
criterion{“gini”, “entropy”}, default=”gini”
  • 择优划分、树的最大深度、最小划分几类、叶子节点个数等参数

6.1 书上贷款例子

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# ---------书上贷款例子-----------------
datasets, labels = get_data()
train_data = np.array(pd.DataFrame(datasets, columns=labels))
X_train, y_train = train_data[:, :-1], train_data[:, -1:]
encoder = preprocessing.OrdinalEncoder()    # 将字符转成浮点
encoder.fit(X_train)    # 先拟合
X_train = encoder.transform(X_train)    # 转换成数字
A = encoder.transform([['青年', '否', '是', '一般']])
B = encoder.transform([['中年', '是', '否', '好']])
C = encoder.transform([['老年', '否', '是', '一般']])

encoder = preprocessing.OrdinalEncoder()
encoder.fit(y_train)
y_train = encoder.transform(y_train)
# sklearn 决策树
clf = DecisionTreeClassifier()
clf.fit(X_train, y_train)
print(encoder.inverse_transform([clf.predict(A)]))
print(clf.predict_proba(B))
print(clf.predict_proba(C))
代码语言：javascript复制
[['是']]
[[0. 1.]]
[[0. 1.]]

6.2 鸢尾花 及 决策树可视化

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# ------------鸢尾花---------------
iris = load_iris()
df = pd.DataFrame(iris.data, columns=iris.feature_names)
df['label'] = iris.target
df.columns = ['sepal length', 'sepal width', 'petal length', 'petal width', 'label']
data = np.array(df.iloc[:100, [0, 1, -1]])
X = data[:, :2]
y = data[:, -1]
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3)
clf = DecisionTreeClassifier()
print(clf)
clf.fit(X_train, y_train)
print(clf.score(X_test, y_test))

# --------------决策树可视化-------------
# 需要安装graphviz,添加path，可视化决策树
with open('mytree.dot', 'w', encoding='utf-8') as f:
    dot_data = export_graphviz(clf, out_file=None, feature_names=df.columns[:2],
                               filled=True, rounded=True, special_characters=True, 
                               class_names=iris.target_names[0:2])
dot = graphviz.Source(dot_data)
dot.view()
# 写入png , pdf
graph = pydotplus.graph_from_dot_data(dot_data)
graph.write_png('tree.png')
# cmd: dot -Tpdf tree.dot -o output.pdf，dot -Tpng tree.dot -o output.png

决策树可视化

附. 本文完整代码

代码语言：javascript复制
# -*- coding:utf-8 -*-
# @Python Version: 3.7
# @Time: 2020/3/13 19:36
# @Author: Michael Ming
# @Website: https://michael.blog.csdn.net/
# @File: 5.decisionTree.py
# @Reference: https://github.com/fengdu78/lihang-code

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn import preprocessing
from sklearn.model_selection import train_test_split
from collections import Counter
import math
from math import log
import pprint
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.tree import export_graphviz
import graphviz
import pydotplus


def get_data():
    datasets = [['青年', '否', '否', '一般', '否'],
                ['青年', '否', '否', '好', '否'],
                ['青年', '是', '否', '好', '是'],
                ['青年', '是', '是', '一般', '是'],
                ['青年', '否', '否', '一般', '否'],
                ['中年', '否', '否', '一般', '否'],
                ['中年', '否', '否', '好', '否'],
                ['中年', '是', '是', '好', '是'],
                ['中年', '否', '是', '非常好', '是'],
                ['中年', '否', '是', '非常好', '是'],
                ['老年', '否', '是', '非常好', '是'],
                ['老年', '否', '是', '好', '是'],
                ['老年', '是', '否', '好', '是'],
                ['老年', '是', '否', '非常好', '是'],
                ['老年', '否', '否', '一般', '否'],
                ]
    labels = [u'年龄', u'有工作', u'有自己的房子', u'信贷情况', u'分类']
    # 字符串前加 u, 后面字符串以 Unicode 格式 进行编码，一般用在中文字符串前面，防止乱码
    return datasets, labels;


# ---------书上贷款例子-----------------
datasets, labels = get_data()
train_data = np.array(pd.DataFrame(datasets, columns=labels))
X_train, y_train = train_data[:, :-1], train_data[:, -1:]
encoder = preprocessing.OrdinalEncoder()  # 将字符转成浮点
encoder.fit(X_train)  # 先拟合
X_train = encoder.transform(X_train)  # 转换成数字
A = encoder.transform([['青年', '否', '是', '一般']])
B = encoder.transform([['中年', '是', '否', '好']])
C = encoder.transform([['老年', '否', '是', '一般']])

encoder = preprocessing.OrdinalEncoder()
encoder.fit(y_train)
y_train = encoder.transform(y_train)
# sklearn 决策树
clf = DecisionTreeClassifier()
clf.fit(X_train, y_train)
print(encoder.inverse_transform([clf.predict(A)]))
print(clf.predict_proba(B))
print(clf.predict_proba(C))

# --------------决策树可视化-------------
# 需要安装graphviz,添加path，可视化决策树
with open('mytree.dot', 'w', encoding='utf-8') as f:
    dot_data = export_graphviz(clf, out_file=None, feature_names=clf.feature_importances_,
                               filled=True, rounded=True, special_characters=True)
dot = graphviz.Source(dot_data)
# dot.view()
# 写入png , pdf
graph = pydotplus.graph_from_dot_data(dot_data)
graph.write_png('tree.png')


# cmd: dot -Tpdf tree.dot -o output.pdf，dot -Tpng tree.dot -o output.png

# -----------自编程，抄一遍---------------
# ----特征选择，基于信息增益----
def cal_entropy(datasets):  # 经验熵H(D)
    data_len = len(datasets)
    label_count = {}
    for i in range(data_len):
        label = datasets[i][-1]
        if label not in label_count:
            label_count[label] = 0
        label_count[label]  = 1
    entropy = -sum([(p / data_len) * log(p / data_len, 2) for p in label_count.values()])
    return entropy


def cond_entropy(datasets, axis=0):  # 经验条件熵H(D|A)
    data_len = len(datasets)
    feature_set = {}
    for i in range(data_len):
        feature = datasets[i][axis]
        if feature not in feature_set:
            feature_set[feature] = []
        feature_set[feature].append(datasets[i])
    cond_ent = sum([(len(p) / data_len) * cal_entropy(p) for p in feature_set.values()])
    return cond_ent


def info_gain(entropy, cond_ent):  # 信息增益
    return entropy - cond_ent


def info_gain_train(datasets):  # 基于特征信息增益的特征选择
    count = len(datasets[0]) - 1
    entropy = cal_entropy(datasets)
    best_feature = []
    for i in range(count):
        info_gain_i = info_gain(entropy, cond_entropy(datasets, axis=i))
        best_feature.append((i, info_gain_i))
        print("特征（{}）- info_gain - {:.3f}".format(labels[i], info_gain_i))
    best_feature_i = max(best_feature, key=lambda x: x[-1])
    print("特征（{}）的信息增益最大，选为根节点的特征".format(labels[best_feature_i[0]]))


info_gain_train(np.array(datasets))


# -------ID3算法生成决策树---------

class Node():
    def __init__(self, root=True, label=None, feature_name=None, feature=None):
        self.root = root
        self.label = label
        self.feature_name = feature_name
        self.feature = feature
        self.tree = {}
        self.result = {
            'label:': self.label,
            'feature:': self.feature,
            'tree:': self.tree
        }

    def __repr__(self):  # 类似str方法，更侧重程序员调试
        print('{}'.format(self.result))

    def add_node(self, val, node):
        self.tree[val] = node

    def predict(self, features):
        if self.root is True:
            return self.label
        return self.tree[features[self.feature]].predict(features)


class DTree():
    def __init__(self, epsilon=0.1):  # 信息增益阈值， < epsilon 时，结束决策树展开
        self.epsilon = epsilon
        self._tree = {}

    @staticmethod
    def cal_entropy(datasets):  # 经验熵H(D)
        data_len = len(datasets)
        label_count = {}
        for i in range(data_len):
            label = datasets[i][-1]
            if label not in label_count:
                label_count[label] = 0
            label_count[label]  = 1
        entropy = -sum([(p / data_len) * log(p / data_len, 2) for p in label_count.values()])
        return entropy

    def cond_entropy(self, datasets, axis=0):  # 经验条件熵H(D|A)
        data_len = len(datasets)
        feature_set = {}
        for i in range(data_len):
            feature = datasets[i][axis]
            if feature not in feature_set:
                feature_set[feature] = []
            feature_set[feature].append(datasets[i])
        cond_ent = sum([(len(p) / data_len) * self.cal_entropy(p) for p in feature_set.values()])
        return cond_ent

    @staticmethod
    def info_gain(entropy, cond_ent):  # 信息增益
        return entropy - cond_ent

    def info_gain_train(self, datasets):  # 基于特征信息增益的特征选择
        count = len(datasets[0]) - 1
        entropy = self.cal_entropy(datasets)
        best_feature = []
        for i in range(count):
            info_gain_i = info_gain(entropy, cond_entropy(datasets, axis=i))
            best_feature.append((i, info_gain_i))
            print("特征（{}）- info_gain - {:.3f}".format(labels[i], info_gain_i))
        best_feature_i = max(best_feature, key=lambda x: x[-1])
        return best_feature_i

    def train(self, train_data):
        '''
        :input: 数据集D(DataFrame格式)，特征集A，阈值eta
        :return: 决策树DT
        '''
        _, y_train, features = train_data.iloc[:, :-1], train_data.iloc[:, -1], train_data.columns[:-1]

        # 1. 若所有D实例都属于同一分类，不用分了，直接返回那个类
        if len(y_train.value_counts()) == 1:
            return Node(root=True, label=y_train.iloc[0])
        # 2. 若没有特征A，返回D中数量最多的分类
        if len(features) == 0:
            return Node(root=True, label=y_train.value_counts().sort_values(
                ascending=False).index[0])
        # 3. 计算最大信息增益，取为特征
        max_feature, max_info_gain = self.info_gain_train(np.array(train_data))
        max_feature_name = features[max_feature]

        # 4. 如果信息增益小于阈值epsilon，置为单节点，将实例数最大的类作为节点标记
        if max_info_gain < self.epsilon:
            return Node(root=True, label=y_train.value_counts().sort_values(
                ascending=False).index[0])
        # 5. 构建Ag子集
        node_tree = Node(root=False, feature_name=max_feature_name, feature=max_feature)

        feature_list = train_data[max_feature_name].value_counts().index
        for f in feature_list:
            sub_train_df = train_data.loc[train_data[max_feature_name] == f].drop([max_feature_name], axis=1)

            # 6. 递归生成树
            sub_tree = self.train(sub_train_df)
            node_tree.add_node(f, sub_tree)
        return node_tree

    def fit(self, train_data):
        self._tree = self.train(train_data)
        return self._tree

    def predict(self, X_test):
        return self._tree.predict(X_test)


train_data = pd.DataFrame(datasets, columns=labels)
dt = DTree()
tree = dt.fit(train_data)
print(dt.predict(['老年', '否', '否', '一般']))
print(dt.predict(['青年', '否', '是', '一般']))
print(dt.predict(['中年', '是', '否', '好']))
print(dt.predict(['老年', '否', '是', '一般']))

# ------------鸢尾花---------------
iris = load_iris()
df = pd.DataFrame(iris.data, columns=iris.feature_names)
df['label'] = iris.target
df.columns = ['sepal length', 'sepal width', 'petal length', 'petal width', 'label']
data = np.array(df.iloc[:100, [0, 1, -1]])
X = data[:, :2]
y = data[:, -1]
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3)
clf = DecisionTreeClassifier()
print(clf)
clf.fit(X_train, y_train)
print(clf.score(X_test, y_test))
# --------------决策树可视化-------------
# 需要安装graphviz,添加path，可视化决策树
with open('mytree.dot', 'w', encoding='utf-8') as f:
    dot_data = export_graphviz(clf, out_file=None, feature_names=df.columns[:2],
                               filled=True, rounded=True, special_characters=True, 
                               class_names=iris.target_names[0:2])
dot = graphviz.Source(dot_data)
dot.view()
# 写入png , pdf
graph = pydotplus.graph_from_dot_data(dot_data)
graph.write_png('tree.png')
# cmd: dot -Tpdf tree.dot -o output.pdf，dot -Tpng tree.dot -o output.png
决策树 机器学习 神经网络 深度学习 人工智能

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