机器学习实验报告材料.docx
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机器学习实验报告材料
《机器学习》
课实验报告
（1）ID算法实现决策树
2015-2016学年第2学期
专业：
智能科学与技术
班级：
智能1301班
06133029
学号:
争辉
一、实验目的：
理解ID3算法的基本原理，并且编程实现。
二、实验要求：
使用C/C++/MATLAB实现ID3算法。
输入：
若干行，每行5个字符串，表示
OutlookTemperatureHumidityWindPlayball如上表。
输出：
决策树。
实验结果如下:
输入：
Sunny
Hot
High
Weak1
No
Sunny
Hot
High
Strong
No
Overcast
Hot
High
Weak
Yes
Rain
Mild
High
WeakYes
Rain
Cool
Normal
Weak
Yes
Rain
Cool
Normal
Strong
No
Overcast
Cool
Normal
StrongYes
Sunny
Mild
High
Weak
No
Sunny
Cool
Normal
Weak
Yes
Rain
Mild
Normal
Weak
Yes
Sunny
Mild
Normal
Strong
Yes
Overcast
Mild
High
Strong
Yes
Overcast
Hot
Normal
WeakYes
Rain
Mild
High
Strong
No
输出：
Outlook
Rain
Wind
Strong
No
Weak
Yes
OvercastYes
SunnyHumidity
Normal
High
Yes
No
三、具体实现：
实现算法如下：
#include
#inelude
#inelude
#ineludeusingnamespacestd;
#defineROW14
#defineCOL5
#definelog20.69314718055
typedefstructTNode
{
chardata[15];
charweight[15];
TNode*firstchild,*nextsibling;}*tree;
typedefstructLNode
{
charOutLook[15];
charTemperature[15];
charHumidity[15];
charWind[15];
charPlayTennis[5];
LNode*next;
}*link;
typedefstructAttrNode
{
charattributes[15];〃属性
intattr_Num;〃属性的个数
AttrNode*next;
}*Attributes;
char*Examples[ROW][COL]={//"OverCast","Cool","High","Strong","No",//"Rain","Hot","Normal","Strong","Yes",
"Sunny","Hot","High","Weak","No","Sunny","Hot","High","Strong","No","OverCast","Hot","High","Weak","Yes",
"Rain","Mild","High","Weak","Yes",
"Rain","Cool","Normal","Weak","Yes","Rain","Cool","Normal","Strong","No","OverCast","Cool","Normal","Strong","Yes","Sunny","Mild","High","Weak","No","Sunny","Cool","Normal","Weak","Yes","Rain","Mild","Normal","Weak","Yes","Sunny","Mild","Normal","Strong","Yes","OverCast","Mild","Normal","Strong","Yes","OverCast","Hot","Normal","Weak","Yes","Rain","Mild","High","Strong","No"};
char*Attributes_kind[4]={"OutLook","Temperature","Humidity","Wind"};intAttr_kind[4]={3,3,2,2};
char*OutLook_kind[3]={"Sunny","OverCast","Rain"};
char*Temperature_kind[3]={"Hot","Mild","Cool"};
char*Humidity_kind[2]={"High","Normal"};
char*Wind_kind[2]={"Weak","Strong"};
/*inti_Exampple[14][5]={0,0,0,0,1,
0,0,0,1,1,
1,0,0,1,0,
2,1,0,0,0,
2,2,1,0,0,
2,2,1,1,1,
1,2,1,1,0,
0,1,0,0,1,
0,2,1,0,0,
2,1,1,0,0,
0,1,1,1,0,
1,1,1,1,0,
1,1,1,0,0,
2,1,0,0,1
};*/
voidtreelists（treeT）;
voidInitAttr（Attributes&attr_link,char*Attributes_kind[],intAttr_kind[]）;
voidInitLink（link&L,char*Examples[][COL]）;
voidID3（tree&T,linkL,linkTarget_Attr,Attributesattr）;
voidPN_Num（linkL,int&positve,int&negative）;
doubleGain（intpositive,intnegative,char*atrribute,linkL,Attributesattr_L）;
voidmain（）
{
linkLL,p;Attributesattr_L,q;
treeT;
T=newTNode;
T->firstchild=T->nextsibling=NULL;strcpy（T->weight,""）;
strcpy（T->data,""）;
attr_L=newAttrNode;attr_L->next=NULL;
LL=newLNode;
LL->next=NULL;
//成功建立两个链表
InitLink（LL,Examples）;
InitAttr（attr_L,Attributes_kind,Attr_kind）;
ID3（T,LL,NULL,attr_L）;
coutvv"决策树以广义表形式输出如下：
"<//cout<cout<}
//以广义表的形式输出树
voidtreelists（treeT）
{
treep;
if（!
T）
return;
cout<<"{"<weight<<"}";
cout<data;
p=T->firstchild;
if（p）
{
cout<<"（";
while（p）
{
treelists（p）;
p=p->nextsibling;
if（p）cout<<',';
}cout<<"）";
}
}
voidInitAttr（Attributes&attr_link,char*Attributes_kind[],intAttr_kind[]）{
Attributesp;
for（inti=0;i<4;i++）
{
p=newAttrNode;p->next=NULL;
strcpy（p->attributes,Attributes_kind[i]）;p->attr_Num=Attr_kind[i];
p->next=attr_link->next;attr_link->next=p;
}
}
voidInitLink（link&LL,char*Examples[][COL]）
{
linkp;
for（inti=0;i{
p=newLNode;p->next=NULL;
strcpy（p->OutLook,Examples[i][0]）;strcpy（p->Temperature,Examples[i][1]）;strcpy（p->Humidity,Examples[i][2]）;strcpy（p->Wind,Examples[i][3]）;strcpy（p->PlayTennis,Examples[i][4]）;
p->next=LL->next;
LL->next=p;
}
}
voidPN_Num（linkL,int&positve,int&negative）
{
positve=0;negative=0;linkp;
p=L->next;
while（p）
{
if（strcmp（p->PlayTennis,"No"）==0）negative++;
elseif（strcmp（p->PlayTennis,"Yes"）==0）positve++;
p=p->next;
}
}
//计算信息增益
//linkL:
样本集合S
〃attr_L:
属性集合
doubleGain（intpositive,intnegative,char*atrribute,linkL,Attributesattr_L）{
intatrr_kinds;〃每个属性中的值的个数
Attributesp=attr_L->next;linkq=L->next;
intattr_th=0;//第几个属性
while（p）
{
if（strcmp（p->attributes,atrribute）==0）{
atrr_kinds=p->attr_Num;break;
}
p=p->next;
attr_th++;
}
doubleentropy,gain=0;
doublep1=1.0*positive/（positive+negative）;
doublep2=1.0*negative/（positive+negative）;entropy=-p1*log（p1）/log2-p2*log（p2）/log2;//集合熵gain=entropy;
//获取每个属性值在训练样本中出现的个数
//获取每个属性值所对应的正例和反例的个数
//声明一个3*atrr_kinds的数组
int**kinds=newint*[3];
for（intj=0;j<3;j++）
{
kinds[j]=newint[atrr_kinds];//保存每个属性值在训练样本中出现的个数
}
//初始化
for（intj=0;j<3;j++）
{
for（inti=0;i{
kinds[j][i]=0;
}
}
while（q）
{
if（strcmp（"OutLook",atrribute）==0）
{
for（inti=0;i{
if（strcmp（q->OutLook,OutLook_kind[i]）==0）
{
kinds[0][i]++;
if（strcmp（q->PlayTennis,"Yes"）==0）
kinds[1][i]++;
else
kinds[2][i]++;
}
}
}
elseif（strcmp（"Temperature",atrribute）==0）
{
for（inti=0;i{if（strcmp（q->Temperature,Temperature_kind[i]）==0）{
kinds[0][i]++;
if（strcmp（q->PlayTennis,"Yes"）==0）kinds[1][i]++;
elsekinds[2][i]++;
}
}
}
elseif（strcmp（"Humidity",atrribute）==0）
{
for（inti=0;i{if（strcmp（q->Humidity,Humidity_kind[i]）==0）{
kinds[0][i]++;
if（strcmp（q->PlayTennis,"Yes"）==0）kinds[1][i]++;//
elsekinds[2][i]++;
}
}
}
elseif（strcmp（"Wind",atrribute）==0）
{
for（inti=0;i{
if（strcmp（q->Wind,Wind_kind[i]）==0）{
kinds[0][i]++;
if（strcmp（q->PlayTennis,"Yes"）==0）kinds[1][i]++;
elsekinds[2][i]++;
}
}
}
q=q->next;
}
//计算信息增益double*gain_kind=newdouble[atrr_kinds];
intpositive_kind=0,negative_kind=0;
for（intj=0;j{
if（kinds[0][j]!
=0&&kinds[1][j]!
=0&&kinds[2][j]!
=0）{
p1=1.0*kinds[1][j]/kinds[0][j];
p2=1.0*kinds[2][j]/kinds[0][j];
gain_kind[j]=-p1*log（p1）/log2-p2*log（p2）/log2;
gain=gain-（1.0*kinds[0][j]/（positive+negative））*gain_kind[j];}else
gain_kind[j]=0;
}
returngain;
}
//在ID3算法中的训练样本子集合与属性子集合的链表需要进行清空voidFreeLink（link&Link）
{
linkp,q;
p=Link->next;
Link->next=NULL;
while（p）
{
q=p;
p=p->next;free（q）;
}
}
voidID3（tree&T,linkL,linkTarget_Attr,Attributesattr）
{
Attributesp,max,attr_child,p1;
linkq,link_child,q1;
treer,tree_p;
intpositive=0,negative=0;
PN_Num（L,positive,negative）;
//初始化两个子集合
attr_child=newAttrNode;attr_child->next=NULL;
link_child=newLNode;link_child->next=NULL;
if（positive==0）//全是反例
{
strcpy（T->data,"No"）;
return;
}
elseif（negative==0）//全是正例
{
strcpy（T->data,"Yes"）;
return;
}
p=attr->next;//属性链表
doublegain,g=0;
/*****************************************************************
*******/
/*建立属性子集合与训练样本子集合有两个方案：
一：
在原来链表的基础上进行删除；二：
另外申请空间进行存储子集合；采用第二种方法虽然浪费了空间，但也省了很多事情，避免了变量之间的应用混乱
*/
/*****************************************************************
*******/
if（p）
{
while（p）
{
gain=Gain（positive,negative,p->attributes,L,attr）;cout<attributes<<""<g）
{
g=gain;
max=p;〃寻找信息增益最大的属性
}p=p->next;
}
strcpy（T->data,max->attributes）;/增加决策树的节点
cout<<"信息增益最大的属性：
max->attributes="<attributes<//下面开始建立决策树
//创建属性子集合
p=attr->next;
while（p）
{
if（strcmp（p->attributes,max->attributes）!
=0）
{
p1=newAttrNode;strcpy（p1->attributes,p->attributes）;p1->attr_Num=p->attr_Num;p1->next=NULL;
p1->next=attr_child->next;attr_child->next=p1;
}
p=p->next;
}
//需要区分出是哪一种属性//建立每一层的第一个节点
if（strcmp（"OutLook",max->attributes）==0）
{
r=newTNode;
r->firstchild=r->nextsibling=NULL;strcpy（r->weight,OutLook_kind[0]）;T->firstchild=r;
〃获取与属性值相关的训练样例Example（vi）,建立一个新的训练样本
链表link_child
q=L->next;while（q）
{
if（strcmp（q->OutLook,OutLook_kind[0]）==0）
{
q1=newLNode;strcpy（q1->OutLook,q->OutLook）;strcpy（q1->Humidity,q->Humidity）;
strcpy（q1->Temperature,q->Temperature）;
strcpy（q1->Wind,q->Wind）;
strcpy（q1->PlayTennis,q->PlayTennis）;
q1->next=NULL;
q1->next=link_child->next;
link_child->next=q1;
}
q=q->next;
}
}
elseif（strcmp（"Temperature",max->attributes）==0）
{
r=newTNode;
r->firstchild=r->nextsibling=NULL;
strcpy（r->weight,Temperature_kind[0]）;
T->firstchild=r;
//获取与属性值相关的训练样例Example（vi）,建立一个新的训练样本链表link_child
q=L->next;
while（q）
{
if（strcmp（q->Temperature,Temperature_kind[0]）==0）
{
q1=newLNode;
strcpy（q1->OutLook,q->OutLook）;
strcpy（q1->Humidity,q->Humidity）;
strcpy（q1->Temperature,q->Temperature）;
strcpy（q1->Wind,q->Wind）;
strcpy（q1->PlayTennis,q->PlayTennis）;
q1->next=NULL;
q1->next=link_child->next;
link_child->next=q1;
}
q=q->next;
}
}
elseif（strcmp（"Humidity",max->attributes）==0）
{
r=newTNode;
r->firstchild=r->nextsibling=NULL;
strcpy（r->weight,Humidity_kind[0]）;
T->firstchild=r;
//获取与属性值相关的训练样例Example（vi）,建立一个新的训练样本链表link_child
q=L->next;
while（q）
{
if（strcmp（q->Humidity,Humidity_kind[0]）==0）
{
q1=newLNode;
strcpy（q1->OutLook,q->OutLook）;
strcpy（q1->Humidity,q->Humidity）;
strcpy（q1->Temperature,q->Temperature）;
strcpy（q1->Wind,q->Wind）;
strcpy（q1->PlayTennis,q->PlayTennis）;
q1->next=NULL;
q1->next=link_child->next;
link_child->next=q1;
}
q=q-
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