Técnicas de Inteligencia Artificial - Árboles de Decisión - PDF

Tema 3 Técnicas de Inteligencia Artificial Árboles de decisión  Índice Esquema 3...

Tema 3 Técnicas de Inteligencia Artificial Árboles de decisión  Índice Esquema 3 Ideas clave 4 3.1. ¿Cómo estudiar este tema? 4 3.2. Introducción. Representación del conocimiento mediante árboles de decisión 4 3.3. Descripción de la tarea de inducción 7 3.4. Algoritmo básico de aprendizaje de árboles de decisión: ID3 14 3.5. Espacio de búsqueda y bias inductivo 17 3.6. Métodos de selección de atributos 19 3.7. Sobreajuste y poda de árboles 22 3.8. Medidas de la precisión de la clasificación. Curva ROC 26 3.9. Simplificación de árboles de decisión mediante © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) poda: algoritmo C4.5 32 3.10. Ensemble Learning y Random Forest 34 3.11. Aplicaciones y ejemplos de implementación 39 3.12. Referencias 55 A fondo 58 Test 62  Esquema © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 3 Tema 3. Esquema  Ideas clave 3.1. ¿Cómo estudiar este tema? Para estudiar este tema deberás leer las Ideas clave que se presentan a continuación. Puedes completar el estudio visualizando la lección magistral. Revisando referencias y bibliografía, así como accediendo a los recursos adicionales que se facilitan. Al finalizar el estudio de este tema el alumno será capaz de:  Implementar árboles de decisiones para representación de conocimiento.  Aplicar los algoritmos ID3, C4.5 y Random Forest para resolver problemas de aprendizaje.  Describir el problema de sobreajuste.  Resolver un problema de sobreajuste aplicando poda.  Identificar aplicaciones prácticas de la técnica de árboles de decisión.  Aplicar algoritmos de árboles de decisión utilizando librerías bajo Python.  Utilizar las funciones básicas de Weka. 3.2. Introducción. Representación del conocimiento mediante árboles de decisión El aprendizaje de árboles de decisión es una de las técnicas más utilizadas para el © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) aprendizaje inductivo, en concreto como técnica de aprendizaje supervisado, el cual es bastante robusto frente a datos ruidosos. Las entradas y salidas de la función objetivo suelen ser valores discretos, aunque en el caso de las entradas también podrían ser valores continuos. La representación de esta función objetivo toma forma Técnicas de Inteligencia Artificial 4 Tema 3. Ideas clave  de árbol y es interpretada como una serie de condiciones consecutivas que puede ser fácilmente mapeada a reglas. Mediante un árbol de decisión será posible clasificar instancias cuya clase sea desconocida. Para llevar a cabo esta tarea de clasificación no habrá mas que comparar los atributos de dicha instancia con las ramas del árbol de decisión, de forma que se recorra de raíz a la hoja correspondiente el camino que no vaya marcando el valor de los atributos. Ambiente soleado nublado lluvioso Humedad Sí Viento alta normal Verdadero Falso No Sí No Sí Figura 1. Ejemplo de árbol de decisión para el aprendizaje del concepto «Jugar al aire libre». La Figura 1 muestra un ejemplo clásico de árbol de decisión. Este problema lo utiliza J.R. Quinlan para ilustrar el algoritmo ID3 (Quinlan, 1986), que se explica en un apartado posterior, siendo un ejemplo que se puede encontrar adaptado en distintos libros que explican la técnica de árboles de decisión. Con este árbol se pretende clasificar instancias con atributos relativos a diversos factores del tiempo ambiental con el fin de decidir si se juega al aire libre o no. Por © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) ejemplo, si un sábado amanece lluvioso y con viento (condiciones representadas en las ramas de la derecha) el árbol indica que no es un día adecuado para jugar al aire libre. Técnicas de Inteligencia Artificial 5 Tema 3. Ideas clave  ¿Cuándo se considera adecuado el aprendizaje mediante árboles de decisión? En general se siguen los siguientes criterios para responder a esta cuestión (Mitchell, 1997):  Las instancias se representan por un conjunto de atributos y sus valores (en el ejemplo anterior, el atributo humedad puede tener el valor alta o normal). Estos valores pueden ser nominales, pero también se pueden resolver problemas con atributos de valores numéricos, mediante la aplicación de los algoritmos adecuados.  La función objetivo tiene valores de salida discretos. En el ejemplo se asigna el valor sí o no.  Se requieren descripciones disyuntivas. Los árboles de decisión son adecuados para la representación de este tipo de disyunciones. Cada rama desde la raíz a la hoja representa una conjunción lógica (operador AND), mientras que el árbol completo es una disyunción de conjunciones (operador OR). Por ejemplo, la clase sí del ejemplo de la Figura 1 queda representada por tres ramas del árbol que se pueden mapear a la siguiente regla, que es una disyunción de conjunciones que restringen los valores de los atributos de una instancia que pertenece a la clase sí: SI ambiente es soleado AND humedad es normal OR ambiente es lluvioso AND viento es falso OR ambiente es nublado ENTONCES jugar = sí © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR)  Los datos de entrenamiento contienen errores o valores de atributos desconocidos. Los árboles de decisión son robustos frente a errores tanto en la asignación de la clase de una instancia o clasificación de un ejemplo, como frente a si existen valores de los atributos de un ejemplo desconocidos o con errores. Técnicas de Inteligencia Artificial 6 Tema 3. Ideas clave  Los árboles de decisión presentan entre otras las siguientes ventajas:  Son fáciles de comprender y traducir a reglas.  Pueden trabajar con conjuntos de datos tanto numéricos como nominales.  Pueden trabajar con datos multidimensionales.  No requieren conocimiento en un dominio dado ni establecer parámetros. Sin embargo, existen algunas restricciones:  Los atributos de salida deben ser categorías.  No se permiten múltiples atributos de salida. No obstante, se puede emplear un árbol de decisión para cada atributo de salida.  Los árboles construidos a partir de datos numéricos pueden resultar muy complejos Los árboles de decisión han sido aplicados con éxito a problemas del mundo real, resultando muy adecuados para resolver problemas de clasificación, esto es, cuando la tarea consiste en clasificar ejemplos dentro de un conjunto discreto de posibles categorías. Por tanto se pueden utilizar, por ejemplo, para el diagnóstico de enfermedades, el diagnóstico de fallos de sistemas, la clasificación de clientes con el fin de aplicar estrategias de marketing o de detectar si hay riesgo en conceder un préstamo. 3.3. Descripción de la tarea de inducción © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) La definición de inducción nos indica que dicha tarea consiste en extraer el conocimiento general implícito a partir de observaciones y experiencias particulares. En el aprendizaje de árboles de decisión, el espacio de hipótesis es el conjunto de todos los árboles de decisión posibles. La tarea de inducción del árbol de decisión Técnicas de Inteligencia Artificial 7 Tema 3. Ideas clave  consiste en encontrar el árbol que mejor encaje con los datos de ejemplo, ya clasificados, disponibles. Para cada clase, se ha de encontrar una rama en el árbol que satisfaga la conjunción de valores de atributos representada por la rama. Cuando se está generando un árbol de decisión un elemento crucial es el método de selección de atributos, que determina qué criterio se utiliza para generar las diferentes ramas del árbol, que van determinando la clasificación en las diferentes clases. El criterio dependerá del tipo de dato que sea el atributo. Por ejemplo, si el tipo de dato del atributo es discreto, se crea una rama para cada valor conocido del atributo. Sin embargo, si el tipo de dato es numérico, hay que establecer algún punto de separación en las ramas como, por ejemplo, si el valor del atributo es mayor o menor a un determinado valor (ver ejemplos en la Figura 2). Velocidad Velocidad alta baja ≤ 100 > 100 media Para describir el aprendizaje de árboles de decisión se continúa con el popular problema sobre el tiempo. El conjunto de datos de entrenamiento se muestra en la Tabla 1. El ejemplo tiene 14 instancias de entrada con cuatro atributos de entrada y un atributo de salida (el concepto a aprender). En el artículo de Quinlan simplemente se indican dos valores P y N, siglas de positivo y negativo, para el atributo de salida (Quinlan, 1986). © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) En el ejemplo que se presenta se utiliza una versión adaptada presente en varias referencias, en los que el problema consiste en clasificar las mañanas de los sábados, en función de tres factores ambientales, según sean adecuadas o no para jugar al aire libre (por ejemplo, un partido de tenis). Se mantienen los atributos de entrada presentes en el artículo de Quinlan con los siguientes valores (Quinlan, 1986). Técnicas de Inteligencia Artificial 8 Tema 3. Ideas clave   Ambiente: soleado, nublado, lluvioso.  Temperatura: alta, media, baja.  Humedad: alta, normal.  Viento: verdadero, falso. El atributo de salida, la clase, puede tomar también dos valores que se utilizan para clasificar las mañanas de los sábados de acuerdo a si se juega o no al aire libre:  Clase: sí, no. © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 9 Tema 3. Ideas clave  Un algoritmo básico para construir un árbol de decisión es sencillo. En la Figura 3 se muestra este algoritmo para el caso en que los atributos de los datos de entrenamiento son nominales. Los parámetros para generar el árbol de decisión son los siguientes:  Los datos de entrenamiento E, las instancias ejemplo clasificadas en clases.  La lista de atributos de las instancias que van a ser candidatas para determinar la decisión.  El método de selección de los atributos. Especifica una heurística para seleccionar el atributo que mejor discrimina los ejemplos para una clase. PROCEDIMIENTO Inducir_Arbol (Ejemplos E, Lista_Atributos, © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Método_Selección_Atributos) COMIENZO P1 Crear un nodo N; P2 SI todos los elementos de E pertenecen a la misma clase, C ENTONCES retornar N como nodo hoja etiquetado con la clase C, P3 SINO SI la lista de atributos (Lista_Atributos) está vacía Técnicas de Inteligencia Artificial 10 Tema 3. Ideas clave  ENTONCES retornar N como nodo hoja etiquetado con la clase más numerosa en los ejemplos P4 SINO aplicar Método_Selección_Atributos(E, Lista_Atributos) para seleccionar el atributo A que mejor particiona E P5 Borrar Atributo A de la lista de Atributos Lista_Atributos P6 Etiquetar N con el atributo seleccionado P7 PARA CADA valor V de A Siendo Ev el subconjunto de elementos en E con valor V en el atributo A. P8 SI Ev está vacío ENTONCES unir al nodo N una hoja etiquetada con la clase mayoritaria en E. P9 SINO unir al nodo N el nodo retornado de Inducir_Arbol (Ev, Lista_Atributos, Método_Selección_Atributos) FIN PARA CADA FIN SI-SINO FIN Figura 3. Algoritmo básico de construcción de árboles de decisión. En primer lugar, se crea un nodo raíz que representa a todos los ejemplos en E. Si todas las instancias en E son de la misma clase, el nodo se convierte en una hoja del árbol que es etiquetada con esa clase (P2). Si esto no es así y la lista de atributos no está vacía, se llama al procedimiento Método_Selección_Atributos (paso P4) para determinar el atributo que se ha de comprobar en el nodo N, que será el atributo que implica la mejor división de los ejemplos en clases. Crecerán tantas ramas del nodo N como posibles valores del atributo. Se trata de que los subconjuntos de ejemplos resultantes de la división sean lo más homogéneos posibles (la homogeneidad máxima se da cuando todos los ejemplos de cada subconjunto pertenecen a la misma clase). © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) En el paso P6 se etiqueta el nodo N con el atributo A seleccionado que servirá como condición para la clasificación. El nodo se ramifica con los diversos valores del atributo y se distribuyen los ejemplos en las diversas ramas de acuerdo al valor del atributo que cumplen. Técnicas de Inteligencia Artificial 11 Tema 3. Ideas clave  En la Figura 4 se muestra un ejemplo del resultado de la primera iteración del algoritmo sobre los datos del problema del tiempo mostrados en la Tabla 1. El método de selección del atributo ha seleccionado ambiente como el mejor atributo para dividir los ejemplos teniendo en cuenta específicamente la ganancia de información que se consigue dividiendo los ejemplos con este atributo (en la siguiente sección se explicará este método de selección de atributos que utiliza el algoritmo ID3 basado en la medida de ganancia de información). E1(-) E6(-) E11(+) E2(-) E7(+) E12(+) E3 (+) E8(-) E13(+) E4 (+) E9(+) E14(-) E5 (+) E10(+) ----------------------- Ambiente (+9, -5) soleado nublado lluvioso E1(-) E3(+) E4(+) ? E2(-) Sí E7(+) ? E5(+) E8 (-) E12 (+) E6 (-) E9 (+) E13 (+) E10 (+) E11 (+) --------- E14 (-) --------- (+4, -0) --------- (+2, -3) (+3, -2) Figura 4. Árbol parcial generado en la primera iteración del algoritmo sobre los datos de ejemplo de la Tabla 1. Una vez particionados los ejemplos, se vuelve a iniciar el procedimiento en cada nodo hijo, partiendo del subconjunto de ejemplos asignados a ese nodo hijo Ev y de la lista de atributos no utilizados previamente para particionar. En el ejemplo concreto, para el nodo hijo generado que se une al nodo raíz con la rama nublado, se va a cumplir la condición del paso 2 (P2), es decir, todos los ejemplos © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) en esa partición pertenecen a la clase sí, con lo cual ese nodo se convierte en un nodo hoja etiquetado con la clase sí. Técnicas de Inteligencia Artificial 12 Tema 3. Ideas clave  Para los otros dos nodos hijos generados es necesario seleccionar de nuevo un atributo en base a los nuevos subconjuntos generados, en ambos casos compuestos por cinco ejemplos. Este proceso es iterativo hasta que se cumple una de las siguientes condiciones:  Todos los ejemplos de Ev pertenecen a la misma clase, con lo cual el nodo se convierte en un nodo hoja (P2).  No hay más atributos para particionar ejemplos (P3). En este caso se puede convertir el nodo en una hoja y etiquetarlo con la clase mayoritaria en los ejemplos de Ev. Esta decisión se denomina votación mayoritaria.  Si no hay ejemplos para una rama, la partición Ev está vacía (P8), de modo que se crea un nodo hoja con la clase mayoritaria en E. Existen variaciones del algoritmo que toman otras decisiones como simplemente etiquetar el nodo hoja como desconocido. El algoritmo básico aquí descrito es del tipo «divide-y-vencerás», construido sin retroceder en ningún caso para volver a reconsiderar una decisión tomada en un paso previo. Esto último relativo a siempre avanzar hacia adelante es denominado método codicioso (greedy en inglés). En cada iteración de este algoritmo básico se aplica el método de selección de atributos en base a los atributos y ejemplos, y esto puede suponer un alto requisito de computación. © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 13 Tema 3. Ideas clave  3.4. Algoritmo básico de aprendizaje de árboles de decisión: ID3 El algoritmo ID3 construye lo árboles top-down (de arriba a abajo) utilizando un método de selección de atributos basado en la teoría de la información. ID3 considera como heurística que el atributo cuyo conocimiento aporta mayor información en la clasificación es el más útil. El algoritmo ID3 sigue los pasos del algoritmo básico mostrado en la Figura 4. En primer lugar, el algoritmo, para cada atributo, realiza un cálculo para medir cuán bien ese atributo clasifica los ejemplos disponibles. El atributo mejor clasificador se convierte en la condición del nodo raíz que da lugar a distintas ramas, una por cada valor posible del atributo. Los ejemplos se distribuyen en los nodos descendientes de acuerdo con su valor del atributo mejor clasificador. Este proceso que se ha aplicado al nodo raíz se repite para los nodos descendientes. Este algoritmo nunca da marcha atrás para reconsiderar decisiones previas. Como previamente se ha comentado un aspecto importante es el método de selección de atributos, que determina el rendimiento del algoritmo. El algoritmo ID3 utiliza la ganancia de información para seleccionar en cada paso según se va generando el árbol aquel atributo que mejor distribuye los ejemplos de acuerdo a su clasificación objetivo. ¿Cómo se mide la mejor distribución de ejemplos o se selecciona aquel © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) atributo cuyo conocimiento aporta mayor cantidad de información? Para contestar a esta pregunta ID3 utiliza conceptos que forman parte de la teoría de la información. En concreto, como previamente se ha indicado, utiliza la ganancia de Técnicas de Inteligencia Artificial 14 Tema 3. Ideas clave  información que a su vez mide la reducción esperada de entropía. Para comprender esto se va a explicar a continuación el concepto de entropía y, posteriormente, la medida de ganancia de información. La entropía caracteriza la heterogeneidad de un conjunto de ejemplos. Cuando una clase C puede tomar n valores, la entropía del conjunto de ejemplos E respecto a la clase C se define como: Siendo pi la proporción de ejemplos de E que pertenecen a la clase i. Si todos los miembros del conjunto E pertenecen a la misma clase, la entropía es nula, es decir, tendrá un valor igual a 0. Sin embargo, esta será igual a 1 si se tiene un mismo número de ejemplos positivos y negativos (cuando se trata de una clasificación booleana), y tendrá un valor comprendido entre 0 y 1 cuando no es igual el número de ejemplos positivos y negativos. Dado que la entropía mide la heterogeneidad de un conjunto de ejemplos, la ganancia de información utiliza la entropía para medir la efectividad de un atributo para clasificar ejemplos. Específicamente mide la reducción de entropía cuando se distribuyen los ejemplos de acuerdo a un atributo concreto. Siendo un atributo A con Va posibles valores y un conjunto de ejemplos E, la fórmula para calcular la ganancia de información viene dada por la expresión (2): © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 15 Tema 3. Ideas clave  Ev es el subconjunto de ejemplos para los que el atributo A toma el valor v dentro de los posibles valores de v (especificados en Va). Por tanto, en el ejemplo previo del artículo de Quinlan, si se utiliza la ganancia de información para seleccionar los atributos que particionan en cada paso el árbol, para el caso del nodo raíz se tiene: © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 16 Tema 3. Ideas clave  De acuerdo con la medida de ganancia de información que aplica el algoritmo ID3 el atributo ambiente es el que proporciona mayor cantidad de información a la hora de predecir la clase. Por lo tanto, con este método de selección de atributos el ambiente es seleccionado como el atributo a comprobar en el nodo raíz y tres ramas se crean, correspondientes a los tres valores que este atributo toma. Los ejemplos se dividen en tres grupos según su valor de este atributo y se llega por tanto al árbol parcial mostrado en la Figura 4. Dado que todos los ejemplos con ambiente igual a nublado pertenecen a la clase sí (entropía es 0), el nodo unido a través de la rama nublado se convierte en un nodo hoja. Partiendo de los nodos hijos el procedimiento se repite hasta que o todos los ejemplos pertenecen a la misma clase, o todos los atributos están incluidos en un camino del árbol, o no quedan más ejemplos. 3.5. Espacio de búsqueda y bias inductivo En el problema de construcción de árboles de decisión, el espacio de hipótesis o posibles soluciones es el conjunto de todos los posibles árboles de decisión. En concreto, el algoritmo ID3 busca por el espacio de hipótesis hasta encontrar el árbol que encaja con los ejemplos de entrenamiento. ID3 realiza una búsqueda en escalada, guiada por la medida de ganancia de información, desde árboles más sencillos a árboles más complejos, buscando aquel que clasifica correctamente los datos de entrenamiento. © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) ID3 tiene la ventaja de que trabaja en un espacio de hipótesis completo, con lo cual no se da el caso de estar buscando en un espacio de hipótesis en que no se encuentra la solución. Sin embargo, ID3 no trabaja con varias posibles soluciones simultáneamente, aquellas que son consistentes con los ejemplos, sino que solo Técnicas de Inteligencia Artificial 17 Tema 3. Ideas clave  trabaja con una posible solución. En este caso se corre el riesgo de no construir el árbol que representa la mejor solución. ID3 no da marcha atrás en su búsqueda para reconsiderar elecciones previas. Esto puede dar lugar al problema típico de métodos de búsqueda de escalada sin vuelta atrás, el poder converger hacia una solución óptima local, que no es la mejor solución en global. ID3 tiene la ventaja de ser robusto frente a errores, dado que en cada paso que se da utiliza todos los ejemplos para hacer los cálculos de la ganancia de información. Sin embargo, esto supone más carga computacional que una solución incremental en la que en cada paso solo se tienen en cuenta parte de los ejemplos. En esta búsqueda por el espacio de hipótesis, ¿en qué se basa ID3 para generalizar el árbol de decisión, esto es, considerar que el árbol clasificará correctamente instancias no utilizadas en la etapa de aprendizaje? En definitiva, entendemos el bias como los criterios de selección de una hipótesis en función de una serie de factores y supuestos. De los posibles árboles que podrían servir para clasificar un conjunto de ejemplos, ID3 escoge como mejor árbol al primero que encuentra en una búsqueda en la que se va generando un árbol desde lo más sencillo a lo más complejo. ID3, por tanto, funciona siguiendo estas dos premisas:  Da preferencia a árboles cortos frente a los largos.  Sitúa los atributos que proporcionan mayor ganancia de información más cerca de la raíz. © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Con ID3 no se garantiza encontrar el árbol más corto, puesto que no considera en cada paso todos los árboles posibles que se valorarían en una búsqueda exhaustiva en amplitud. Sin embargo, ID3 realiza una búsqueda greedy sin retroceso, que Técnicas de Inteligencia Artificial 18 Tema 3. Ideas clave  pretende encontrar el árbol más corto que a su vez sitúa los atributos que mayor ganancia de información aportan en la zona del árbol más cerca de la raíz. El bias inductivo de ID3 se puede, por tanto, considerar como una preferencia por árboles cortos frente a largos y se prefieren árboles que sitúan cerca de la raíz a los atributos que aportan mayor ganancia de información. El preferir árboles cortos puede mejorar la generalización, puesto que hay hipótesis complejas que encajan muy bien con los datos de entrenamiento pero que no generalizan correctamente datos futuros. 3.6. Métodos de selección de atributos Existen diversos métodos de selección de atributos empleados en diversos algoritmos de construcción de árboles de decisión como la tasa de ganancia, el índice Gini o la previamente explicada ganancia de información utilizada por el algoritmo ID3. El usar un método u otro dependerá tanto de los datos de entrenamiento disponibles, como del algoritmo específico que se emplee así como de los supuestos y suposiciones que se realizan para generalizar la mejor solución encontrada (bias). Por ejemplo, el índice Gini, que mide la impureza de los datos, es típicamente utilizado en algoritmos CART (Classification and Regression Trees). El índice Gini se calcula con la expresión (3): © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 19 Tema 3. Ideas clave  Siendo n el número de clases totales y siendo pi el resultado de dividir el número de ejemplos que pertenecen a la clase Ci entre el número de ejemplos totales. El sumatorio se refiere a la suma que comprende dicho cociente para las n clases. El atributo seleccionado para dividir los ejemplos en subconjuntos será aquel que maximice la reducción de impureza (el que tenga un índice Gini menor). Otro método de selección de atributos se basa en la proporción de ganancia, utilizada por el algoritmo C4.5, que se explicará más adelante. Cuando se manejan atributos con muchos valores, la proporción de ganancia puede dar mejores resultados que la medida de ganancia de información, que favorece aquellos atributos con mayor número de valores. Si, por ejemplo, se da el caso extremo de un atributo con un valor diferente para cada ejemplo, la medida de ganancia de información determinará que este atributo sea escogido puesto que aporta la mayor información en la clasificación, ya que determina la clase sin ninguna ambigüedad. Sin embargo, realmente no es un clasificador útil para nuevas instancias. La proporción de ganancia compensa el hecho de que un atributo pueda tener muchos valores dividiendo por la medida denominada información de la división, tal y como se indica en la fórmula (4). © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Siendo Ei, Ei+1, …, En las diferentes particiones de ejemplos que resultan de dividir el conjunto E de ejemplos teniendo en cuenta los valores vi, vi+1, …, vn que toma el atributo, respectivamente. Técnicas de Inteligencia Artificial 20 Tema 3. Ideas clave  Así la proporción de ganancia se calcula como el cociente entre la ganancia de información y la información de la división, tal y como se muestra en la expresión (5). Dividiendo por la información de la división se consigue penalizar aquellos atributos con muchos valores que se distribuyen muy uniformemente entre los ejemplos. Si un atributo toma dos valores y distribuye los ejemplos en dos grupos de igual tamaño, la Información de la División toma el valor 1. Sin embargo, si un atributo toma un gran número de valores y distribuye los ejemplos uniformemente en estos valores se obtiene un valor de Información de la División de log2n. Otro método es denominado Longitud de Descripción Mínima o Minimum Description Length (MDL). Este método considera el mejor árbol de decisión aquel que requiere un menor número de bits para o bien codificar el propio árbol o bien codificar los casos no clasificados por el árbol, seleccionando la opción más simple de estas. Otros métodos consideran mejor particionar el árbol basándose en múltiples atributos y no solo en uno. Realmente los métodos de selección indicados funcionan bien. Utilizan diferentes supuestos y suposiciones sobre la mejor solución encontrada (bias) pero no está claro qué método es mejor que otro. En general la complejidad de árbol aumentará © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) conforme la profundidad sea mayor, pero, por otra parte, árboles más cortos pueden generar más errores en las decisiones. Técnicas de Inteligencia Artificial 21 Tema 3. Ideas clave  3.7. Sobreajuste y poda de árboles ID3 crea el árbol de decisión de tal manera que clasifica correctamente los datos de entrenamiento y, aunque parece contradictorio, clasificar demasiado bien no es siempre adecuado ya que los datos de entrenamiento pueden contener ruido o simplemente pueden no ser una muestra suficientemente numerosa de datos que permita generalizar. El sobreajuste se produce cuando existe una hipótesis H del espacio de hipótesis que se ajusta mejor a los datos de entrenamiento que otra hipótesis H’ del espacio de hipótesis, pero, al mismo tiempo, H’ se ajusta mejor a todas las instancias (comprendiendo datos de entrenamiento e instancias futuras). Construir hipótesis con demasiadas condiciones, demasiado complejas, reflejadas en árboles con demasiados nodos, a veces supone sobreajustar la hipótesis a los datos de entrenamiento. Utilizando el ejemplo previo del problema del tiempo, si el Ejemplo 7 (E7) mostrado en la Tabla 1 tiene asignada la clase No erróneamente, esto daría lugar a la generación de un árbol distinto y más complejo, ya que, en el segundo paso del algoritmo no se generaría el nodo hoja, tal y como se muestra en la Figura 4 (todos los ejemplos con el atributo nublado pertenecían a la misma clase), sino que se seguiría ramificando, dando lugar a un árbol más complejo. Queda como ejercicio del alumno el ejecutar el algoritmo para comprobar qué árbol se generaría. © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 22 Tema 3. Ideas clave  E1(-) E6(-) E11(+) E2(-) E7(-) E12(+) E3 (+) E8(-) E13(+) E4 (+) E9(+) E14(-) E5 (+) E10(+) ----------------------- Ambiente (+8, -6) soleado nublado lluvioso E1(-) E3(+) E4(+) ? E2(-) ? E7(-) ? E5(+) E8 (-) E12 (+) E6 (-) E9 (+) E13 (+) E10 (+) E11 (+) --------- E14 (-) --------- (+3, -1) --------- (+2, -3) (+3, -2) Figura 5. Árbol parcial generado en la primera iteración del algoritmo sobre los datos de ejemplo de la Tabla 1 (con la clase del Ejemplo 7 (E7) cambiada a valor no. El sobreajuste es un problema práctico en la construcción de árboles de decisión y generalmente se ha de aplicar alguna estrategia para mitigar el problema. Dos tipos de estrategias para evitar el sobreajuste son: Pospoda Prepoda Podar el árbol una vez generado. Se pueden llegar a tener en cuenta combinaciones de Limitar el crecimiento del árbol. Tiene la atributos antes de realizar la poda. Existen ventaja de que ahorra los costes de ocasiones en que dos o más atributos procesamiento debidos a generar nodos y combinados aportan bastante información ramas que posteriormente serían podados en la clasificación mientras que los atributos (utilizando un método de pospoda). por sí solos, no. Si el árbol se mapea a reglas, se puede realizar una poda más eficaz, siguiendo los pasos que se indican a continuación: © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR)  Generación del árbol de decisión a partir de los datos de entrenamiento.  Mapeado del árbol a un conjunto de reglas. Cada camino desde la raíz hasta la hoja corresponde a una regla (una serie de condiciones enlazadas con el operador AND). Técnicas de Inteligencia Artificial 23 Tema 3. Ideas clave   Poda de cada regla eliminando las condiciones en el antecedente que suponen mejorar la precisión de la clasificación.  Ordenación de las reglas en función de la precisión estimada y se clasifican los ejemplos futuros empleando las reglas en este orden. Una diferencia entre podar el árbol directamente o trabajar en la poda de reglas es que cuando se elimina un nodo de un árbol se están eliminando diferentes reglas que resultan de la condición testeada en ese nodo, mientras que, si se trabaja con reglas, la decisión de poda se realiza de una manera aislada para cada camino que pasa por ese nodo. Además, si se trabaja con reglas en la poda es indiferente si el atributo testeado se encuentra cerca de la raíz o cerca de la hoja. ¿Cómo se puede saber cuál es el tamaño del árbol adecuado? Es difícil determinar cuándo se ha de parar el crecimiento del árbol o hasta cuánto se ha de podar. Cuando se poda un nodo de un árbol, se eliminan las ramificaciones y se convierte a ese nodo en una hoja a la que se puede asignar la clase mayoritaria de los ejemplos vinculados a ese nodo. La decisión de podar típicamente se tomará en función de medidas estadísticas que permiten conocer cuáles son las ramas menos fiables. Una práctica frecuente es utilizar la técnica de validación cruzada (cross- validation). La validación cruzada permite estimar el ajuste del modelo a un hipotético conjunto de datos de prueba cuando no se dispone de este conjunto de datos de prueba de manera explícita. Consiste en dividir el conjunto de ejemplos disponibles en un conjunto de datos de entrenamiento y un conjunto de datos de validación: Datos de entrenamiento: se utilizan para generar el árbol. © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Datos de validación: se utilizan para validar la precisión del árbol generado sobre datos futuros. La etapa de validación nos puede servir para evaluar la efectividad de la poda del árbol a la hora de clasificar instancias futuras. Se puede, por ejemplo, valorar si podar Técnicas de Inteligencia Artificial 24 Tema 3. Ideas clave  cada nodo del árbol en base a si el árbol podado resultante clasifica al conjunto de validación igual o mejor que el árbol original. Iterativamente se van eliminando nodos según este criterio, eligiendo como nodo al que se poda a aquel que mejora la clasificación del conjunto de datos de validación. De esta manera, los nodos creados debido a datos ruidosos o erróneos aislados son eliminados. La desventaja de este método es que se dispone de menos datos para el entrenamiento y es preciso disponer de suficientes datos, tanto en el conjunto de datos de entrenamiento como en el conjunto de datos de validación, de tal manera que las muestras sean significantes desde un punto de vista estadístico. Es típico utilizar 2/3 de los datos disponibles para el entrenamiento y 1/3 de los datos disponibles para la validación. Cuando el conjunto de datos disponible es pequeño se suele emplear la técnica conocida como validación cruzada de k iteraciones (K-fold cross-validation). Mediante esta técnica los datos se dividen en k subconjuntos de igual tamaño. Un subconjunto es utilizado como datos de prueba (o validación), mientras que el resto de los subconjuntos, (los k-1 subconjuntos restantes), son utilizados como datos de entrenamiento. La validación cruzada se repite k veces, y en cada una de las repeticiones se utiliza uno de los subconjuntos como datos de prueba. Para obtener el resultado final, se realiza la media de los resultados obtenidos en cada iteración. El número de iteraciones conveniente dependerá de los datos disponibles y del número de atributos, pero es habitual utilizar una validación cruzada de 10 iteraciones, ya que suele ofrecer buenos resultados. © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 25 Tema 3. Ideas clave  3.8. Medidas de la precisión de la clasificación. Curva ROC Como previamente se ha indicado, se puede utilizar un conjunto de ejemplos de los disponibles (datos de validación) para evaluar la hipotética efectividad de la clasificación de instancias futuras por un árbol de decisión inducido y por los diversos árboles que resultan de la poda. Sin embargo, para esta evaluación se está teniendo en cuenta un conjunto de datos de prueba limitados y, por ello, surge la siguiente pregunta: ¿Cómo podemos estimar la precisión real en la clasificación de futuras instancias? Es evidente que no es lo mismo contar con conjuntos de datos de entrenamiento y validación numerosos que no contar con ellos. Es lógico que se confíe más en una clasificación inducida a partir de 1 000 000 de datos de entrenamiento que a partir de un conjunto de 100 instancias. Igualmente será más lógico confiar en una validación que utiliza un numeroso conjunto de datos de validación. Si, por ejemplo, se están utilizando N=100 ejemplos de prueba y, de esos 100 ejemplos, 90 están bien clasificados de acuerdo con una hipótesis h, se tiene una tasa de éxito te de 90 %. ¿Cómo se puede extrapolar este hecho a futuras instancias? ¿Cuál es la mejor estimación de la precisión de h a la hora de clasificar futuras instancias? En principio se podría considerar que una buena estimación de la tasa de éxito de clasificación de futuras instancias es 0.9. Sin embargo, también se sabe que, dado que la muestra de futuras instancias no va a ser exactamente igual que la muestra de instancias de prueba N, se debería aplicar un intervalo de confianza en valores alrededor de te con el fin de tener en cuenta esta desigualdad en las muestras. © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Para calcular dicho intervalo se asumen ciertas condiciones con el fin de aplicar teorías estadísticas que simplifican el problema. Por ejemplo, se asume que la predicción de la clase de cada una de las instancias es un evento independiente del Técnicas de Inteligencia Artificial 26 Tema 3. Ideas clave  resto de predicciones. Este evento tiene dos resultados posibles: éxito o error en la predicción. Por tanto, las predicciones de las clases de las diferentes instancias constituyen una serie de eventos independientes, con dos posibles resultados, siendo un proceso de Bernoulli. Así, consideramos la tasa de éxito esperada como una variable aleatoria te para un conjunto de N muestras, con una media de p y una varianza p(1-p)/N. Si tenemos un gran conjunto de muestras, esto es, si N es grande (N>100), la distribución de la tasa de éxito será próxima a una distribución normal. Para una distribución normal, la probabilidad de que una variable aleatoria X, con una media igual a 0, se inscriba dentro de un cierto rango de confianza de anchura 2z, 𝑃𝑃[−𝑧𝑧 ≤ 𝑋𝑋 ≤ 𝑧𝑧] = 𝑐𝑐, se puede obtener a partir de tablas de distribución de probabilidad normal N(0,1), que permiten relacionar z con el nivel de confianza deseado. En la Tabla 2 se muestran algunos valores de z que se pueden extraer de dichas tablas, en este caso se relaciona z con la probabilidad de que la variable X sea superior a z, 𝑃𝑃[𝑋𝑋 ≥ 𝑧𝑧]. Dado que se asume en dicha tabla que la variable X tiene una media de cero y una varianza de 1, podemos considerar que las cifras de z se miden en desviaciones estándar de la media. Por tanto, un valor de 𝑃𝑃[𝑋𝑋 ≥ 𝑧𝑧] = 0.01 implica que hay un 1 % de probabilidad de que el valor de X sea superior a 2.33 veces la desviación estándar sobre el valor de la media. Dado que tenemos una distribución simétrica, existe también un 1 % de probabilidad de que el valor de X sea inferior a - 2.33 veces la desviación estándar sobre el valor de la media, luego se da la probabilidad de que X se encuentre en el intervalo de confianza [-2.33, 2.33] de 𝑃𝑃[−2.33 ≤ 𝑋𝑋 ≤ 2.33] = 1 − 0.01 − 0.01 = 0.98. © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 27 Tema 3. Ideas clave  Tabla 2. Límite del intervalo de confianza z para diferentes valores de confianza. Para poder utilizar estas tablas cuando la media no es igual a 0 ni la varianza es igual a 1, tenemos que restar a la variable aleatoria te la media p y dividir por la desviación estándar A partir de la anterior expresión, se obtienen las siguientes fórmulas para calcular los intervalos de confianza (Witten & Frank, 2005). El límite superior del intervalo viene dado por: © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 28 Tema 3. Ideas clave  El límite inferior del intervalo viene dado por: Por ejemplo, si tenemos una tasa de éxito con 1 000 datos de prueba de 0.75 y queremos una confianza c = 0.80, utilizamos el valor de la tabla 𝑃𝑃[𝑋𝑋 ≥ 𝑧𝑧] = 10, siendo z = 1.28. Así, el intervalo que se obtendría para p es [0.732, 0.767]. Podemos afirmar con un 80% de confianza que la tasa de éxito real se encontrará en dicho intervalo. El intervalo será más estrecho según N aumente. Lógicamente es más fiable un resultado de validación cuando se tienen más muestras. Curva ROC La medida más popular que se utiliza para determinar el rendimiento de un sistema de clasificación es su precisión (accuracy): el porcentaje de instancias clasificadas correctamente. La precisión es una medida fácil de entender y de comparar, pero obvia algunos aspectos importantes en el rendimiento como pueden ser, por ejemplo, el número de verdaderos positivos (TP – True Positive), falsos positivos (FP – False Positive), verdaderos negativos (TN – True Negative) y falsos negativos (FN – False Negative). Estos aparecen siempre que clasifiquemos una clase para la que tengamos instancias pertenecientes a esa clase e instancias que no pertenecen a ella. A la hora de clasificar, la mayoría de los clasificadores producen una puntuación sobre © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) la que deciden si la instancia pertenece a una clase o no que varía entre 0 (definitivamente negativo) y 1 (definitivamente positivo). La Figura 6 muestra cómo se clasificaría un conjunto de datos de pacientes sanos y enfermos en función del umbral elegido para la toma de la decisión. Técnicas de Inteligencia Artificial 29 Tema 3. Ideas clave  Figura 6. Conjunto de datos de pacientes sanos y enfermos y su clasificación en función del umbral elegido. Las medidas mencionadas anteriormente dan lugar a otras medidas también interesantes a la hora de evaluar el clasificador:  Sensibilidad (sensitivity): también conocido como ratio de verdaderos positivos (TPR – True Positive Rate). Mide la capacidad del clasificador para detectar la clase en una población con instancias de esa clase, la proporción de casos positivos bien detectados. Se calcula como TP / (TP + FN).  Especificidad (specificity): mide la capacidad del clasificador para descartar instancias que no pertenecen a la clase en una población con instancias de esa clase, la proporción de casos negativos correctamente detectados. Se calcula como TN / (TN + FP).  Ratio de falsos positivos (FPR – False Positive Rate): Proporción de casos negativos © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) que el clasificador detecta como positivos. De forma más concreta FP / (FP + TN). En base a estas dos medidas, sensibilidad y especificidad, se forma la curva ROC (Receiver Operating Characteristic). Para ello se representa el TPR o sensibilidad en el eje de ordenadas y el FPR en el eje de abcisas (1 - especificidad). La curva ROC traza Técnicas de Inteligencia Artificial 30 Tema 3. Ideas clave  el TPR frente al FPR a diferentes umbrales de clasificación. Al disminuir el umbral de clasificación clasifica más elementos como positivos, aumentando así tanto los falsos positivos como los verdaderos positivos. El área de la curva ROC tomará valores entre 0,5 (cuando no el sistema no distinga entre un positivo y un falso positivo) y 1 (el sistema clasifica perfectamente para esta clase). La Figura 7 muestra la curva ROC para dos clasificadores diferentes. Figura 1. Análisis de la curva ROC de los clasificadores efectuado con la herramienta Orange3. Fuente:https://orange3.readthedocs.io/en/3.4.0/widgets/evaluation/rocanalysis.html © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Técnicas de Inteligencia Artificial 31 Tema 3. Ideas clave  3.9. Simplificación de árboles de decisión mediante poda: algoritmo C4.5 El algoritmo C4.5 es un método de inducción de árboles de decisión basado en ID3. Este algoritmo fue propuesto por J.R. Quinlan que escribió un libro sobre el mismo (Quinlan, 1993). Mientras que el algoritmo ID3 se aplica a atributos con valores discretos, el algoritmo C4.5 se puede aplicar tanto a atributos con valores discretos como a atributos con valores continuos. En este último caso, en cada nodo se ha de establecer un umbral de valor del atributo para realizar la partición de ejemplos. Además, C4.5 puede trabajar con datos ausentes, que no son tenidos en cuenta a la hora de calcular las métricas para seleccionar los atributos. El método de selección de atributos que utiliza C4.5 es la medida de proporción de ganancia. C4.5 realiza una poda tras la generación del árbol (pospoda) con el fin de mejorar la generalización del modelo. Una vez que el árbol ha sido generado, C4.5 elimina aquellos nodos del árbol para los cuales el resultado de podar es una mejora en la precisión en la clasificación. ¿Cómo el algoritmo C4.5 estima la precisión de la clasificación? La estadística en la que se basa el algoritmo C4.5 se considera débil, pero, al mismo tiempo, ofrece buenos resultados en la práctica. C4.5 no utiliza un conjunto de ejemplos para la validación separado de los datos de entrenamiento, sino que la validación la realiza a partir de © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) los mismos datos de entrenamiento. Tras la poda, C4.5 asigna a un nodo la clase mayoritaria en el conjunto de instancias que alcanzan ese nodo, y esto da lugar a un determinado número de errores e debido Técnicas de Inteligencia Artificial 32 Tema 3. Ideas clave  a que hay instancias que no pertenecen a esa clase. Para dicho nodo la tasa de error tendría un valor terror = e/N, siendo N el número de instancias que lo alcanzan. Esta estimación, al ser calculada sobre los mismos datos de entrenamiento, resulta en una estimación claramente optimista y la predicción del error está por tanto bastante sesgada. Para compensar el hecho favorable que supone el emplear los propios datos del entrenamiento para el cálculo de la tasa de error, C4.5 realiza lo que se denomina una poda pesimista, ajustando esa tasa de error con una penalización al valor obtenido. Para un determinado nivel de confianza, toma el nivel más desfavorable del intervalo de confianza como medida del error (lo que correspondería al límite superior del intervalo expresado en la Ecuación 7 de la sección anterior) y no se tiene en cuenta la posibilidad de que el valor pueda encontrarse dentro del intervalo de confianza. Por defecto C4.5 toma un valor de confianza c = 0.25. Para estimar la tasa real del error terror_real a partir de la tasa observada terror, obtiene el límite superior del intervalo de confianza a partir de las siguientes expresiones (Witten & Frank, 2005): © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Tomando el límite superior del intervalo obtenemos: Técnicas de Inteligencia Artificial 33 Tema 3. Ideas clave  Siendo z=0.68 para un valor de c=0.25 (ver Tabla 2). Para conjuntos de datos muy grandes la desviación estándar tenderá a ser pequeña, con lo cual la estimación pesimista se acercará al error observado (Mitchell, 1997). 3.10. Ensemble Learning y Random Forest En la Figura 1 del Tema 1 vimos que una de las ramas del aprendizaje automático o machine learning era el ensemble learning, también conocido como integrated learning. En castellano las traducciones habituales son aprendizaje ensemble o aprendizaje integrado. Actualmente, los métodos más modernos y maduros utilizados para obtener los resultados más precisos en entornos de producción, además de las redes neuronales, que veremos en los Tema 5 y 6, son precisamente los métodos ensemble learning, a pesar de que las primeras son más populares. En los métodos de aprendizaje integrado, la idea es unir un conjunto de algoritmos ineficientes en los que cada uno colabora corrigiendo los errores del resto del conjunto (Krawczyk et al., 2017). De esta manera, se consigue una calidad general más alta que la de los mejores algoritmos individuales © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) que trabajan de forma aislada. De hecho, se obtienen resultados aún mejores cuando los algoritmos que componen el conjunto son más inestables, en el sentido de predecir resultados completamente Técnicas de Inteligencia Artificial 34 Tema 3. Ideas clave  diferentes con poco ruido en los datos de entrada. Por lo tanto, es común utilizar algoritmos como la regresión y los árboles de decisión como parte de los métodos de aprendizaje integrado, porque estos algoritmos son muy sensibles a los valores atípicos en los datos de entrada. Por el contrario, algoritmos muy estables como el Naïve Bayes o el k-NN (k Nearest Neighbors o los k vecinos más cercanos) son utilizados raramente en los métodos ensemble learning. Como vemos, el aprendizaje integrado no está exclusivamente relacionado con los árboles de decisión. Sin embargo, lo abordamos en este tema con el fin de aprovechar para describir uno de los algoritmos ensemble learning más populares: el random forest. Existen tres métodos principales dentro del aprendizaje integrado en función de cómo se combinan los diferentes algoritmos que componen cada método: el stacking (apilamiento), el bagging (embolsamiento) y el boosting (refuerzo). Estos tipos de métodos se utilizan actualmente para cualquier aplicación en la que se puedan aplicar los algoritmos supervisados clásicos, aunque también existen métodos de aprendizaje integrado dentro del aprendizaje no supervisado, así como los sistemas de búsqueda, la visión por ordenador o la detección de objetos. Stacking Los métodos stacking (o stack generalization) son quizás los métodos menos utilizados de todos (comparados con los métodos bagging y boosting). El concepto en el que se basan es muy simple (ver Figura 8): entrenar diferentes algoritmos (por ejemplo, un k-NN, un árbol de decisión y un SVM – Support Vector Machine o Máquina de vectores de soporte, creadas por Vapnik) (Noble, 2006) utilizando los © Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) mismos datos y utilizarlos en paralelo para clasificar la misma entrada. Finalmente, se promedian las salidas de los diferentes algoritmos para obtener un valor de salida final, normalmente utilizando un algoritmo de regresión (Cao y Wang, 2018). Técnicas de Inteligencia Artificial