使用scikit-learn解释随机森林算法

在以前的一篇博文里，我讨论过如何将随机森林算法转化为一个“白盒”，这样每次预测就能被分解为各项特征的贡献和，即

我多次想找相关的代码。然而，绝大多数的随机森林算法库（包括scikit-learn）不暴露预测过程的树路径（tree paths）。sklearn的实现方法需要一个额外补丁来暴露。庆幸的是，scikit-learn自0.17版起在API中添加了两项功能，使得这个过程相对而言比较容易理解：获取用于预测的所有叶子节点的ID，并存储所有决策树的所有节点的中间值，而不仅仅只存叶子节点的。结合这两步，就可以获取每次独立预测的预测路径，同时根据查看路径来分解预测过程。

代码已经放在github上了，也可以用 pip install treeinterpreter进行安装。

注意：需要用到仍在开发中的scikit-learn 0.17，你在下面的链接中能找到安装方法http://scikit-learn.org/stable/install.html#install-bleeding-edge。

用treeinterpreter分解随机森林预测

我们选一个简单的数据集，训练一个随机森林模型，并用测试集进行预测，然后分解预测过程。

from treeinterpreter import treeinterpreter as ti
from sklearn.tree import DecisionTreeRegressor
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
import numpy as np
 
from sklearn.datasets import load_boston
boston = load_boston
rf = RandomForestRegressor
rf.fit(boston.data[:300], boston.target[:300])

我们随机挑选两个预测价格不相同的样本。

instances = boston.data[[300, 309]]
print "Instance 0 prediction:", rf.predict(instances[0])
print "Instance 1 prediction:", rf.predict(instances[1])

Instance 0 prediction: [ 30.76]
Instance 1 prediction: [ 22.41]

随机森林模型对它们的预测结果迥然不同。这是为什么呢？我们接下来就把预测结果分为偏置项（也就是训练集的平均结果）和单个特征贡献值，以便于观察究竟哪些特征项造成了差异，差异程度有多大。

我们直接调用tree interpreter的predict方法，向其传入模型和数据作为参数。

prediction, bias, contributions = ti.predict(rf, instances)

打印出这些结果：

for i in range(len(instances)):
    print "Instance", i
    print "Bias (trainset mean)", biases[i]
    print "Feature contributions:"
    for c, feature in sorted(zip(contributions[i], 
                                 boston.feature_names), 
                             key=lambda x: -abs(x[0])):
        print feature, round(c, 2)
    print "-"*20 

Instance 0
Bias (trainset mean) 25.2849333333
Feature contributions:
RM 2.73
LSTAT 1.71
PTRATIO 1.27
ZN 1.04
DIS -0.7
B -0.39
TAX -0.19
CRIM -0.13
RAD 0.11
INDUS 0.06
AGE -0.02
NOX -0.01
CHAS 0.0

--------------------

Instance 1
Bias (trainset mean) 25.2849333333
Feature contributions:
RM -4.88
LSTAT 2.38
DIS 0.32
AGE -0.28
TAX -0.23
CRIM 0.16
PTRATIO 0.15
B -0.15
INDUS -0.14
CHAS -0.1
ZN -0.05
NOX -0.05
RAD -0.02

特征贡献值按照其绝对值从大到小排序。我们观察到第一个样本的预测结果较高，正贡献值主要来自RM、LSTAT和PTRATIO特征。第二个样本的预测值则低得多，因为RM特征实际上有很大的负面影响，它不会被其它特征的正面影响所抵消，因此使得预测值要低于数据集的平均水平。

分解的结果真的对吗？很容易检验：偏置和特征贡献值相加应该等于预测值：

print prediction
print biases + np.sum(contributions, axis=1)

[ 30.76 22.41]
[ 30.76 22.41]

注意，在把贡献值相加时，我们需要对浮点数进行处理，所以经过四舍五入处理后的值可能略有不同。

比较两个数据集

这个方法的用武之地之一就是比较两个数据集。例如:

• 理解造成两个数据集预测值差异的真正原因，比如是什么因素导致相邻两幢房屋的预测价值差异。
• 调试模型和数据，例如解释为什么新数据的平均预测值和旧数据的不一样。

还是上面这个例子，我们把房价数据的测试集再一分为二，分别计算它们的平均预测价值。

ds1 = boston.data[300:400]
ds2 = boston.data[400:]
 
print np.mean(rf.predict(ds1))
print np.mean(rf.predict(ds2))

22.1912
18.4773584906

我们发现两个数据集的平均预测价值完全不同。现在我们就能细分导致差异的因素：究竟哪些特征项造成了差异，差异程度有多大。

prediction1, bias1, contributions1 = ti.predict(rf, ds1)
prediction2, bias2, contributions2 = ti.predict(rf, ds2)

我们再来计算每一维特征的平均贡献程度。

totalc1 = np.mean(contributions1, axis=0) 
totalc2 = np.mean(contributions2, axis=0) 

由于两个数据集的偏置项都一样（因为模型的训练集都一样），平均预测价值的差异只能来自于特征的贡献值。换句话说，特征贡献差异的总和应该与平均预测的差异相等，我们很容易验证

print np.sum(totalc1 - totalc2)
print np.mean(prediction1) - np.mean(prediction2)

3.71384150943
3.71384150943

最后，我们把每一维特征贡献的差异之和显示出来，正好就是平均预测值的差异。

for c, feature in sorted(zip(totalc1 - totalc2, 
                             boston.feature_names), reverse=True):
    print feature, round(c, 2)

LSTAT 2.8
CRIM 0.5
RM 0.5
PTRATIO 0.09
AGE 0.08
NOX 0.03
B 0.01
CHAS -0.01
ZN -0.02
RAD -0.03
INDUS -0.03
TAX -0.08
DIS -0.14

分类树和森林

同样的方法也能用于分类树，查看特征对某个类别的预测概率值的影响力。

我们在iris数据集上做演示。

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.datasets import load_iris
iris = load_iris
 
rf = RandomForestClassifier(max_depth = 4)
idx = range(len(iris.target))
np.random.shuffle(idx)
 
rf.fit(iris.data[idx][:100], iris.target[idx][:100])

接着用一个独立样本做预测。

instance = iris.data[idx][100:101]
print rf.predict_proba(instance)

拆分每一维特征的贡献值：

prediction, bias, contributions = ti.predict(rf, instance)
print "Prediction", prediction
print "Bias (trainset prior)", bias
print "Feature contributions:"
for c, feature in zip(contributions[0], 
                             iris.feature_names):
    print feature, c

Prediction [[ 0. 0.9 0.1]]
Bias (trainset prior) [[ 0.36 0.262 0.378]]
Feature contributions:
sepal length (cm) [-0.1228614 0.07971035 0.04315104]
sepal width (cm) [ 0. -0.01352012 0.01352012]
petal length (cm) [-0.11716058 0.24709886 -0.12993828]
petal width (cm) [-0.11997802 0.32471091 -0.20473289]

我们看到对第二类预测能力最强的特征是花瓣长度和宽度，它们极大提高了预测的概率值。

总结

让随机森林算法的预测结果具有解释性也很容易，几乎达到了线性模型的解释能力。有了treeinterpreter，这个步骤只需几行代码就能搞定。

原文地址：Random forest interpretation with scikit-learn（译者/赵屹华 校检/刘帝伟、朱正贵、李子健 责编/周建丁）

赵屹华，计算广告工程师@搜狗，前生物医学工程师，关注推荐算法、机器学习领域。