TIẾP CẬN KÝ HIỆU: gIẢI THUẬT QUY NẠP CÂY QUYẾT ĐỊNH ID3

Giới thiệu

Giải thuật quy nạp cây ID3 (gọi tắt là ID3) là một giải thuật học đơn giản nhưng tỏ ra thành công trong nhiều lĩnh vực. ID3 là một giải thuật hay vì cách biểu diễn tri thức học được của nó, tiếp cận của nó trong việc quản lý tính phức tạp, heuristic của nó dùng cho việc chọn lựa các khái niệm ứng viên, và tiềm năng của nó đối với việc xử lý dữ liệu nhiễu.

ID3 biểu diễn các khái niệm (concept) ở dạng các cây quyết định (decision tree). Biểu diễn này cho phép chúng ta xác định phân loại của một đối tượng bằng cách kiểm tra các giá trị của nó trên một số thuộc tính nào đó.

Như vậy, nhiệm vụ của giải thuật ID3 là học cây quyết định từ một tập các ví dụ rèn luyện (training example) hay còn gọi là dữ liệu rèn luyện (training data). Hay nói khác hơn, giải thuật có:

• Đầu vào: Một tập hợp các ví dụ. Mỗi ví dụ bao gồm các thuộc tính mô tả một tình huống, hay một đối tượng nào đó, và một giá trị phân loại của nó.
• Đầu ra: Cây quyết định có khả năng phân loại đúng đắn các ví dụ trong tập dữ liệu rèn luyện, và hy vọng là phân loại đúng cho cả các ví dụ chưa gặp trong tương lai.

Ví dụ, chúng ta hãy xét bài toán phân loại xem ta ‘có đi chơi tennis’ ứng với thời tiết nào đó không. Giải thuật ID3 sẽ học cây quyết định từ tập hợp các ví dụ sau:

Bảng 9.1 - Tập dữ liệu rèn luyện cho khái niệm ‘Có đi chơi tennis không?’

Tập dữ liệu này bao gồm 14 ví dụ. Mỗi ví dụ biểu diễn cho tình trạng thời tiết gồm các thuộc tính quang cảnh, nhiệt độ, độ ẩm và gió; và đều có một thuộc tính phân loại ‘chơi Tennis’ (có, không). ‘Không’ nghĩa là không đi chơi tennis ứng với thời tiết đó, ‘Có’ nghĩa là ngược lại. Giá trị phân loại ở đây chỉ có hai loại (có, không), hay còn ta nói phân loại của tập ví dụ của khái niệm này thành hai lớp (classes). Thuộc tính ‘Chơi tennis’ còn được gọi là thuộc tính đích (target attribute).

Mỗi thuộc tính đều có một tập các giá trị hữu hạn. Thuộc tính quang cảnh có ba giá trị (âm u, mưa, nắng), nhiệt độ có ba giá trị (nóng, mát, ấm áp), độ ẩm có hai giá trị (cao, TB) và gió có hai giá trị (mạnh, nhẹ). Các giá trị này chính là ký hiệu (symbol) dùng để biểu diễn bài toán.

Từ tập dữ liệu rèn luyện này, giải thuật ID3 sẽ học một cây quyết định có khả năng phân loại đúng đắn các ví dụ trong tập này, đồng thời hy vọng trong tương lai, nó cũng sẽ phân loại đúng các ví dụ không nằm trong tập này. Một cây quyết định ví dụ mà giải thuật ID3 có thể quy nạp được là:

Hình 9.1 - Cây quyết định cho khái niệm ‘Có đi chơi tennis không?’

Các nút trong cây quyết định biểu diễn cho một sự kiểm tra trên một thuộc tính nào đó, mỗi giá trị có thể có của thuộc tính đó tương ứng với một nhánh của cây. Các nút lá thể hiện sự phân loại của các ví dụ thuộc nhánh đó, hay chính là giá trị của thuộc tính phân loại.

Sau khi giải thuật đã quy nạp được cây quyết định, thì cây này sẽ được sử dụng để phân loại tất cả các ví dụ hay thể hiện (instance) trong tương lai. Và cây quyết định sẽ không thay đổi cho đến khi ta cho thực hiện lại giải thuật ID3 trên một tập dữ liệu rèn luyện khác.

Ứng với một tập dữ liệu rèn luyện sẽ có nhiều cây quyết định có thể phân loại đúng tất cả các ví dụ trong tập dữ liệu rèn luyện. Kích cỡ của các cây quyết định khác nhau tùy thuộc vào thứ tự của các kiểm tra trên thuộc tính.

Vậy làm sao để học được cây quyết định có thể phân loại đúng tất cả các ví dụ trong tập rèn luyện? Một cách tiếp cận đơn giản là học thuộc lòng tất cả các ví dụ bằng cách xây dựng một cây mà có một lá cho mỗi ví dụ. Với cách tiếp cận này thì có thể cây quyết định sẽ không phân loại đúng cho các ví dụ chưa gặp trong tương lai. Vì phương pháp này cũng giống như hình thức ‘học vẹt’, mà cây không hề học được một khái quát nào của khái niệm cần học. Vậy, ta nên học một cây quyết định như thế nào là tốt?

Occam’s razor và một số lập luận khác đều cho rằng ‘giả thuyết có khả năng nhất là giả thuyết đơn giản nhất thống nhất với tất cả các quan sát’, ta nên luôn luôn chấp nhận những câu trả lời đơn giản nhất đáp ứng một cách đúng đắn dữ liệu của chúng ta. Trong trường hợp này là các giải thuật học cố gắng tạo ra cây quyết định nhỏ nhất phân loại một cách đúng đắn tất cả các ví dụ đã cho. Trong phần kế tiếp, chúng ta sẽ đi vào giải thuật ID3, là một giải thuật quy nạp cây quyết định đơn giản thỏa mãn các vấn đề vừa nêu.

Giải thuật ID3 xây dựng cây quyết định từ trên–xuống

ID3 xây dựng cây quyết định (cây QĐ) theo cách từ trên xuống. Lưu ý rằng đối với bất kỳ thuộc tính nào, chúng ta cũng có thể phân vùng tập hợp các ví dụ rèn luyện thành những tập con tách rời, mà ở đó mọi ví dụ trong một phân vùng (partition) có một giá trị chung cho thuộc tính đó. ID3 chọn một thuộc tính để kiểm tra tại nút hiện tại của cây và dùng trắc nghiệm này để phân vùng tập hợp các ví dụ; thuật toán khi đó xây dựng theo cách đệ quy một cây con cho từng phân vùng. Việc này tiếp tục cho đến khi mọi thành viên của phân vùng đều nằm trong cùng một lớp; lớp đó trở thành nút lá của cây.

Vì thứ tự của các trắc nghiệm là rất quan trọng đối với việc xây dựng một cây QĐ đơn giản, ID3 phụ thuộc rất nhiều vào tiêu chuẩn chọn lựa trắc nghiệm để làm gốc của cây. Để đơn giản, phần này chỉ mô tả giải thuật dùng để xây dựng cây QĐ, với việc giả định một hàm chọn trắc nghiệm thích hợp. Phần kế tiếp sẽ trình bày heuristic chọn lựa của ID3.

Ví dụ, hãy xem xét cách xây dựng cây QĐ của ID3 trong hình sau từ tập ví dụ rèn luyện trong bảng 9.1.

Hình 9.2 - Một phần cây quyết định xây dựng được

Bắt đầu với bảng đầy đủ gồm 14 ví dụ rèn luyện, ID3 chọn thuộc tính quang cảnh để làm thuộc tính gốc sử dụng hàm chọn lựa thuộc tính mô tả trong phần kế tiếp. Trắc nghiệm này phân chia tập ví dụ như cho thấy trong hình 9.2 với phần tử của mỗi phân vùng được liệt kê bởi số thứ tự của chúng trong bảng.

* ID3 xây dựng cây quyết định theo giải thuật sau:

Function induce_tree(tập_ví_dụ, tập_thuộc_tính)

begin

if mọi ví dụ trong tập_ví_dụ đều nằm trong cùng một lớp then

return một nút lá được gán nhãn bởi lớp đó

else iftập_thuộc_tính là rỗng then

return nút lá được gán nhãn bởi tuyển của tất cả các lớp trong tập_ví_dụ

else begin

chọn một thuộc tính P, lấy nó làm gốc cho cây hiện tại;

xóa P ra khỏi tập_thuộc_tính;

với mỗi giá trị V của P

begin

tạo một nhánh của cây gán nhãn V;

Đặt vào phân_vùngV các ví dụ trong tập_ví_dụ có giá trị V tại thuộc tính P;

Gọi induce_tree(phân_vùngV, tập_thuộc_tính), gắn kết quả vào nhánh V

end

end

end

ID3 áp dụng hàm induce_tree một cách đệ quy cho từng phân vùng. Ví dụ, phân vùng của nhánh “Âm u” có các ví dụ toàn dương, hay thuộc lớp ‘Có’, nên ID3 tạo một nút lá với nhãn là lớp ‘Có’. Còn phân vùng của hai nhánh còn lại vừa có ví dụ âm, vừa có ví dụ dương. Nên tiếp tục chọn thuộc tính “Độ ẩm” để làm trắc nghiệm cho nhánh Nắng, và thuộc tính Gió cho nhánh Mưa, vì các ví dụ trong các phân vùng con của các nhánh cây này đều thuộc cùng một lớp, nên giải thuật ID3 kết thúc và ta có được cây QĐ như hình 9.3.

Hình 9.3 - Cây quyết định đã xây dựng xong.

Lưu ý, để phân loại một ví dụ, có khi cây QĐ không cần sử dụng tất cả các thuộc tính đã cho, mặc dù nó vẫn phân loại đúng tất cả các ví dụ.

* Các khả năng có thể có của các phân vùng (partition):

Trong quá trình xây dựng cây QĐ, phân vùng của một nhánh mới có thể có các dạng sau:

• Có các ví dụ thuộc các lớp khác nhau, chẳng hạn như có cả ví dụ âm và dương như phân vùng “Quang cảnh = Nắng” của ví dụ trên => giải thuật phải tiếp tục tách một lần nữa.
• Tất cả các ví dụ đều thuộc cùng một lớp, chẳng hạn như toàn âm hoặc toàn dương như phân vùng “Quang cảnh = Âm u” của ví dụ trên => giải thuật trả về nút lá với nhãn là lớp đó.
• Không còn ví dụ nào => giải thuật trả về mặc nhiên
• Không còn thuộc tính nào => nghĩa là dữ liệu bị nhiễu, khi đó giải thuật phải sử dụng một luật nào đó để xử lý, chẳng hạn như luật đa số (lớp nào có nhiều ví dụ hơn sẽ được dùng để gán nhãn cho nút lá trả về).

Từ các nhận xét này, ta thấy rằng để có một cây QĐ đơn giản, hay một cây có chiều cao là thấp, ta nên chọn một thuộc tính sao cho tạo ra càng nhiều các phân vùng chỉ chứa các ví dụ thuộc cùng một lớp càng tốt. Một phân vùng chỉ có ví dụ thuộc cùng một lớp, ta nói phân vùng đó có tính thuần nhất. Vậy, để chọn thuộc tính kiểm tra có thể giảm thiểu chiều sâu của cây QĐ, ta cần một phép đo để đo tính thuần nhất của các phân vùng, và chọn thuộc tính kiểm tra tạo ra càng nhiều phân vùng thuần nhất càng tốt. ID3 sử dụng lý thuyết thông tin để thực hiện điều này.

Thuộc tính nào là thuộc tính dùng để phân loại tốt nhất?

Quinlan (1983) là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng lý thuyết thông tin để tạo ra các cây quyết định và công trình của ông là cơ sở cho phần trình bày ở đây. Lý thuyết thông tin của Shannon (1948) cung cấp khái niệm entropy để đo tính thuần nhất (hay ngược lại là độ pha trộn) của một tập hợp. Một tập hợp là thuần nhất nếu như tất cả các phần tử của tập hợp đều thuộc cùng một loại, và khi đó ta nói tập hợp này có độ pha trộn là thấp nhất. Trong trường hợp của tập ví dụ, thì tập ví dụ là thuần nhất nếu như tất cả các ví dụ đều có cùng giá trị phân loại.

Khi tập ví dụ là thuần nhất thì có thể nói: ta biết chắc chắn về giá trị phân loại của một ví dụ thuộc tập này, hay ta có lượng thông tin về tập đó là cao nhất. Khi tập ví dụ có độ pha trộn cao nhất, nghĩa là số lượng các ví dụ có cùng giá trị phân loại cho mỗi loại là tương đương nhau, thì khi đó ta không thể đoán chính xác được một ví dụ có thể có giá trị phân loại gì, hay nói khác hơn, lượng thông tin ta có được về tập này là ít nhất. Vậy, điều ta mong muốn ở đây là làm sao chọn thuộc tính để hỏi sao cho có thể chia tập ví dụ ban đầu thành các tập ví dụ thuần nhất càng nhanh càng tốt. Vậy trước hết, ta cần có một phép đo để đo độ thuần nhất của một tập hợp, từ đó mới có thể so sánh tập ví dụ nào thì tốt hơn. Phần kế tiếp sẽ trình bày công thức tính entropy của một tập hợp.

Tìm kiếm không gian giả thuyết trong ID3

Cũng như các phương pháp học quy nạp khác, ID3 cũng tìm kiếm trong một không gian các giả thuyết một giả thuyết phù hợp với tập dữ liệu rèn luyện. Không gian giả thuyết mà ID3 tìm kiếm là một tập hợp các cây quyết định có thể có. ID3 thực hiện một phép tìm kiếm từ đơn giản đến phức tạp, theo giải thuật leo-núi (hill climbing), bắt đầu từ cây rỗng, sau đó dần dần xem xét các giả thuyết phức tạp hơn mà có thể phân loại đúng các ví dụ rèn luyện. Hàm đánh giá được dùng để hướng dẫn tìm kiếm leo núi ở đây là phép đo lượng thông tin thu được.

Hình 9.5 - Không gian tìm kiếm của ID3.Từ cách nhìn ID3 như là một giải thuật tìm kiếm trong không gian các giả thuyết, ta có một số nhận xét như sau:

• Không gian giả thuyết các cây quyết định của ID3 là một không gian đầy đủ các cây quyết định trên các thuộc tính đã cho trong tập rèn luyện. Điều này có nghĩa là không gian mà ID3 tìm kiếm chắc chắn có chứa cây quyết định cần tìm.
• Trong khi tìm kiếm, ID3 chỉ duy trì một giả thuyết hiện tại. Vì vậy, giải thuật này không có khả năng biểu diễn được tất cả các cây quyết định khác nhau có khả năng phân loại đúng dữ liệu hiện có.
• Giải thuật thuần ID3 không có khả năng quay lui trong khi tìm kiếm. Vì vậy, nó có thể gặp phải những hạn chế giống như giải thuật leo núi, đó là hội tụ về cực tiểu địa phương.
• Vì ID3 sử dụng tất cả các ví dụ ở mỗi bước để đưa ra các quyết định dựa trên thống kê, nên kết quả tìm kiếm của ID3 rất ít bị ảnh hưởng bởi một vài dữ liệu sai (hay dữ liệu nhiễu).
• Trong quá trình tìm kiếm, giải thuật ID3 có xu hướng chọn cây quyết định ngắn hơn là những cây quyết định dài. Đây là tính chất thiên lệch quy nạp của ID3.

Đánh giá hiệu suất của cây quyết định:

Một cây quyết định sinh ra bởi ID3 được đánh giá là tốt nếu như cây này có khả năng phân loại đúng được các trường hợp hay ví dụ sẽ gặp trong tương lai, hay cụ thể hơn là có khả năng phân loại đúng các ví dụ không nằm trong tập dữ liệu rèn luyện.

Để đánh giá hiệu suất của một cây quyết định người ta thường sử dụng một tập ví dụ tách rời, tập này khác với tập dữ liệu rèn luyện, để đánh giá khả năng phân loại của cây trên các ví dụ của tập này. Tập dữ liệu này gọi là tập kiểm tra (validation set). Thông thường, tập dữ liệu sẵn có sẽ được chia thành hai tập: tập rèn luyện thường chiếm 2/3 số ví dụ và tập kiểm tra chiếm 1/3.

Chuyển cây về các luật

Thông thường, cây quyết định sẽ được chuyển về dạng các luật để thuận tiện cho việc cài đặt và sử dụng. Ví dụ cây quyết định cho tập dữ liệu rèn luyện trong bảng 9.1 có thể được chuyển thành một số luật như sau :

If (Quang-cảnh =nắng) ∧ (Độ ẩm = Cao) Then Chơi-Tennis = No

If (Quang-cảnh =nắng) ∧ (Độ ẩm = TB) Then Chơi-Tennis = Yes

If (Quang-cảnh =Âm u) Then Chơi-Tennis = Yes

…

Khi nào nên sử dụng ID3

Giải thuật ID3 là một giải thuật học đơn giản nhưng nó chỉ phù hợp với một lớp các bài toán hay vấn đề có thể biểu diễn bằng ký hiệu. Chính vì vậy, giải thuật này thuộc tiếp cận giải quyết vấn đề dựa trên ký hiệu (symbol – based approach).

Tập dữ liệu rèn luyện ở đây bao gồm các ví dụ được mô tả bằng các cặp “Thuộc tính – giá trị”, như trong ví dụ ‘Chơi tennis’ trình bày trong suốt chương này, đó là ‘Gió – mạnh’, hay ‘Gió – nhẹ’,… và mỗi ví dụ đều có một thuộc tính phân loại, ví dụ như ‘chơi_tennis’, thuộc tính này phải có giá trị rời rạc, như có, không.

Tuy nhiên, khác với một số giải thuật khác cũng thuộc tiếp cận này, ID3 sử dụng các ví dụ rèn luyện ở dạng xác suất nên nó có ưu điểm là ít bị ảnh hưởng bởi một vài dữ liệu nhiễu. Vì vậy, tập dữ liệu rèn luyện ở đây có thể chứa lỗi hoặc có thể thiếu một vài giá trị ở một số thuộc tính nào đó. Một giải pháp thường được áp dụng đối với các dữ liệu bị thiếu là sử dụng luật đa số, chương trình tiền xử lý dữ liệu sẽ điền vào các vị trí còn trống giá trị có tần số xuất hiện cao nhất của thuộc tính đó.

Bên cạnh các vấn đề cơ bản được trình bày trong phần này, ID3 còn được thảo luận nhiều vấn đề liên quan như làm sao để tránh cho cây quyết định không bị ảnh hưởng quá nhiều (overfitting) vào dữ liệu rèn luyện, để nó có thể tổng quát hơn, phân loại đúng được cho các trường hợp chưa gặp. Có nhiều giải pháp đã được đưa ra như cắt tỉa lại cây quyết định sau khi học, hoặc cắt tỉa các luật sau khi chuyển cây về dạng luật. Một vấn đề khác nữa đó là nếu như một vài thuộc tính nào đó có giá trị liên tục thì sao. Giải quyết các vấn đề này dẫn đến việc sinh ra nhiều thế hệ sau của ID3, một giải thuật nổi bật trong số đó là C4.5 (Quinlan 1996). Ngoài ra, một số kỹ thuật được tạo ra để thao tác trên dữ liệu nhằm tạo ra các cây quyết định khác nhau trên cùng tập dữ liệu rèn luyện đã cho như kỹ thuật bagging and boosting.