信息增益的基本概念

当我们需要对一个随机事件的概率分布进行预测时，我们的预测应当满足全部已知的条件，而对未知的情况不要做任何主观假设。在这种情况下，概率分布最均匀，预测的风险最小。因为这时概率分布的信息熵最大，所以称之为“最大熵法”。最大熵法在数学形式上很漂亮，但是实现起来比较复杂，但把它运用于金融领域的诱惑也比较大，比如说决定股票涨落的因素可能有几十甚至上百种，而最大熵方法恰恰能找到一个同时满足成千上万种不同条件的模型。

这里我们先不讨论算法（这里用的是ID3/C4.5），把一棵决策树建立起来再说。我们要建立的决策树的形式类似于“如果天气怎么样，去玩；否则，怎么着怎么着”的树形分叉。那么问题是用哪个属性（即变量，如天气、温度、湿度和风力）最适合充当这颗树的根节点，在它上面没有其他节点，其他的属性都是它的后续节点。借用信息论的概念，我们用一个统计量，“信息增益”（Information Gain）来衡量一个属性区分以上数据样本的能力。信息增益量越大，这个属性作为一棵树的根节点就能使这棵树更简洁，比如说一棵树可以这么读成，如果风力弱，就去玩；风力强，再按天气、温度等分情况讨论，此时用风力作为这棵树的根节点就很有价值。如果说，风力弱，再又天气晴朗，就去玩；如果风力强，再又怎么怎么分情况讨论，这棵树相比就不够简洁了。计算信息增益的公式需要用到“熵”（Entropy）。名词越来越多，让我们通过手工计算记住它们的计算方法，把Excel打开：

1 计算熵

我们检查的属性是是否出去玩。用Excel对上面数据的play变量的各个取值排个序（这个工作簿里把“play”这个词去掉），一共是14条记录，你能数出取值为yes的记录有9个，取值为no的有5个，我们说这个样本里有9个正例，5 个负例，记为S(9+,5-)，S是样本的意思(Sample)。这里熵记为Entropy(S),计算公式为：

Entropy(S)= -(9/14)*log(9/14)-(5/14)*log(5/14)

解释一下，9/14是正例的个数与总记录之比，同样5/14是负例占总记录的比例。log(.)是以2为底的对数（我们知道以e为底的对数称为自然对数，记为ln(.),lg(.)表示以10为底的对数）。在Excel里我们可以随便找一个空白的单元格，键入以下公式即得0.940：

=-(9/14)*LOG(9/14,2)-(5/14)*LOG(5/14,2)
这里LOG(9/14,2)中的“2”表示以2为底。类似地，如果你习惯用Matlab做数学运算本，公式为

-(9/14)*log2(9/14)-(5/14)*log2(5/14)

其中“2”的含义与上同。

总结：在这个例子中，我们的输出属性（我们要检查的属性）“play”只有两个取值，同样地，如果输出属性的取值大于2，公式是对成的，一样的形式，连加就是，找到各个取值的个数，求出各自的比例。如果样本具有二元输出属性，其熵的公式为

Entropy(S) =-(p+)*log(p+)-(p-)*log(p-)

其中，p+、p-分别为正例和负例占总记录的比例。输出属性取值大于2的情况，公式是对称的。

2 分别以Wind、Humidity、Outlook和Temperature作为根节点，计算其信息增益

可以数得，属性Wind中取值为Weak的记录有Normal的记录有8条，其中正例6个，负例2个；同样，取值为Strong的记录6个，正例负例个3个。我们可以计算相应的熵为：

Entropy(Weak)=-(6/8)*log(6/8)-(2/8)*log(2/8)=0.811

Entropy(Strong)=-(3/6)*log(3/6)-(3/6)*log(3/6)=1.0

现在就可以计算出相应的信息增益了：

Gain(Wind)=Entropy(S)-(8/14)*Entropy(Weak)-(6/14)*Entropy(Strong)=0.940-(8/14)*0.811-(6/14)*1.0=0.048

这个公式的奥秘在于，8/14是属性Wind取值为Weak的个数占总记录的比例，同样6/14是其取值为Strong的记录个数与总记录数之比。

同理，如果以Humidity作为根节点：

Entropy(High)=0.985 ; Entropy(Normal)=0.592

Gain(Humidity)=0.940-(7/14)*Entropy(High)-(7/14)*Entropy(Normal)=0.151

以Outlook作为根节点：

Entropy(Sunny)=0.971 ; Entropy(Overcast)=0.0 ; Entropy(Rain)=0.971

Gain(Outlook)=0.940-(5/14)*Entropy(Sunny)-(4/14)*Entropy(Overcast)-(5/14)*Entropy(Rain)=0.247

以Temperature作为根节点：

Entropy(Cool)=0.811 ; Entropy(Hot)=1.0 ; Entropy(Mild)=0.918

Gain(Temperature)=0.940-(4/14)*Entropy(Cool)-(4/14)*Entropy(Hot)-(6/14)*Entropy(Mild)=0.029

这样我们就得到了以上四个属性相应的信息增益值：

Gain(Wind)=0.048 ；Gain(Humidity)=0.151 ； Gain(Outlook)=0.247 ；Gain(Temperature)=0.029

最后按照信息增益最大的原则选Outlook为根节点。子节点重复上面的步骤。这颗树可以是这样的，它读起来就跟你认为的那样。