4.6 应用实例

4.6.1 香农熵的计算

在学习决策树时，最重要的步骤是构建决策树。其中，最重要的步骤是根据属性划分数据集，其中先使用哪个属性，后使用哪个属性，是决定决策树构建的好坏的重要标准。其中，使用属性构建数据集，最重要的参考标准，就是使划分后的信息增益最大。
这里就使用到一个概念：香农熵。熵表示随机变量不确定性，即混乱程度的量化指标。熵越大，不确定性越大，越无序；越小，确定性越大，越有序。同理，一条信息的信息量大小，与不确定性直接相关。不确定性越大，信息量越大，熵越大；确定性越大，信息量越小，熵越小。
熵的单位是bit。不计算信息量等，直接存储一个文件，需要的是正常的存储空间大小。通过压缩算法，仅保留有用信息的情况下，存储的是文件的信息量。两者数量上的差距，是冗余度。由此可见：冗余度越大，可压缩的空间越大。反之，亦然。
香农熵的计算公式为：

香农熵计算公式

注意公式的负号，P(x)表示随机变量某个取值的概率。通过SciPy中stats模块里entropy()，可以计算出每种元素的香农熵，示例代码：

from scipy import statsshannon_entropy = stats.entropy(ij/sum(ij), base=None)print(shannon_entropy)

4.6.2 二项分布

二项分布是最重要的离散概率分布之一。假设有一种只有两个结果的试验，其成功概率为p，那么二项分布描述了进行n次这样的独立试验，成功k次的概率。二项分布的概率质量函数公式如下：
f(k;n,p) = (n! / k!(n-k)!)p^k(1-p)^n-k

例如，可以通过二项分布的概率质量公式计算投掷5次骰子出现3次6的概率。投掷一次骰子，点数为6的概率（即试验成功的概率）为p=1/6，试验次数为5。使用二项分布的概率质量函数pmf()可以很容易计算出现k次6点的概率。和概率密度函数pdf()类似，pmf()的第一个参数为随机变量的取值，后面的参数为描述随机分布所需的参数。对于二项分布来说，参数分别为n和p，而取值范围则为0到n之间的整数。下面的程序计算k为0到6时对应的概率，示例代码：

from scipy import statsstats.binom.pmf(range(6), 5, 1/6.0)

运行结果：

array([  4.01877572e-01,   4.01877572e-01,   1.60751029e-01,         3.21502058e-02,   3.21502058e-03,   1.28600823e-04])

由结果可知：出现0或1次6点的概率为40.2%，而出现3次6点的概率为3.215%。

4.6.3 泊松分布

在二项分布中，如果试验次数n很大，而每次试验成功的概率p很小，乘积np比较适中，那么试验成功次数的概率可以用泊松分布近似描述。
泊松分布适合描述单位时间内随机事件发生的次数的分布情况。在泊松分布中使用λ描述单位时间（或单位面积）中随机事件的平均发生率。如果将二项分布中的试验次数n看作单位时间中所做的试验次数，那么它和事件出现的概率p的乘积就是事件的平均发生率λ，即λ = n p。泊松分布的概率质量函数公式如下：
f(k;λ) = e^-λλ^k / k!

下面的程序分别计算二项分布和泊松分布的概率质量函数，程序中的事件平均发生率λ恒等于10。根据二项分布的试验次数n，计算每次事件出现的概率p=λ/n。示例代码：

import numpy as npfrom scipy import statslambda_ = 10.0x = np.arange(20)n1, n2 = 100, 1000y_binom_n1 = stats.binom.pmf(x, n1, lambda_/n1)y_binom_n2 = stats.binom.pmf(x, n2, lambda_/n2)y_poisson = stats.poisson.pmf(x, lambda_)print(np.max(np.abs(y_binom_n1 - y_poisson)))print(np.max(np.abs(y_binom_n2 - y_poisson)))

运行结果：

0.006755311103350.000630175404978

由结果可知，随着试验次数的增大，二项分布与泊松分布分别求得的概率误差越来越小。
当试验次数n=100时，绘图代码：

import pylab as plpl.plot(x,y_binom_n1, color="green",label = "binom")pl.plot(x,y_poisson , color="yellow",label = "poisson")pl.legend(loc = "best")pl.show()

绘图结果：

n=100

当n=1000时，绘图代码：

import pylab as plpl.plot(x,y_binom_n2, color="green",label = "binom")pl.plot(x,y_poisson , color="yellow",label = "poisson")pl.legend(loc = "best")pl.show()

绘图结果：

n=1000

同样的，由以上两图对比可知，当n足够大时，二项分布和泊松分布二者十分接近。

t分布和t检验

统计检测是决策指示。例如，我们有两个样本集，我们假设它们由高斯过程生成。我们可以使用T检验来决定是否两个样本值显著不同：

a = np.random.normal(0, 1, size=100)b = np.random.normal(1, 1, size=10)stats.ttest_ind(a, b)

运行结果

 (array(-2.4119199601156796), 0.01755485116571583)

输出结果由以下部分组成：
T统计量：它是这么一种标志，与不同两个随机过程之间成比例并且幅度和差异的显著程度有关。p值：两个过程相同的概率。如果接近1,这两个过程是几乎完全相同的。越靠近零，两个过程越可能有不同的均值。