決定木とは

決定木（Decision Tree）は、機械学習における教師あり学習アルゴリズムの一つであり、分類問題や回帰問題を解くために用いられます。※決定木は”けっていぎ”と呼びます。

決定木は、樹木状の構造を持ち、データの特徴に基づいて分岐を繰り返すことで、最終的な予測結果を導き出します。

決定木の構造

決定木は、以下の要素で構成されます。

• 根ノード（Root Node）:　決定木の最上位に位置し、全てのデータを含むノードです。
• 内部ノード（Internal Node）:　特徴量に基づく条件分岐を表すノードです。
• 葉ノード（Leaf Node）:　最終的な予測結果を表すノードです。
• 枝（Branch）:　ノード間の接続を表し、条件分岐の結果を示します。

決定木の学習

決定木の学習では、以下の手順で最適な木構造を構築します。

1. 特徴量の選択:　情報エントロピーやジニ不純度などの指標を用いて、最も予測に貢献する特徴量を選択します。
2. 条件分岐の決定:　選択された特徴量に基づいて、データを分割する最適な条件を決定します。
3. ノードの分割:　決定された条件に基づいて、ノードを分割し、子ノードを生成します。
4. 再帰的な処理:　全ての子ノードに対して、上記の処理を再帰的に繰り返します。
5. 葉ノードの決定:　分割が停止する条件（例：葉ノードのデータ数が閾値以下）を満たした場合、葉ノードを生成し、予測結果を決定します。

決定木の利点

決定木は、以下の利点を持ちます。

• 解釈性の高さ:　樹木状の構造により、予測結果の根拠を視覚的に理解しやすい。
• 非線形なデータへの対応:　複雑な非線形なデータに対しても、高い予測精度を発揮します。
• 特徴量の重要度評価:　どの特徴量が予測に貢献しているかを評価できます。

決定木の課題

一方で、決定木には以下の課題も存在します。

• 過学習（Overfitting）:　学習データに過剰に適合し、未知のデータに対する予測精度が低下する可能性があります。
• 不安定性:　学習データのわずかな変化によって、木構造が大きく変化することがあります。

決定木の応用

決定木は、以下の分野で広く応用されています。

• 分類問題:　顧客の購買予測、疾患の診断、スパムメールの判定など
• 回帰問題:　不動産価格の予測、株価の予測など
• 特徴量選択:　予測に貢献する重要な特徴量の選択

決定木の種類

決定木には、様々な種類が存在します。

• ID3:　情報エントロピーを用いて、特徴量を選択します。
• C4.5:　情報ゲイン比を用いて、特徴量を選択します。
• CART（Classification and Regression Trees）:　ジニ不純度を用いて、分類木と回帰木を構築します。
• ランダムフォレスト（Random Forest）:　複数の決定木を組み合わせることで、予測精度と安定性を向上させます。
• 勾配ブースティング決定木（Gradient Boosting Decision Tree）:　複数の決定木を逐次的に学習することで、予測精度を向上させます。

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