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의사결정나무

ADsP (데이터분석 준전문가) · 분류분석 · 약 14분

쉽게 말하면

스무고개처럼 질문을 이어 가며 답을 좁히는 모형이에요. '나이 30 이상?' → '소득 5천 이상?' 같은 질문을 따라 내려가면 맨 끝에서 '구매함/안 함'이 나와요. 질문을 고를 때는 나눈 뒤 각 무리가 최대한 한쪽 답으로 몰리도록(순수해지도록) 골라요.

시험용 정의

의사결정나무는 독립변수의 조건으로 데이터를 반복해서 나누어 나무 구조의 규칙을 만드는 지도학습 모형이다. 맨 위 뿌리마디에서 시작해 중간마디를 거쳐 더 나누지 않는 끝마디(잎)에서 결과를 낸다. 목표변수가 범주형이면 분류나무, 연속형이면 회귀나무다. 각 마디에서는 나눈 뒤 자식마디의 불순도가 가장 많이 줄어드는 변수와 기준값을 고른다. 분류나무의 기준은 지니 지수(1 - Σp²), 엔트로피 지수(-Σ p log₂p), 카이제곱 통계량의 p값이고, 회귀나무의 기준은 F 통계량의 p값과 분산 감소량이다. 너무 깊이 자라면 과대적합되므로 정지 규칙과 가지치기를 쓴다.

비유로 이해하기

택배 분류 센터다. 첫 컨베이어에서 '수도권이냐'로 나누고, 다음에 '서울이냐'로 나누는 식으로 상자를 점점 순수한 무리로 만든다. 질문을 너무 잘게 만들어 상자 하나마다 레일을 따로 깔면(과대적합) 새 상자가 오면 갈 곳을 못 찾는다. 쓸모없는 레일을 걷어 내는 것이 가지치기다.

자세히

먼저 알아 둘 말

말뜻
뿌리마디나무 맨 위, 전체 데이터
부모·자식마디나뉘기 전 마디와 나뉜 뒤 마디
끝마디 (잎)더 나누지 않는 마디. 여기서 분류 결과가 정해진다
불순도한 마디 안에 여러 범주가 섞인 정도. 반대말은 순수도
깊이뿌리에서 끝마디까지 거친 층 수

분리 기준

나무기준좋은 방향알고리즘
분류나무지니 지수작아지게CART
분류나무엔트로피 지수 (정보이득)작아지게 (정보이득은 커지게)C4.5, C5.0
분류나무카이제곱 통계량의 p값작아지게CHAID
회귀나무F 통계량의 p값작아지게CHAID
회귀나무분산 감소량커지게CART

지니와 엔트로피 값

마디 구성 (A : B)지니엔트로피
10 : 0 (순수)00
8 : 20.320.72
6 : 40.480.97
5 : 5 (가장 섞임)0.51

멈추기와 다듬기

  • 정지 규칙: 더 나눠도 불순도가 거의 줄지 않을 때, 마디의 관측치가 최소 개수 이하일 때, 최대 깊이에 이르렀을 때 멈춘다. 정보이득이 임계값을 '넘으면' 멈추는 것이 아니라 '못 미치면' 멈춘다
  • 가지치기: 다 키운 뒤 일반화에 도움이 안 되는 가지를 잘라 낸다. 검증 데이터 성능은 좋아지지만 훈련 데이터 정확도는 떨어질 수 있다
  • 아래로 내려갈수록 불순도는 줄어든다

장점과 단점

장점단점
규칙으로 읽혀 해석이 쉽다데이터가 조금만 바뀌어도 구조가 크게 바뀐다 (불안정)
정규성 같은 분포 가정이 필요 없다 (비모수)경계 근처에서 오차가 크고 예측이 계단처럼 끊긴다
중요한 변수를 스스로 고른다변수끼리의 중요도를 정확히 비교하기 어렵다
이상값에 덜 민감, 범주형·연속형 모두 사용깊게 자라면 과대적합. 훈련 정확도 100% 가 '항상' 되는 것은 아니다

시험에 이렇게 나와요

확인 문제

Q1. 한 마디에 A 범주 6개, B 범주 4개가 있다. 지니 지수는?

  1. 0.24
  2. 0.48
  3. 0.5
  4. 0.6
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2번 0.48

지니 = 1 - (0.6² + 0.4²) = 1 - (0.36 + 0.16) = 0.48. 반반(0.5)에 가까울수록 섞여 있다.

Q2. A 8개, B 2개인 마디의 지니 지수는?

  1. 0.16
  2. 0.2
  3. 0.32
  4. 0.64
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3번 0.32

1 - (0.8² + 0.2²) = 1 - 0.68 = 0.32.

Q3. 분류나무의 분리 기준으로 쓰기 어려운 것은?

  1. 엔트로피 지수
  2. 지니 지수
  3. 잔차 제곱합
  4. 카이제곱 통계량
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3번 잔차 제곱합

잔차 제곱합(분산)은 회귀나무 쪽 기준이다.

Q4. 가지치기의 목적으로 알맞은 것은?

  1. 변수 수를 늘린다
  2. 훈련 데이터 정확도를 100% 로 만든다
  3. 과대적합을 막아 일반화 성능을 높인다
  4. 나무를 더 깊게 만든다
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3번 과대적합을 막아 일반화 성능을 높인다

필요 없는 가지를 잘라 새 데이터에 잘 맞게 한다.

Q5. 엔트로피 지수를 분리 기준으로 쓰는 알고리즘은?

  1. CHAID
  2. Apriori
  3. k-평균
  4. C4.5
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4번 C4.5

C4.5·C5.0 은 엔트로피(정보이득), CART 는 지니, CHAID 는 카이제곱.

Q6. 의사결정나무의 단점은?

  1. 결과를 해석하기 어렵다
  2. 데이터가 조금 바뀌어도 구조가 크게 바뀔 수 있다
  3. 정규분포 가정이 꼭 필요하다
  4. 범주형 변수를 쓸 수 없다
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2번 데이터가 조금 바뀌어도 구조가 크게 바뀔 수 있다

불안정성이 대표적인 단점이다. 그래서 앙상블로 보완한다.

Q7. 마디 분리 기준에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 지니 지수가 최대가 되는 방향으로 분리한다
  2. 분산 감소량이 커지는 방향으로 분리한다
  3. 엔트로피가 작아지는 방향으로 분리한다
  4. 카이제곱 p값이 작아지는 방향으로 분리한다
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1번 지니 지수가 최대가 되는 방향으로 분리한다

지니는 불순도라 작아지는 방향이다.

헷갈리기 쉬운 O·X

지니 지수가 낮아질수록 노드의 불순도는 높아진다.

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X 지니 지수가 곧 불순도다. 낮을수록 순수하다.

한 범주만 있는 마디의 지니 지수와 엔트로피는 모두 0 이다.

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O

분할로 얻는 정보이득이 임계값을 초과하면 성장을 멈춘다.

정답 보기

X 이득이 임계값에 못 미칠 때 멈춘다.

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