درخت تصمیم
درخت تصمیم‌گیری (Decision Tree) یک ابزار برای پشتیبانی از تصمیم است که از درخت‌ها برای مدل کردن استفاده می‌کند. درخت تصمیم به‌طور معمول در تحقیق‌ها و عملیات مختلف استفاده می‌شود. به‌طور خاص در آنالیز تصمیم، برای مشخص کردن استراتژی که با بیشترین احتمال به هدف برسد بکار می‌رود. استفاده دیگر درختان تصمیم، توصیف محاسبات احتمال شرطی است.
در آنالیز تصمیم، یک درخت تصمیم به عنوان ابزاری برای به تصویر کشیدن و آنالیز تصمیم، در جایی که مقادیر مورد انتظار از رقابت‌ها متناوباً محاسبه می‌شود، استفاده می‌گردد. یک درخت تصمیم دارای سه نوع گره‌است:
۱-گره تصمیم: به‌طور معمول با مربع نشان داده می‌شود.
۲-گره تصادفی: با دایره مشخص می‌شود.
۳-گره پایانی: با مثلث مشخص می‌شود.
یک درخت تصمیم می‌تواند خیلی فشرده در قالب یک دیاگرام، توجه را بر روی مسئله و رابطه بین رویدادها جلب کند.
مربع نشان دهنده تصمیم‌گیری، بیضی نشان دهنده فعالیت، و لوزی نشان دهنده نتیجه‌است.
درخت تصمیم، دیاگرام تصمیم و ابزارها و روش‌های دیگر مربوط به آنالیز تصمیم به دانشجویان دوره لیسانس در مدارس تجاری و اقتصادی و سلامت عمومی و تحقیق در عملیات و علوم مدیریت، آموخته می‌شود.
یکی دیگر از موارد استفاده از درخت تصمیم، در علم داده‌کاوی برای classification است.
مجموع داده‌ها را با formula_1 نمایش می‌دهیم، یعنی formula_2، به قسمی که formula_3 و formula_4. درخت تصمیم‌گیری سعی می‌کند به صورت بازگشتی داده‌ها را به قسمی از هم جدا کند که در هر گِرِه متغیرهای مستقلِ formula_5 به هم نزدیک شده همسان شوند. هر گِره زیر مجموعه ای از داده هاست که به صورت بازگشتی ساخته شده‌است. به‌طور دقیقتر در گره formula_6 اگر داده ما formula_7 باشد سعی میکنیم یک بُعد از متغیرهایی وابسته را به همراه یک آستانه انتخاب کنیم و داده‌ها را برحسب این بُعد و آستانه به دو نیم تقسیم کنیم، به قسمی که بطور متوسط در هر دو نیم متغیرهای مستقل یا formula_5 خیلی به هم نزدیک و همسان شده باشند. این بعد و آستانه را formula_9 می‌نامیم. دامنه formula_10 برابر است با formula_11 و formula_12 یک عدد صحیح است. formula_7 برحسب formula_9 به دو بخش formula_15 و formula_16 به شکل پایین تقسیم می‌شود:
formula_17
حال سؤال اینجاست که کدام بُعد از متغیرهای وابسته و چه آستانه‌ای را باید انتخاب کرد. به زبان ریاضی باید آن formula_18یی را انتخاب کرد که ناخالصی داده را کم کند. ناخالصی برحسب نوع مسئله تعریفی متفاوت خواهد داشت، مثلا اگر مسئله یک دسته‌بندی دوگانه است، ناخالصی می‌تواند آنتراپی داده باشد، کمترین ناخالصی زمانی است که هم formula_16 و هم formula_15 از یک دسته داشته باشند، یعنی در هر کدام از این دو گِرِه دو نوع دسته وجود نداشته باشد. برای رگرسیون این ناخالصی می‌تواند واریانس متغیر وابسته باشد. از آنجا که مقدار داده در formula_15 و formula_16 با هم متفاوت است میانگینی وزن‌دار از هر دو ناخالصی را به شکل پایین محاسبه می‌کنیم. در این معادله formula_23، formula_24 و formula_25:
formula_26
هدف در اینجا پیدا کردن آن formula_18 یی است که ناخالصی را کمینه کند، یعنی formula_28. حال همین کار را به صورت بازگشتی برای formula_15 و formula_16 انجام می‌دهیم. بعضی از گره‌ها را باید به برگ تبدیل کنیم، معیاری که برای تبدیل یک گره به برگ از آن استفاده می‌کنیم می‌تواند مقداری حداقلی برای formula_31 (تعداد داده در یک گره) و یا عمق درخت باشد به قسمی که اگر با دو نیم کردن گِره یکی از معیارها عوض شود، گِره را به دو نیم نکرده آن را تبدیل به یک برگ میکنیم. معمولاً این دو پارامتر باعث تنظیم مدل (Regularization) می‌شوند. در ابتدای کار گره شامل تمام داده‌ها می‌شود یعنی formula_32.
اگر مسئله ما دسته‌بندی باشد و formula_33 باشد تابع ناخالصی برای گره formula_7 می‌تواند یکی از موارد پایین باشد، در این معادله‌ها formula_35:
ناخالصی گینی: formula_36
ناخالصی آنتروپی: formula_37
ناخالصی خطا: formula_38
در مسئله رگرسیون ناخالصی می‌تواند یکی از موارد پایین باشد:
میانگین خطای مربعات:
formula_39
میانگین خطای قدر مطلق:
formula_40
در میان ابزارهای پشتیبانی تصمیم، درخت تصمیم و دیاگرام تصمیم دارای مزایای زیر هستند:
۱- فهم ساده: هر انسان با اندکی مطالعه و آموزش می‌تواند، طریقه کار با درخت تصمیم را بیاموزد.
۲- کار کردن با داده‌های بزرگ و پیچیده: درخت تصمیم در عین سادگی می‌تواند با داده‌های پیچیده به راحتی کار کند و از روی آن‌ها تصمیم بسازد.
۳-استفاده مجدد آسان: در صورتی که درخت تصمیم برای یک مسئله ساخته شد، نمونه‌های مختلف از آن مسئله را می‌توان با آن درخت تصمیم محاسبه کرد.
۴- قابلیت ترکیب با روش‌های دیگر: نتیجه درخت تصمیم را می‌توان با تکنیک‌های تصمیم‌سازی دیگر ترکیب کرده و نتایج بهتری بدست آورد.
۱- مشکل استفاده از درخت‌های تصمیم آن است که به صورت نمایی با بزرگ شدن مسئله بزرگ می‌شوند. ۲- اکثر درخت‌های تصمیم تنها از یک ویژگی برای شاخه زدن در گره‌ها استفاده می‌کنند در صورتی که ممکن است ویژگی‌ها دارای توزیع توأم باشند. ۳- ساخت درخت تصمیم در برنامه‌های داده کاوی حافظه زیادی را مصرف می‌کند زیرا برای هر گره باید معیار کارایی برای ویژگی‌های مختلف را ذخیره کند تا بتواند بهترین ویژگی را انتخاب کند.درخت تصمیم در بهینه‌سازی مشارکت اوراق بهادار مورد استفاده قرار گیرد. مثال زیر اوراق بهادار ۷ طرح مختلف را نشان می‌دهد. شرکت ۱۰۰۰۰۰۰۰۰ برای کل سرمایه‌گذاری‌ها دارد. خطوط پر رنگ نشان دهنده بهترین انتخاب است که موارد ۱، ۳، ۵، ۶ و۷ را در بر می‌گیرد و هزینه‌ای برابر ۹۷۵۰۰۰۰ دارد و سودی برابر ۱۶۱۷۵۰۰۰ برای شرکت فراهم می‌کند. مابقی حالات یا سود کمتری دارد یا هزینه بیشتری می‌طلبد.
در بازی بیست سؤالی، بازیکن باید یک درخت تصمیم در ذهن خود بسازد که به خوبی موارد را از هم جدا کند تا با کمترین سؤال به جواب برسد. در صورتی بازیکن به جواب می‌رسد که درخت ساخته شده بتواند به خوبی موارد را از هم جدا کند.