Algoritmo de bosque aleatorio | Introducción a Random Forest

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alienvshuman

Con el aumento de la potencia computacional, ahora podemos seleccionar algoritmos que realicen cálculos muy intensivos. Uno de esos algoritmos es el «Bosque aleatorio», del que hablaremos en este post. Aunque el algoritmo es muy popular en varias competiciones (a modo de ejemplo, las que se ejecutan en Kaggle), el resultado final del modelo es como una caja negra y, por eso, debe usarse con prudencia.

Antes de continuar, aquí hay un ejemplo sobre la relevancia de seleccionar el mejor algoritmo.

Relevancia de seleccionar el algoritmo correcto

Ayer vi una película llamada » La era de El Mañana“. Me encantó el concepto y el procedimiento de pensamiento que estaba detrás de la trama de esta película. Permítanme resumir la trama (sin comentar el clímax, claro). A diferencia de otras películas de ciencia ficción, esta película gira en torno a un solo poder que se otorga a ambos lados (héroe y villano). El poder es la capacidad de reiniciar el día.

La raza humana está en guerra con una especie exótica llamada «Mimics». Mimic se describe como una civilización mucho más evolucionada de una especie exótica. Toda la civilización Mimic es como un solo organismo completo. Tiene un cerebro central llamado «Omega» que controla a todos los demás organismos de la civilización. Permanece en contacto con todas las demás especies de la civilización cada segundo. “Alpha” es la principal especie guerrera (como el sistema nervioso) de esta civilización y toma el mando de “Omega”. «Omega» tiene el poder de reiniciar el día en cualquier momento.

Ahora, usemos el sombrero de un analista predictivo para analizar esta trama. Si un sistema tiene la capacidad de reiniciar el día en cualquier momento, usará este poder siempre que muera alguna de sus especies guerreras. Y, por eso, no habrá una guerra única, cuando cualquiera de las especies guerreras (alfa) verdaderamente morirá, y el cerebro «Omega» probará repetidamente el mejor escenario para maximizar la muerte de la raza humana y limitar el número de muertes de alfa (especies guerreras) a cero todos los días. Puede imaginarse esto como «EL MEJOR» algoritmo predictivo jamás creado. Es literalmente imposible derrotar a tal algoritmo.

Volvamos ahora a «Bosques aleatorios» usando un estudio de caso.

Caso de estudio

A continuación se muestra una distribución de los ingresos anuales Gini Coeficientes en diferentes países:

desigualdad_de_seguridad_de_oecd_2013_2

México tiene el segundo coeficiente de Gini más alto y, por eso, dispone de una segregación muy alta en el ingreso anual de ricos y pobres. Nuestra tarea es crear un algoritmo predictivo preciso para estimar el nivel de ingresos anual de cada individuo en México. Los tramos de ingresos son los siguientes:

1. Menos de $ 40,000

2. $ 40 000 – 150 000

3. Más de $ 150 000

A continuación se muestra la información disponible para cada individuo:

1. Edad, 2. Género, 3. Calificación educativa más alta, 4. Trabajar en la industria, 5. Residencia en Metro / No metro

Necesitamos idear un algoritmo para dar una predicción precisa para un individuo que tiene los siguientes rasgos:

1. Edad: 35 años, 2, Género: Masculino, 3. Calificación educativa más alta: Diplomado, 4. Industria: Manufactura, 5. Residencia: Metro

Solo hablaremos de bosque aleatorio para hacer esta predicción en este post.

El algoritmo de Random Forest

El bosque aleatorio es como un algoritmo de arranque con el modelo de árbol de decisión (CART). Digamos que tenemos 1000 observaciones en la población completa con 10 variables. El bosque aleatorio intenta construir múltiples modelos CART con diferentes muestras y diferentes variables iniciales. A modo de ejemplo, se necesitará una muestra aleatoria de 100 observaciones y 5 variables iniciales elegidas al azar para construir un modelo CART. Repetirá el procedimiento (digamos) 10 veces y posteriormente hará una predicción final en cada observación. El pronóstico final es una función de cada predicción. Esta predicción final puede ser simplemente la media de cada predicción.

Volver al estudio de caso

Descargo de responsabilidad: los números de este post son ilustrativos

México dispone de una población de 118 MM. Digamos que el algoritmo Random Forest recoge 10k de observaciones con solo una variable (para simplificar) para construir cada modelo CART. En total, estamos viendo el modelo de 5 CART que se está construyendo con diferentes variables. En un obstáculo de la vida real, tendrá más muestras de población y diferentes combinaciones de variables de entrada.

Bandas salariales:

Banda 1: Menos de $ 40,000

Banda 2: $ 40 000 – 150 000

Banda 3: más de $ 150,000

A continuación se muestran los resultados de los 5 modelos CART diferentes.

CARRITO 1: Edad variable

rf1

CARRITO 2: Género variable

rf2

CARRITO 3: Educación variable

rf3

CARRITO 4: Residencia variable

rf4

CARRITO 5: Industria variable

rf5

Usando estos 5 modelos CART, necesitamos llegar a un único conjunto de probabilidad para pertenecer a cada una de las clases salariales. Para simplificar, solo tomaremos una media de probabilidades en este estudio de caso. Aparte de la media simple, además consideramos el método de voto para llegar a el pronóstico final. Para llegar a el pronóstico final, ubiquemos el siguiente perfil en cada modelo CART:

1. Edad: 35 años, 2, Género: Masculino, 3. Calificación educativa más alta: Diplomado, 4. Industria: Manufactura, 5. Residencia: Metro

Para cada uno de estos modelos CART, a continuación se muestra la distribución entre las bandas salariales:

DF

La probabilidad final es simplemente el promedio de la probabilidad en las mismas bandas salariales en diferentes modelos CART. Como puede ver en este análisis, hay un 70% de posibilidades de que este individuo caiga en la clase 1 (menos de $ 40,000) y alrededor del 24% de posibilidades de que el individuo caiga en la clase 2.

Notas finales

El bosque aleatorio proporciona predicciones mucho más precisas en comparación con los modelos simples CART / CHAID o de regresión en muchos escenarios. Estos casos de forma general disponen un gran número de variables predictivas y un tamaño de muestra enorme. Esto se debe a que captura la varianza de varias variables de entrada al mismo tiempo y posibilita que un gran número de observaciones participen en el pronóstico. En algunos de los próximos posts, hablaremos más sobre el algoritmo con más detalle y hablaremos acerca de cómo construir un bosque aleatorio simple en R.

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