Drzewo decyzyjne jest narzędziem wspomagania podejmowanie decyzji, które wykorzystuje drzewo podobny model decyzyjny i jego możliwe konsekwencji, w tym przypadkowych skutki, koszty surowców i użyteczności. 

Jest to jeden ze sposobów wyświetlania algorytmu, który zawiera tylko instrukcje sterowania warunkowego.

Drzewa decyzyjne są powszechnie używane w badaniach operacyjnych, szczególnie w analizie decyzji , aby pomóc w określeniu strategii, która najprawdopodobniej osiągnie cel , ale są również popularnym narzędziem w uczeniu maszynowym.

Przegląd

Drzewo decyzyjne jest strukturą podobną do schematu blokowego, w którym każdy węzeł wewnętrzny reprezentuje „test” atrybutu (np. czy rzut monetą pojawia się jako orzeł czy reszka), każda gałąź reprezentuje wynik testu, a każdy boks reprezentuje etykieta klasy (decyzja podjęta po obliczeniu wszystkich atrybutów). Ścieżki od korzenia boxu reprezentują reguły klasyfikacji.

W analizie decyzji drzewo decyzyjne i diagram przepływu są wykorzystywane jako wizualne i analityczne narzędzie wspomagania decyzji, w którym obliczane są oczekiwane wartości (lub oczekiwana użyteczność) konkurencyjnych alternatyw.

Drzewo decyzyjne składa się z trzech rodzajów węzłów:

1. Węzły decyzyjne – zazwyczaj reprezentowane przez kwadraty
2. Węzły losowe (węzeł stanu natury) – zazwyczaj reprezentowane przez koła. Jeśli występuje niepewny wynik.
3. Węzły końcowe – zazwyczaj reprezentowane przez trójkąty

Drzewa decyzyjne są powszechnie używane w badaniach operacyjnych i zarządzaniu operacyjnym Jeżeli w praktyce decyzje muszą być podejmowane przy niepełnej wiedzy, drzewo decyzji powinno być równoległe z modelem prawdopodobieństwa jako modelem najlepszego wyboru lub algorytmem modelu wyboru. Kolejnym zastosowaniem drzew decyzyjnych jest opisowy sposób obliczania prawdopodobieństw warunkowych.

Drzewa decyzyjne,  diagram przepływu, funkcje użyteczności oraz inne narzędzia i metody analizy decyzji uczy się studentów MBA, szkół biznesu, ekonomii zdrowia i zdrowia publicznego i są przykładami metod badań operacyjnych lub metod zarządzania nauką.

Teoria decyzji

Teoria decyzji mówi jak rozłożyć trudny problem na części podstawowe. Przecież nimi jest zawsze łatwiej zarządzać. W przypadku gdybyśmy nie posiadali schematu postępowania w skomplikowanych sytuacjach to mogły by one wymknąć się nam spod kontroli. Posłużymy się za chwilę genialnym przykładem odnośnie poszukiwania ropy naftowej i odwiertów z książki MBA, która jest świetna.

We wspaniały sposób możemy ograniczy ryzyko stosując tą metodę.

Diagram drzewa decyzyjnego daje nam szansę aby oszacować wszystkie opcje, stopień niepewności i ryzyko.

Analiza drzewa decyzyjnego

1. Musimy określić wszystkie możliwe opcje oraz zagrożenia związane z sytuacją.
2. Obliczamy pieniężne konsekwencje wszystkich opcji.
3. Określamy niepewność związaną z każdą opcją.
4. Łączymy trzy pierwsze kroki w diagramie drzewa decyzyjnego.
5. Wskazujemy najlepszą opcję, a także rozważamy niepieniężne aspekty problemu

Przykładowe drzewo decyzyjne

Jak już wspomniałem, z przykładem zetknąłem się w świetnej książce MBA, do której link udostępniłem wcześniej.

Jest to moja interpretacja i ćwiczenie zostało trochę zmienione, ale oddaje całe sedno.

Rysunki również moje, a wiec zaczynamy!

Stan:

Załóżmy, że Jan Kowalski zamierza szukać ropy w Teksasie. Ropy będzie szukał na obiecującej parceli.

I teraz pytanie… Czy powinien robić odwiert próbny?

Jeżeli Kowalski trafi na źródło ropy to zarobi 1 mln dolarów.

Po rozważeniu kilku opcji sporządził on listę:

1. Pozwolenie aby wykonać odwiert na tym obszarze kosztowało go 20,000 $. Są to tzw. koszty utopione ponieważ nie może już ich odzyskać.
2. Ale można zmniejszyć ryzyko. przeprowadzając badania geologiczne za 50,000 $. Wtedy Kowalski może lepiej oszacować prawdopodobieństwo sukcesu i zmniejszyć ryzyko stracenia pieniędzy na wykonanie odwiertu w którym nie pojawi się ropa.
3. Czy może warto lepiej zaryzykować i wydać 200,000 $ aby wykonać odwiert bez przeprowadzenia badań geologicznych.
4. Po konsultacji Kowalski dostał opinię od specjalistów, że istnieje 60% szans znalezienia ropy na działce bez wykonywania badań.
5. Jeśli badania geologiczne wykażą obecność ropy, to prawdopodobieństwo jej odnalezienia wzrośnie do 90%, a ryzyko porażki spanie do 10%.
6. Jeśli badania geologiczne wykażą brak ropy, to cały czas można wykonać odwiert, ale ryzyko porażki wyniesie 90%, a sukcesu 10%.
7. Można w ogóle się wycofać.

I my zaraz te opcje przedstawimy za pomocą drzewa decyzyjnego.

Ale zanim zaczniemy zadecydujmy co powinno się znaleźć w schemacie drzewo decyzyjne i co jest ważne.

Rysowanie drzewa decyzyjnego

W punkcie 1 mamy informację o kosztach utopionych, których już nie odzyskamy. Ta informacja jest więc zbędna. Ponieważ pieniędzy już nie odzyskamy.

W związku z tym nie uwzględniamy w drzewie decyzyjnym tych kosztów i zaczynamy rysować:

Tworzymy pierwszą decyzję (pierwszy węzeł).

Czy Kowalski powinien przeprowadzić badania geologiczne czy nie.

Jeśli Kowalski zleci przeprowadzenie badań to ma 60% szans na pozytywny wynik i 40% na negatywny.

Jeżeli zrezygnuje z badań to wciąż może wykonać odwiert próbny.

Będzie mógł również odstąpić od tego zamiaru.

Następnym krokiem będzie uwzględnienie konsekwencji pieniężnych, które są „liśćmi” na naszym drzewie.

Jeżeli znajdziemy ropę to Kowalski zarobi 1,000,000 $, jeśli nie to straci 200,000$. A koszty badania to 50,000$.

Abyśmy poznali potencjalne skutki finansowe każdej decyzji, musimy pomnożyć możliwe przychody przez prawdopodobieństwa, które znajdują się na węzłach (okręgach).

Np (1,000,000 x 0,90) + (0 x 0,10) = 900,000

Wynikiem obliczeń jest oczekiwana wartość pieniężna (EMV- expected monetary value).

Prawdopodobieństwa na każdym okręgu muszą się zsumować do 100%.

Tak abyśmy nie mieli wątpliwości, że uwzględniliśmy wszystkie opcje.

Każdy węzeł wyklucza wszystkie inne opcje i dla każdego węzła łączne prawdopodobieństwo wynosi 100 %, tak aby wyczerpać wszystkie możliwości.

W kwadratach decyzji wybieramy najlepszy wynik. Musimy odjąć wtedy koszt realizacji danej opcji od jej możliwego wyniku pieniężnego.

Obliczanie wyników pieniężnych należy zacząć od prawej strony drzewa i przesuwać się w lewo.

Ten proces nazywa się „zwijanie”, lub „przycinanie”. Tak aby w konsekwencji wskazać najlepsze rozwiązanie.

Na węzłach wybieramy najlepsze wyniki pieniężne.

Na węzłach stanu natury mnożymy możliwe wyniki pieniężne przez prawdopodobieństwa ich uzyskania.

Z analizy drzewa decyzyjnego widzimy, że musimy się pozbyć nadmiernej ostrożności i rezygnować z badań geologicznych.

Oczekiwana wartość dolarów po badaniach wynosi 370,000$ (420,000-50,000), natomiast EMV wiercenia bez badań wynosi 400,000$.

Wybieramy więc najwyższą wartość pieniężną.

Schemat możemy użyć w multum przypadków, np decyzja odnośnie budowy, posiadanych zapasów, czy rozwoju nowych produktów.

Drzewo decyzji zmusza zawsze decydenta do uważnego przyjrzenia się możliwościom, dokonania oceny niepewności i konkretnego obliczenia możliwych wyników finansowych.

Odnośnie oceny niepewności to proszę pamiętać że często będziemy musieli zgadywać jej poziom.

Drzewo w bardzo dobry sposób ponadto zmusza osoby podejmujące decyzje do jednoznacznego formułowania wszystkich założeń.

Podsumowanie

Będzie krótko i konkretnie.

Drzewo decyzyjne pozwala dostrzec złożoność pozornie prostych problemów.

Trzeba na prawdę dużo ćwiczyć żeby osiągnąć tu biegłość.

Jak zauważysz w praktyce, każda osoba otrzyma inne wyniki i inne drzewo.

Da Ci to kolejne informacje aby podjąć najlepszą decyzję.