ML(9) - EnsembleLearing集成学习
作者:互联网
集成学习
集成学习基本概念
- 训练多个学习器,对同一样本预测,再用某种结合策略将各学习器结合起来,得出最终预测结果。
- 集成学习的一般结构:
- 同质集成(homogeneous):学习器使用的算法都是相同类型,例如全使用决策树算法。单个学习器称为 ‘基学习器’ 或 ‘基学习算法’。
- 异质集成(heterogenous):学习器使用的算法类型不同,例如同时使用决策数、SVM等算法。单个学习器称为 ’ 组件学习器’。
- 集成学习的方法:
- Bagging:学习器之间不存在强依赖关系,各学习器可独立并行。
- Boosting:学习器之间存在强依赖关系,通常后一个学习器是对前一个学习器的补充。
- 集成学习效果强大尤其是针对弱学习器(即精度略高于50%算法模型),虽然单个弱学习器效果很差,但是成百上千的弱学习器集成在一起,错误率以指数级下降,理论上可以趋于0。
Bagging
- 当想要集成成百上千的学习器时,学习器之间的差异就尤为重要(如果都一样就体现不出集成学习的效果)。虽然有很多机器学习算法,但是远远不够的,必须为每一种算法创建更多的子模型且子模型之间要有差异性。
- 如何创建有差异的子模型?即在训练时,使用的数据保持差异。
- Pasting: 无放回抽取。假设500个训练数据,每次抽取100各样本,则同一算法只可训练出5个差异子模型,且随机性比较大。
- Bagging: 有放回抽取。同样500个训练数据,每次抽取100各样本,则同一算法可训练出成百上千的子模型,也能避免随机性问题。
对于有放回的取样,假设m个样本,每次抽1个样本,抽m次,因此任意一个样本在m次抽取中始终沒被抽到的概率(1−m1)m,当对m取极限即:limm−>∞(1−m1)m=e1≈0.368 。所以平均大概有37%的样本不会被抽取到,这些未被取到的样本被称为Out-of-bag。
因此就可以直接使用Out-of-bag作为验证数据集。 - Random Subspaces: 针对样本特征进行随机有放回抽取,生成不同的子特征空间,同样可以训练出大量差异模型。
- Random Patches: 即进行样本随机抽取,又进行特征随机抽取。
-
Scikit-learn中的Bagging
- API:sklearn.ensemble.BaggingClassifier
- scikit-learn实现的bagging是同质集成(homogeneous)。
- 主要参数:
参数名 | 含义 |
---|---|
base_estimator | 指定基学习器,若为空则使用决策树,默认 = None |
n_estimators | 基学习器的数量,默认 = 10 |
max_samples | 训练集X中随机抽取样本数,用于训练每个基学习器。int,即为数量;float,为比例:max_samples * X.shape[0]。默认 = 1.0 |
max_features | 样本中随机抽取的特征数,用于训练每个基学习器。int,即为数量;float,为比例:max_samples * X.shape[1]。默认 = 1.0 |
bootstrap | 是否选择有放回的抽取样本(bagging),如果是False,则选择不放回抽取(pasting)。默认=True。 |
bootstrap_features | 是否启用有放回的抽取特征,如果是False,不启用。默认=False。 |
oob_score | 是否用out-of-bag,作为验证集,默认=False。 |
n_jobs | 使用运算核心数,默认:None(1), -1代表使用全部 |
verbose | 训练资讯显示,默认:0,数字越大越详细 |
random_state | 随机种子 |
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.ensemble import BaggingClassifier
'X总样本,y总label;X_train训练样本,y_train训练label;X_test训练样本,y_test训练label;'
'有放回的抽取样本'
bagging_clf = BaggingClassifier(DecisionTreeClassifier(),n_estimators=500, max_samples=100,bootstrap=True)
bagging_clf.fit(X_train, y_train)
bagging_clf.score(X_test, y_test)
'有放回的抽取样本和特征'
bagging_clf = BaggingClassifier(DecisionTreeClassifier(),n_estimators=500, max_samples=100,bootstrap=True,
max_features=2, bootstrap_features=True)
bagging_clf.fit(X_train, y_train)
bagging_clf.score(X_test, y_test)
'有放回的抽取样本和特征,并使用out-of-bag作为验证集'
random_patches_clf=BaggingClassifier(DecisionTreeClassifier(),n_estimators=500, max_samples=100,bootstrap=True, oob_score=True,max_features=1, bootstrap_features=True)
random_patches_clf.fit(X, y)
# oob_score_ 查看out-of-bag作为验证集的准确率。
random_patches_clf.oob_score_
-
随机森林
- 集成学习中的bagging即将样本或者特征抽样训练子模型的集成学习方式。而在bagging这种集成学习方式中使用决策树作为基学习器(base estimators),就称为随机森林。
- 在sklearn中同样也直接实现了两种随机森林,普通随机森林(RandomForestClassifier)和极度随机森林(ExtraTreesClassifier),结合策略均采用平均而非投票。
- 值得一提的是二者均提供了bootstrap参数,控制是否启用有放回抽取,但是没有提供调整抽取数量的max_samples参数。
- ExtraTreesClassifier 极度体现在,在子特征集中选取最佳特征时,每个特征仅随机取一个阀值进行划分,然后选最佳。提供了非常强大的随机性,抑制了过拟合,但增多了bias(偏差)。
- 普通随机森林 API: sklearn.ensemble.RandomForestClassifier
- 主要参数: 基本为决策树和bagging参数集合
参数名 | 含义 |
---|---|
n_estimators | 森林里决策树的数量,默认 = 10 |
criterion | 衡量算法: ‘gini’(默认), ‘entropy’ |
min_samples_split | 子节点拆分所需的最小样本数:如果是int,直接表示最小样本数,如果是float,表示概率,最小样本数为min_samples_split * n_samples。默认 = 2。 |
min_samples_leaf | 子节点至少要有的样本数:如果是int,直接表示需要样本数,如果是float,表示概率,需要样本数为min_samples_split * n_samples。默认 = 1。 |
max_depth | 树的最大深度。默认 = None,扩展节点直到所有子节点都是纯的或直到所有子节点包含少于min_samples_split样本。 |
max_leaf_nodes | 最多能有多少子节点,默认=None,可以有无限个。 |
min_impurity_decrease | 节点继续分裂的最小杂质含量,float,默认 = 0 |
max_features | 每次拆分考虑的特征数量:int,float,‘auto’(默认),‘sqrt’,‘log2’,‘None’。None即考虑全部特征。 |
bootstrap | 是否选择有放回的抽取样本,如果是False,则使用整个数据集。默认=True。 |
oob_score | 是否用out-of-bag,作为验证集,默认=False。 |
class_weight | 各类别的权重:字典({0:0.9,1:0.1}),‘balanced’,'balanced_subsample,默认None. |
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
rf_clf = RandomForestClassifier(n_estimators=500, oob_score=True, random_state=666, n_jobs=-1)
rf_clf.fit(X, y)
rf_clf.oob_score_
- 极度随机森林API:sklearn.ensemble.ExtraTreesClassifier
- 主要参数:RandomForestClassifier与唯一不同bootstrap 默认不为True为 False。
from sklearn.ensemble import ExtraTreesClassifier
et_clf = ExtraTreesClassifier(n_estimators=500, bootstrap=True, oob_score=True, random_state=666, n_jobs=-1)
et_clf.fit(X, y)
et_clf.oob_score_
Boosting
-
与Bagging独立的集成多个有差异的模型不同,Boosting同样集成多个模型,但是每个模型并不是独立的,都是在其它模型的基础上继续增强整体集成模型的性能。
-
Boosting有两种典型的方法:
-
Ada Boosting
使用同样的训练数据集,训练完一个模型后再用此模型去预测此数据集,预测效果不太好的数据加大权重再将此数据集用于训练下一个模型。因此每一个模型都对前一个模型的补充,最后再将所有子模型结合起来,如下图:
-
Gradient Boosting
使用同样的训练数据集,训练完一个模型后再用此模型去预测此数据集,预测效果不太好的数据取出再去训练一个新的模型,依次类推。因此每一个模型都是对前一个模型的修复,最后再将所有子模型加起来,如下图:
-
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Scikit-learn中的Boosting
- API:sklearn.ensemble.AdaBoostClassifier 和 sklearn.ensemble.GradientBoostingClassifier
- scikit-learn实现的boosting是同质集成(heterogenous)。
集成学习结合策略
- 对于分类任务,通常采用投票法结合各学习器预测结果。
- 投票法主要分为两种:Hard voting 和 Soft voting
- scikit-learn中封装了投票结合策略API:sklearn.ensemble.VotingClassifier 可用于结合多种学习器。
- 主要参数:
参数名 | 含义 |
---|---|
estimators | 元组列表,需用投票策略结合的学习器。 |
voting | 投票方式:‘hard’(默认), ‘soft’。 |
weights | 各类别投票所占权重,数组形式,shape (n_classifiers),默认=None,权重统一。 |
- Hard voting classifier
- 通过少数服从多数的形式,综合结果。
from sklearn.ensemble import VotingClassifier
'联合三种算法,采用少数服从多数。这里没有进行任何超参数的选择,应先找出每一种算法最佳结果的超参数,再集成起来进行判断。'
voting_clf = VotingClassifier (
estimators=[
('log_clf', LogisticRegression()),
('svm_clf', SVC()),
('dt_clf', DecisionTreeClassifier())],
voting='hard')
voting_clf.fit(X_train, y_train)
voting_clf.score(X_test, y_test)
- Soft voting classifier
- 在某些情况下少数服从多数并不是合理的。
- 如下图:根据hard voting 样本将被分为B类,但是另外两个模型高度认定是A类而认为是B类的模型确认度并不高。
- 因此soft voting采用概率模型:
A:(99% + 49% + 40% + 90% + 30%)/5 = 61.6%
B:(1% + 51% + 60% + 10% + 70%)/5 = 38.4%
结果应该定为A类。 - 因此,如果要使用soft voting投票方式,要求集成的分类算法必须支持概率输出的:
逻辑回归:sigmoid函数就是概率。
KNN:最近的几个点占总考虑点数的比重,可求出概率。
决策树:与KNN类似,构建完成的树每一个子节点不一定都是纯的,gini或熵都不一定完全为0,因此每子节点都能根据里面不同类样本数(训练样本)算出该子节点属于某一类的概率。
SVM:计算概率较为复杂,在scikit-learn中SVC里有一个参数 probability为true就可为SVM算法估计概率。
from sklearn.ensemble import VotingClassifier
'采用权重概率'
voting_clf2 = VotingClassifier(
estimators=[
('log_clf', LogisticRegression()),
('svm_clf', SVC(probability=True)),
('dt_clf', DecisionTreeClassifier(random_state=666))],
voting='soft')
voting_clf2.fit(X_train, y_train)
voting_clf2.score(X_test, y_test)
集成学习回归问题
API:
- sklearn.ensemble.AdaBoostRegressor
- sklearn.ensemble.BaggingRegressor
- sklearn.ensemble.ExtraTreesRegressor
- sklearn.ensemble.GradientBoostingRegressor
- sklearn.ensemble.RandomForestRegressor
- sklearn.ensemble.VotingRegressor
这些类与之前用于分类的集成学习方法,用法几乎都是一致的,只不过最后返回的是一个具体的数字,用于解决回归问题。
标签:集成,EnsembleLearing,ML,clf,默认,学习,ensemble,sklearn 来源: https://blog.csdn.net/weixin_35811044/article/details/100172344