机器学习技法 之 聚合模型（Aggregation Model）
作者：互联网
聚合模型实际上就是将许多模型聚合在一起，从而使其分类性能更佳。
aggregation models: mix or combine hypotheses (for better performance)
下面举个例子：
你有 \(T\) 朋友，他们对于股票涨停的预测表现为 \(g_1,\cdots ,g_T\)。 常见的聚合（aggregation）方法有：
- select the most trust-worthy friend from their usual performance
根据他们的平常表现，选出最值得信任的朋友
$$
G(\mathbf{x})=g_{t_{}}(\mathbf{x}) \text { with } t_{}=\operatorname{argmin}{t \in{1,2, \ldots, T}} E{\text {val }}\left(g_{t}^{-}\right)\[\]将所有朋友的预测取平均值\[\]\[\]将所有朋友的预测值取加权平均值\[\]\[\]根据当前状态 \(\mathbf{x}\) 确定权重后结合。\[G(\mathbf{x})=\operatorname{sign}\left(\sum_{t=1}^{T} q_{t}(\mathbf{x}) \cdot g_{t}(\mathbf{x})\right) \text { with } q_{t}(\mathbf{x}) \geq 0 \]
学到这里，可能有一种感觉，与模型选择比较相近，并根据直观印象，取平均获得是分类器一定比最好的差，比最差的好。所以会感觉 aggregation 用处不大，那现在看一下， aggregation 的真正的用处是什么？
以下图为例：
左侧第一个图中，实际上是使用三条竖线或横线实现了二分类，虽然竖线或横线是很弱的一种分类器，但是如此结合便获得了一个较强的分类器，其分类效果好于任何一个分类器独自分类的结果。
右侧第一个图中，是许多直线的取平均值获得的，这种状态存在于数据样本较少时，可以获取一种与SVM类似的效果，虽然这么多直线对于训练样本（采样数据）的分类效果一样，但是对于测试样本（全局数据）可能有更好的分类效果。
所以说真正的 aggregation 并不只是单纯的取平均而已，其可能是为了弥补当前分类器的不足（分类器分类性能较弱，分类器的泛化能力较弱）。即合理的聚合（aggregation）代表了更好的性能（performance）。
Blending
均值融合（uniform blending）
用于分类：
数学表达如下：
\[G(\mathbf{x})=\operatorname{sign} \left( \sum_{t=1}^{T} g_{t}(\mathbf{x}) \right) \]有 \(T\) 个人，每人一票。当 \(g_{t}\) 预测值相近，那么性能不变。当 \(g_{t}\) 多样民主时，少数服从多数（majority can correct minority）
在多分类中的数学表达为：
\[G(\mathbf{x})=\underset{1 \leq k \leq K}{\operatorname{argmax}} \sum_{t=1}^{T}\left[\kern-0.15em\left[g_{t}(\mathbf{x})=k\right]\kern-0.15em\right] \]用于回归：
\[G(\mathbf{x})=\frac{1}{T} \sum_{t=1}^{T} g_{t}(\mathbf{x}) \]当 \(g_{t}\) 预测值相近，那么性能不变。当 \(g_{t}\) 多样民主时，一些分类结果 \(g_{t}(\mathbf{x})>f(\mathbf{x})\) ，另一些分类结果 \(g_{t}(\mathbf{x})<f(\mathbf{x})\)，那么理想状态取平均可以获得最佳解。
综合上述两种需求，多样性的 hypotheses 更容易使得融合模型性能更佳。
现在进行理论分析，其性能是否改善，这里以回归模型为例：
这里的取平均是针对全部的 hypothesis 或者说 \(T\) 个 \(g_t\) 进行的，并针对的是随机的单个样本。
也就是说，在对全部训练样本 \(\mathbf{x}_n\) 进行分析取全部误差的平均值。这里 用\(\mathcal{E}\) 表示平均值。举个例子：\(\frac{1}{N}\sum_{n = 1}^{N}\left(g_{t}(\mathrm{x}_n)-f(\mathrm{x}_n)\right)^{2} = \mathcal{E}\left(g_{t}-f\right)^{2}\)。
\[\begin{aligned} \operatorname{avg}\left(\mathcal{E}\left(g_{t}-f\right)^{2}\right) &=\operatorname{avg}\left(\mathcal{E}\left(g_{t}-G\right)^{2}\right) & +\mathcal{E}(G-f)^{2}\\ \operatorname{avg}\left(E_{\text {out }}\left(g_{t}\right)\right) &=\operatorname{avg}\left(\mathcal{E}\left(g_{t}-G\right)^{2}\right) &+E_{\text {out }}(G) \\ & \geq & +E_{\text {out }}(G) \end{aligned} \]即 \(G\) 优于 \(g_t\) 的平均值。
现在假设在分布为 \(P^{N}\) (i.i.d.) 的数据上选取大小为 \(N\) 的数据集 \(\mathcal{D}_{t}\)，并通过 \(\mathcal{A}\left(\mathcal{D}_{t}\right)\) 获取 \(g_{t}\)。那么执行无数次可以获取到 \(\bar g\)，表达式如下：
\[\bar{g}=\lim _{T \rightarrow \infty} G=\lim _{T \rightarrow \infty} \frac{1}{T} \sum_{t=1}^{T} g_{t}=\underset{\mathcal{D}}{\mathcal{E}} \mathcal{A}(\mathcal{D}) \]那么现在用 \(\bar{g}\) 代替 \(G\)，之前所求仍然成立，即：
\[\begin{aligned} \operatorname{avg}\left(E_{\text {out }}\left(g_{t}\right)\right) &=\operatorname{avg}\left(\mathcal{E}\left(g_{t}-\bar{g}\right)^{2}\right) &+E_{\text {out }}(\bar{g}) \\ \end{aligned} \]其中
- \(\operatorname{avg}\left(E_{\text {out }}\left(g_{t}\right)\right)\) 代表了算法的期望性能（expected performance of A）。
- \(E_{\text {out }}(\bar{g})\) 代表了共识性能（performance of consensus），又叫偏差（bias）
- \(\operatorname{avg}\left(\mathcal{E}\left(g_{t}-\bar{g}\right)^{2}\right)\) 代表了共识的期望偏差（expected deviation to consensus），又叫方差（variance）
线性融合（Linear Blending）
用于分类：
数学表达如下：
\[G(\mathbf{x})=\operatorname{sign}\left(\sum_{t=1}^{T} \alpha_{t} \cdot g_{t}(\mathbf{x})\right) \text { with } \alpha_{t} \geq 0 \]与均值融合相似，有 \(T\) 个人，但是每人 \(\alpha_t\) 票，而不是都只有一票。
用于回归：
\[\min _{\alpha_{t} \geq 0} \frac{1}{N} \sum_{n=1}^{N}\left(y_{n}-\sum_{t=1}^{T} \alpha_{t} g_{t}\left(\mathbf{x}_{n}\right)\right)^{2} \]这里重温一下线性回归加非线性转换的结合模型，其数学表达如下：
\[\min _{w_{i}} \frac{1}{N} \sum_{n=1}^{N}\left(y_{n}-\sum_{i=1}^{\tilde{d}} w_{i} \phi_{i}\left(\mathbf{x}_{n}\right)\right)^{2} \]可以看出两种非常相似。
所以说线性融合就是线性回归使用假设函数作为非线性转换工具，并且有约束条件。
那么该最优化问题可以写为：
\[\min _{\alpha_{t} \geq 0} \frac{1}{N} \sum_{n=1}^{N} \operatorname{err}\left(y_{n}, \sum_{t=1}^{T} \alpha_{t} g_{t}\left(\mathbf{x}_{n}\right)\right) \]在实际运用中，常常不用约束条件 \(\alpha_t > 0\)，因为：
\[\text { if } \alpha_{t}<0 \Rightarrow \alpha_{t} g_{t}(\mathbf{x})=\left|\alpha_{t}\right|\left(-g_{t}(\mathbf{x})\right) \]也就是说认为 \(g_t\) 的分类错误很高，与预测值常常相反。那么取反便会得到较好性能的分类器。
与模型选择一样，虽然使用训练集获取 \(g_t\)，但是最好使用验证集获取 \(\alpha_t\)。
堆叠融合（Stacking or Any Blending）
前面提到的均值融合和线性融合实际上类似于滤波，将预测值乘以一个系数后输出，若将其视为一个模型，那么该模型表达式为 \(\tilde g(g_1,g_2,\cdots,g_T) = \alpha_1 g_1 + \alpha_2 g_2 + \cdots + \alpha_T g_T\)。那么 blending 的一般形式便不局限于输入参数的线性组合，可能 \(\tilde g\) 是也是一个 hypothesis。
Given \(g_{1}^{-}, g_{2}^{-}, \ldots, g_{T}^{-}\) from \(\mathcal{D}_{\text {train }},\) transform \(\left(\mathbf{x}_{n}, y_{n}\right)\) in \(\mathcal{D}_{\text {val }}\) to \(\left(\mathbf{z}_{n}=\Phi^{-}\left(\mathbf{x}_{n}\right), y_{n}\right),\) where
学习步骤如下：
- 从训练集 \(\mathcal{D}_{\text {train}}\) 中获取 \(g_{1}^{-}, g_{2}^{-}, \ldots, g_{T}^{-}\)，将验证集数据映射到 \(\mathcal Z\) 空间，即 \(\mathbf{z}_{n}=\left(\Phi^{-}\left(\mathbf{x}_{n}\right), y_{n}\right)\) ，其中映射函数为：\(\Phi^{-}(\mathbf{x})=\left(g_{1}^{-}(\mathbf{x}), \ldots, g_{T}^{-}(\mathbf{x})\right)\)
- 在 \(\mathcal{Z}\) 空间训练出融合各种模型的模型（函数） \(\tilde{g}\) \(=\) AnyModel \(\left(\left\{\left(\mathbf{z}_{n}, y_{n}\right)\right\}\right)\)
- 最终的堆叠融合模型 \(G_{\mathrm{ANYB}}(\mathbf{x})=\tilde{g}(\Phi(\mathbf{x}))\)。
优缺点：
- 很强大（powerful），可以完成有条件的融合（conditional blending）
- 很容易过拟合（模型复杂度过高）
应用（Blending in Practice）
在 any blending 的基础上，将原来的 \(g_t\) 和 \(G\) 结合在一起再做一次融合。
Bagging
blending : 在获取 \(g_t\) 之后，进行聚合;
learning : 在聚合（学习）过程中获取 \(g_t\)。
获得多样 \(g_t\) 的方法有：
- diversity by different models
- diversity by different parameters: 例如优化方法GD的步长变化多样
- diversity by algorithmic randomness
- diversity by data randomness
下面便从数据出发，来满足假设函数的多样性。
那应该怎么做呢，在前面提到有共识便是一个模型的期望表现：
\[\text { consensus } \bar { g } = \text { expected } g _ { t } \text { from } \mathcal { D } _ { t } \sim P ^ { N } \]其优于单个的 \(g_t\)。
其由两个部分组成，一个是无穷多个 \(g_t\)，另一个则是丰富的样本数据。对于第一个问题这里提供有限个但相当多个 \(g_t\)，第二个问题只能从手中的数据入手，来创造多样的样本数据集 \(\mathcal{D}_t\)。
拔靴法（Bootstrap Aggregation）
Bagging 实际上就是指 Bootstrap Aggregation，拔靴法实际上是从手中的数据重采样来获得仿真的 \(\mathcal{D}_t\)。其实现方法是：
- 在原有的大小为 \(N\) 的数据集 \(\mathcal{D}\) 上，有放回的采样 \(N^\prime\) 次获得仿真数据集 \(\tilde \mathcal{D} _ t \rightarrow\) 这一步便是 Bootstrap 操作。
- 通过 \(\mathcal A (\tilde \mathcal{D} _ t)\) 获取 \(g_t\)，再使用均值融合获得：\(G = \operatorname {Uniform}(\{g_t\})\)。
拔靴法（bootstrap aggregation）是一种简单的基于基算法（base algorithm \(\mathcal A\)）的融合算法（meta algorithm）。方法合理前提是：数据集的多样性和基算法 \(\mathcal A\) 对于随机数据敏感。
Adaptive Boosting
Adaptive Boosting （AdaBoost ）实际上是从 Bagging 的核心 bootstrap 出发实现的一种融合算法。具体实现如下：
加权基算法（Weighted Base Algorithm）
数据集的构造相当于对于不同样本的权重不同，也就是说重采样（Re-sample）过程相当于重赋予权重（Re-weighting）过程：
假设重采样如下：
\[\begin{aligned} \mathcal { D } = \left\{ \left( \mathbf { x } _ { 1 } , y _ { 1 } \right) , \left( \mathbf { x } _ { 2 } , y _ { 2 } \right) , \left( \mathbf { x } _ { 3 } , y _ { 3 } \right) , \left( \mathbf { x } _ { 4 } , y _ { 4 } \right) \right\} \\ \stackrel { \text { bootstrap } } { \Longrightarrow } \tilde { \mathcal { D } } _ { t } = \left\{ \left( \mathbf { x } _ { 1 } , y _ { 1 } \right) , \left( \mathbf { x } _ { 1 } , y _ { 1 } \right) , \left( \mathbf { x } _ { 2 } , y _ { 2 } \right) , \left( \mathbf { x } _ { 4 } , y _ { 4 } \right) \right\} \end{aligned} \]原来的误差计算如下：
\[E _ { \mathrm { in } } ^ { 0 / 1 } ( h ) = \frac { 1 } { 4 } \sum _ { ( \mathbf { x } , y ) \in \tilde { D } _ { t } } \left[\kern-0.15em\left[ y \neq h ( \mathbf { x } ) \right]\kern-0.15em\right] \]现在则是：
\[E _ { \mathrm { in } } ^ { \mathrm { u }^{(t)} } ( h ) = \frac { 1 } { 4 } \sum _ { n = 1 } ^ { 4 } u _ { n } ^ { ( t ) } \cdot \left[\kern-0.15em\left[ y _ { n } \neq h \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right]\kern-0.15em\right] \]其中 \(u_1 = 2,u_2 = 1,u_3 = 0,u_4 = 1\)。
那么袋中的每一个 \(g_t\) 都是通过最小化加权误差（bootstrap-weighted error）获得的。
所以加权基算法（Weighted Base Algorithm）的数学表达为：
\[E _ { \mathrm { in } } ^ { \mathrm { u } } ( h ) = \frac { 1 } { N } \sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } \cdot \operatorname { err } \left( y _ { n } , h \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right) \]那么通过重新赋值获取多样的 \(g_t\) 是另一种可行的方法：
假如两个 \(g_t\) 的获取方法如下：
\[\begin{aligned} g _ { t } & \leftarrow \underset { h \in \mathcal { H } } { \operatorname { argmin } } \left( \sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t ) } \left[ \kern-0.15em \left[ y _ { n } \neq h \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right]\kern-0.15em\right] \right) \\ g _ { t + 1 } & \leftarrow \underset { h \in \mathcal { H } } { \operatorname { argmin } } \left( \sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } \left[ \kern-0.15em \left[ y _ { n } \neq h \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right]\kern-0.15em\right] \right) \end{aligned} \]什么时候两个人分类器会很不一样呢？就是当 \(g_t\) 对于权重 \(u _ { n } ^ { ( t ) }\) 的性能很好，但是 \(g_t\) 对于权重 \(u _ { n } ^ { ( t + 1) }\) 的性能很差，最差的 \(g\) 则是随机值也就是说有 50% 的概率会预测准确。即：
\[\frac {\sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } \left[ \kern-0.15em \left[y _ { n } \neq g _ { t } \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right] \kern-0.15em \right] } { \sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } } = \frac { 1 } { 2 } \]所以现在希望的效果是：
\[\frac {\sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } \left[ \kern-0.15em \left[y _ { n } \neq g _ { t } \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right] \kern-0.15em \right] } { \sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } } = \frac { \square_ { t + 1 } } { \square_ { t + 1 } + \bigcirc_{ t + 1 } } = \frac { 1 } { 2 } , \text { where } \\ \square_ { t + 1 } = \sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } \left[ \kern-0.15em \left[y _ { n } \neq g _ { t } \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right] \kern-0.15em \right]\\ \bigcirc_{ t + 1 } = \sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } \left[ \kern-0.15em \left[y _ { n } = g _ { t } \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right] \kern-0.15em \right] \]那么通过重新放缩权重（re-scaling (multiplying) weights）便可以实现，即：
对于 \(g_t\) 分类错误的样本：
\[u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } = \bigcirc_{ t } \cdot u _ { n } ^ { ( t ) } \]对于 \(g_t\) 分类正确的样本：
\[u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } = \square_{ t } \cdot u _ { n } ^ { ( t ) } \]那么在实际中如何实现呢？这里提出放缩系数。
放缩系数（Scaling Factor）
错误率 \(\epsilon _ { t }\) 定义如下：
\[\epsilon _ { t } = \frac {\sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t ) } \left[ \kern-0.15em \left[y _ { n } \neq g _ { t } \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right] \kern-0.15em \right] } { \sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t) } } \]放缩系数的定义如下：
\[\mathbf { \star } _ { t } = \sqrt { \frac { 1 - \epsilon _ { t } } { \epsilon _ { t } } } \]那么：
\[\begin{aligned} \left[ \kern-0.15em \left[y _ { n } \neq g _ { t } \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right] \kern-0.15em \right] \quad u ^ { ( t + 1 ) } _ n &\leftarrow u ^ { ( t ) } _ n \cdot \mathbf { \star } _ { t } \\ \left[ \kern-0.15em \left[y _ { n } = g _ { t } \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right] \kern-0.15em \right] \quad u ^ { ( t + 1 ) } _ n &\leftarrow u ^ { ( t ) } _n / \mathbf { \star } _ { t } \end{aligned} \]Linear Aggregation on the Fly
有了上述的前提，便可以设计一个由数据多样化创造的融合算法，而AdaBoost 除了上述一些前提外，还有一步，那就是 Linear Aggregation on the Fly，在学习中获得线性融合的参数 \(\alpha_t\)，即：
\[\alpha_t = \ln(\mathbf { \star } _ { t }) \]- 当 \(\epsilon _ { t } \rightarrow 0\) 时，\(\mathbf { \star } _ { t } \rightarrow \inf, \ln(\mathbf { \star } _ { t }) \rightarrow \inf\)，也就是说当无错误时，给予无穷权重，即当前 \(g_t\) 完全可以完成任务。
- 当 \(\epsilon _ { t } = \frac{1}{2}\) 时，\(\mathbf { \star } _ { t } = 1, \ln(\mathbf { \star } _ { t }) = 0\)也就是说当错误率为1/2时，不给予权重，即 \(g_t\) 与随机数的性能一样无用。
- 当 \(\epsilon _ { t } \rightarrow 1\) 时，\(\mathbf { \star } _ { t } = 0, \ln(\mathbf { \star } _ { t }) \rightarrow -\inf\) 也就是说当全错误时，给予负无穷权重，即只需要将分类结果取反便可以获得非常高准确率的 \(g_t\)。
AdaBoost 实现步骤
\(u^{(1)} = \left[\frac{1}{N},\cdots,\frac{1}{N}\right]\)
for \(t = 1,\cdots,T\)
- 由 \(\mathcal { A } \left( \mathcal { D } , \mathbf { u } ^ { ( t ) } \right)\) 获取\(g _ { t }\) ， 其中 \(\mathcal { A }\) 用于优化权重为 \(\mathbf { u } ^ { ( t ) }\) 的加权误差。
- 由 \(\mathbf { u } ^ { ( t ) }\) 更新 \(\mathbf { u } ^ { ( t+1 ) }\)\[\begin{aligned} \]
\left[ \kern-0.15em \left[y _ { n } = g _ { t } \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right] \kern-0.15em \right] \quad u ^ { ( t + 1 ) } _ n &\leftarrow u ^ { ( t ) } _n / \mathbf { \star } _ { t } \end{aligned}
$$
其中:$\epsilon _ { t } = \frac {\sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } \left[ \kern-0.15em \left[y _ { n } \neq g _ { t } \left( \mathbf { x } _ { n } \right) \right] \kern-0.15em \right] } { \sum _ { n = 1 } ^ { N } u _ { n } ^ { ( t + 1 ) } }$，$\mathbf { \star } _ { t } = \sqrt { \frac { 1 - \epsilon _ { t } } { \epsilon _ { t } } }$
- 计算线性融合系数 \(\alpha_t = \ln(\mathbf { \star } _ { t })\)
- 获得最终hypothesis： \(G ( \mathbf { x } ) = \operatorname { sign } \left( \sum _ { t = 1 } ^ { T } \alpha _ { t } g _ { t } ( \mathbf { x } ) \right)\)
理论证明（Theoretical Guarantee）
AdaBoost 的 VC bound 如下：
\[E _ { \mathrm { out } } ( G ) \leq E _ { \mathrm { in } } ( G ) + O ( \sqrt { \underbrace { O \left( d _ { \mathrm { vc } } ( \mathcal { H } ) \cdot T \log T \right) }_{d_{\mathbf{vc}} \text{ of all possible } G} \cdot \frac { \log N } { N } } ) \]原作者有证明最多经过 \(T= \log(N)\) 次迭代，便可以实现 \(E_{\text{in}}(G) = 0\)，只要基模型比随机数性能优越即可 \(\epsilon _ { t } \leq \epsilon < \frac { 1 } { 2 }\)。
也就是说，如果基模型 \(g\) 很弱（weak），但是总比随机数优秀，那么由AdaBoost + \(\mathcal A\) 获取的 \(G\) 也会很强（strong）。
决策树桩（Decision Stump）
数学表达如下：
\[h _ { s , i , \theta } ( \mathbf { x } ) = s \cdot \operatorname { sign } \left( x _ { i } - \theta \right) \]一共有三个参数 特征（feature） \(i\)，阈值（threshold）\(\theta\) ，方向（direction）\(s\)。其实现的功能便是一个分界点，特征（feature） \(i\) 表达的是在第 \(i\) 维的分解点，阈值（threshold）\(\theta\) 代表在本维度的分界点位于 \(\theta\)，方向（direction）\(s\) 代表了分界点两边的样本类型。
这是一个弱模型，但是将其作为 AdaBoost 的基模型便可以实现高精度预测了，并且效率很高，时间复杂度为：\(O(d \cdot N \log N)\)
若使用 Decision Stump 作为 AdaBoost 的基模型，假设一个简单的数据集如下分布：
那么其学习过程的一种状态可能如下表达：
标签：right,mathbf,sum,Aggregation,mathcal,聚合,Model,operatorname,left 来源： https://www.cnblogs.com/FlameBlog/p/14715263.html