数据挖掘XGBoost面试题：与GBDT的区别？为什么使用泰勒二阶展开？为什么可以并行训练？为什么快？防止过拟合的方法？如何处理缺失值？

Posted 2022-09-21 Better Bench

1、简单介绍XGB

是一种基于boosting增强策略的加法模型，训练的时候采用前向分布算法进行贪婪的学习，每次迭代都学习一棵CART树来拟合之前 t-1 棵树的预测结果与训练样本真实值的残差。XGB对GBDT进行了一系列优化，比如损失函数进行了二阶泰勒展开、目标函数加入正则项、支持并行和默认缺失值处理等，在可扩展性和训练速度上有了巨大的提升，但其核心思想没有大的变化。

2、XGB与GBDT的区别

• 基分类器：XGB的基分类器不仅支持CART决策树，还支持线性分类器。
• 导数信息：XGB对损失函数做了二阶泰勒展开，GBDT只用了一阶导数信息，并且XGB还支持自定义损失函数，只要损失函数一阶、二阶可导。
• 正则项：XGB的目标函数加了正则项， 相当于预剪枝，使得学习出来的模型更加不容易过拟合。
• 列抽样：XGB支持列采样，与随机森林类似，用于防止过拟合。
• 缺失值处理：对树中的每个非叶子结点，XGB可以自动学习出它的默认分裂方向。如果某个样本该特征值缺失，会将其划入默认分支。
• 并行化：注意不是tree维度的并行，而是特征维度的并行。XGBt预先将每个特征按特征值排好序，存储为块结构，分裂结点时可以采用多线程并行查找每个特征的最佳分割点，极大提升训练速度。

3、XGBoost为什么使用泰勒二阶展开

• 精准性：相对于GBDT的一阶泰勒展开，XGB采用二阶泰勒展开，可以更为精准的逼近真实的损失函数
• 可扩展性：损失函数支持自定义，只需要新的损失函数二阶可导。

4、XGBoost为什么可以并行训练

• XGB的并行，并不是说每棵树可以并行训练，XGB本质上仍然采用boosting思想，每棵树训练前需要等前面的树训练完成才能开始训练。
• XGBoost的并行，指的是特征维度的并行。在训练之前，每个特征按特征值对样本进行预排序，并存储为Block结构，在后面查找特征分割点时可以重复使用，而且特征已经被存储为一个个block结构，那么在寻找每个特征的最佳分割点时，可以利用多线程对每个block并行计算。

5、XGBoost为什么快

• 分块并行：训练前每个特征按特征值进行排序并存储为Block结构，后面查找特征分割点时重复使用，并且支持并行查找每个特征的分割点
• 候选分位点：每个特征采用常数个分位点作为候选分割点
• CPU cache 命中优化： 使用缓存预取的方法，对每个线程分配一个连续的buffer，读取每个block中样本的梯度信息并存入连续的Buffer中。
• Block 处理优化：Block预先放入内存；Block按列进行解压缩；将Block划分到不同硬盘来提高吞吐。

6、XGBoost防止过拟合的方法

XGB在设计时，为了防止过拟合做了很多优化，具体如下：

• 目标函数添加正则项：叶子节点个数+叶子节点权重的L2正则化
• 列抽样：训练的时候只用一部分特征（不考虑剩余的block块即可）
• 子采样：每轮计算可以不使用全部样本，使算法更加保守
• shrinkage: 可以叫学习率或步长，在XGB 进行完一次迭代后，会将叶子节点的权重乘上该系数，主要是为了削弱每棵树的影响，让后面有更大的学习空间。

7、XGBoost如何处理缺失值

XGB模型的一个优点就是允许特征存在缺失值。对缺失值的处理方式如下：

• 在特征k上寻找最佳分割点时，不会对该列特征缺失的样本进行遍历，而只对该列特征值为无缺失值的样本上对应的特征值进行遍历，通过这个技巧来减少了为稀疏离散特征寻找分割点 的时间开销。
• 在逻辑实现上，为了保证完备性，会将该特征值缺失的样本分别分配到左叶子结点和右叶子结点，两种情形都计算一遍后，选择分裂后增益最大的那个方向（左分支或是右分支），作为预测时特征值缺失样本的默认分支方向。
• 如果在训练中没有缺失值而在预测中出现缺失，那么会自动将缺失值的划分方向放到右子结点。