机器学习集成学习进阶Xgboost算法案例分析

Posted 2022-11-27 赵广陆

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了机器学习集成学习进阶Xgboost算法案例分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1 xgboost算法api介绍

1.1 xgboost的安装

官网链接：https://xgboost.readthedocs.io/en/latest/

pip3 install xgboost

2 xgboost参数介绍

xgboost虽然被称为kaggle比赛神奇，但是，我们要想训练出不错的模型，必须要给参数传递合适的值。

xgboost中封装了很多参数，主要由三种类型构成：通用参数（general parameters），Booster 参数（booster parameters）和学习目标参数（task parameters）

通用参数：主要是宏观函数控制；
Booster参数：取决于选择的Booster类型，用于控制每一步的booster（tree, regressiong）；
学习目标参数：控制训练目标的表现。

2.1 通用参数（general parameters）

booster [缺省值=gbtree]
决定使用哪个booster，可以是gbtree，gblinear或者dart。
- gbtree和dart使用基于树的模型(dart 主要多了 Dropout)，而gblinear 使用线性函数.
silent [缺省值=0]
- 设置为0打印运行信息；设置为1静默模式，不打印
nthread [缺省值=设置为最大可能的线程数]
- 并行运行xgboost的线程数，输入的参数应该<=系统的CPU核心数，若是没有设置算法会检测将其设置为CPU的全部核心数

下面的两个参数不需要设置，使用默认的就好了

num_pbuffer [xgboost自动设置，不需要用户设置]
- 预测结果缓存大小，通常设置为训练实例的个数。该缓存用于保存最后boosting操作的预测结果。
num_feature [xgboost自动设置，不需要用户设置]
- 在boosting中使用特征的维度，设置为特征的最大维度

2.2 Booster 参数（booster parameters）

2.2.1 Parameters for Tree Booster

eta [缺省值=0.3，别名：learning_rate]
- 更新中减少的步长来防止过拟合。
- 在每次boosting之后，可以直接获得新的特征权值，这样可以使得boosting更加鲁棒。
- 范围： [0,1]
gamma [缺省值=0，别名: min_split_loss]（分裂最小loss）
- 在节点分裂时，只有分裂后损失函数的值下降了，才会分裂这个节点。
- Gamma指定了节点分裂所需的最小损失函数下降值。这个参数的值越大，算法越保守。这个参数的值和损失函数息息相关，所以是需要调整的。
- 范围: [0,∞]
max_depth [缺省值=6]
- 这个值为树的最大深度。这个值也是用来避免过拟合的。max_depth越大，模型会学到更具体更局部的样本。设置为0代表没有限制
- 范围: [0,∞]
min_child_weight [缺省值=1]
- 决定最小叶子节点样本权重和。XGBoost的这个参数是最小样本权重的和.
- 当它的值较大时，可以避免模型学习到局部的特殊样本。但是如果这个值过高，会导致欠拟合。这个参数需要使用CV来调整。.
- 范围: [0,∞]
subsample [缺省值=1]
- 这个参数控制对于每棵树，随机采样的比例。
- 减小这个参数的值，算法会更加保守，避免过拟合。但是，如果这个值设置得过小，它可能会导致欠拟合。
- 典型值：0.5-1，0.5代表平均采样，防止过拟合.
- 范围: (0,1]
colsample_bytree [缺省值=1]
- 用来控制每棵随机采样的列数的占比(每一列是一个特征)。
- 典型值：0.5-1
- 范围: (0,1]
colsample_bylevel [缺省值=1]
- 用来控制树的每一级的每一次分裂，对列数的采样的占比。
- 我个人一般不太用这个参数，因为subsample参数和colsample_bytree参数可以起到相同的作用。但是如果感兴趣，可以挖掘这个参数更多的用处。
- 范围: (0,1]
lambda [缺省值=1，别名: reg_lambda]
- 权重的L2正则化项(和Ridge regression类似)。
- 这个参数是用来控制XGBoost的正则化部分的。虽然大部分数据科学家很少用到这个参数，但是这个参数
- 在减少过拟合上还是可以挖掘出更多用处的。.
alpha [缺省值=0，别名: reg_alpha]
- 权重的L1正则化项。(和Lasso regression类似)。可以应用在很高维度的情况下，使得算法的速度更快。
scale_pos_weight[缺省值=1]
- 在各类别样本十分不平衡时，把这个参数设定为一个正值，可以使算法更快收敛。通常可以将其设置为负
- 样本的数目与正样本数目的比值。

2.2.2 Parameters for Linear Booster

linear booster一般很少用到。

lambda [缺省值=0，别称: reg_lambda]
- L2正则化惩罚系数，增加该值会使得模型更加保守。
alpha [缺省值=0，别称: reg_alpha]
- L1正则化惩罚系数，增加该值会使得模型更加保守。
lambda_bias [缺省值=0，别称: reg_lambda_bias]
- 偏置上的L2正则化(没有在L1上加偏置，因为并不重要)

2.3 学习目标参数（task parameters）

objective [缺省值=reg:linear]
1. “reg:linear” – 线性回归
2. “reg:logistic” – 逻辑回归
3. “binary:logistic” – 二分类逻辑回归，输出为概率
4. “multi:softmax” – 使用softmax的多分类器，返回预测的类别(不是概率)。在这种情况下，你还需要多设一个参数：num_class(类别数目)
5. “multi:softprob” – 和multi:softmax参数一样，但是返回的是每个数据属于各个类别的概率。
eval_metric [缺省值=通过目标函数选择]

可供选择的如下所示：
1. “rmse”: 均方根误差
2. “mae”: 平均绝对值误差
3. “logloss”: 负对数似然函数值
4. “
  
  error”
  二分类错误率。
  - 其值通过错误分类数目与全部分类数目比值得到。对于预测，预测值大于0.5被认为是正类，其它归为负类。
5. “error@t”: 不同的划分阈值可以通过 ‘t’进行设置
6. “merror”: 多分类错误率，计算公式为(wrong cases)/(all cases)
7. “mlogloss”: 多分类log损失
8. “auc”: 曲线下的面积
seed [缺省值=0]
- 随机数的种子

- 设置它可以复现随机数据的结果，也可以用于调整参数

3 xgboost案例介绍

3.1 案例背景

该案例和前面决策树中所用案例一样。

泰坦尼克号沉没是历史上最臭名昭着的沉船事件之一。1912年4月15日，在她的处女航中，泰坦尼克号在与冰山相撞后沉没，在2224名乘客和机组人员中造成1502人死亡。这场耸人听闻的悲剧震惊了国际社会，并为船舶制定了更好的安全规定。造成海难失事的原因之一是乘客和机组人员没有足够的救生艇。尽管幸存下沉有一些运气因素，但有些人比其他人更容易生存，例如妇女，儿童和上流社会。在这个案例中，我们要求您完成对哪些人可能存活的分析。特别是，我们要求您运用机器学习工具来预测哪些乘客幸免于悲剧。

案例：https://www.kaggle.com/c/titanic/overview

我们提取到的数据集中的特征包括票的类别，是否存活，乘坐班次，年龄，登陆home.dest，房间，船和性别等。

数据：http://biostat.mc.vanderbilt.edu/wiki/pub/Main/DataSets/titanic.txt

经过观察数据得到:

1 乘坐班是指乘客班（1，2，3），是社会经济阶层的代表。
2 其中age数据存在缺失。

3.2 步骤分析

1.获取数据
2.数据基本处理
- 2.1 确定特征值,目标值
- 2.2 缺失值处理
- 2.3 数据集划分
3.特征工程(字典特征抽取)
4.机器学习(xgboost)
5.模型评估

3.3 代码实现

导入需要的模块

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.feature_extraction import DictVectorizer
from sklearn.model_selection import train_test_split

1.获取数据

# 1、获取数据
titan = pd.read_csv("http://biostat.mc.vanderbilt.edu/wiki/pub/Main/DataSets/titanic.txt")

2.数据基本处理
2.1 确定特征值,目标值

x = titan[["pclass", "age", "sex"]]
y = titan["survived"]

2.2 缺失值处理

# 缺失值需要处理，将特征当中有类别的这些特征进行字典特征抽取
x['age'].fillna(x['age'].mean(), inplace=True)

2.3 数据集划分

x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, random_state=22)

3.特征工程(字典特征抽取)

特征中出现类别符号，需要进行one-hot编码处理(DictVectorizer)

x.to_dict(orient=“records”) 需要将数组特征转换成字典数据

# 对于x转换成字典数据x.to_dict(orient="records")
# ["pclass": "1st", "age": 29.00, "sex": "female", ]

transfer = DictVectorizer(sparse=False)

x_train = transfer.fit_transform(x_train.to_dict(orient="records"))
x_test = transfer.fit_transform(x_test.to_dict(orient="records"))

4.xgboost模型训练和模型评估

# 模型初步训练
from xgboost import XGBClassifier
xg = XGBClassifier()

xg.fit(x_train, y_train)

xg.score(x_test, y_test)
# 针对max_depth进行模型调优
depth_range = range(10)
score = []
for i in depth_range:
    xg = XGBClassifier(eta=1, gamma=0, max_depth=i)
    xg.fit(x_train, y_train)
    s = xg.score(x_test, y_test)
    print(s)
    score.append(s)
# 结果可视化
import matplotlib.pyplot as plt

plt.plot(depth_range, score)

plt.show()

4 otto案例介绍

– Otto Group Product Classification Challenge【xgboost实现】

4.1 背景介绍

奥托集团是世界上最大的电子商务公司之一，在20多个国家设有子公司。该公司每天都在世界各地销售数百万种产品,所以对其产品根据性能合理的分类非常重要。

不过,在实际工作中,工作人员发现,许多相同的产品得到了不同的分类。本案例要求,你对奥拓集团的产品进行正确的分分类。尽可能的提供分类的准确性。

链接：https://www.kaggle.com/c/otto-group-product-classification-challenge/overview

4.22 思路分析

1.数据获取
2.数据基本处理
- 2.1 截取部分数据
- 2.2 把标签纸转换为数字
- 2.3 分割数据(使用StratifiedShuffleSplit)
- 2.4 数据标准化
- 2.5 数据pca降维
3.模型训练
- 3.1 基本模型训练
- 3.2 模型调优
  - 3.2.1 调优参数:
    - n_estimator,
    - max_depth,
    - min_child_weights,
    - subsamples,
    - consample_bytrees,
    - etas
  - 3.2.2 确定最后最优参数

4.3 部分代码实现

2.数据基本处理
2.1 截取部分数据
2.2 把标签值转换为数字
2.3 分割数据(使用StratifiedShuffleSplit)

# 使用StratifiedShuffleSplit对数据集进行分割
from sklearn.model_selection import StratifiedShuffleSplit

sss = StratifiedShuffleSplit(n_splits=1, test_size=0.2, random_state=0)
for train_index, test_index in sss.split(X_resampled.values, y_resampled):
    print(len(train_index))
    print(len(test_index))

    x_train = X_resampled.values[train_index]
    x_val = X_resampled.values[test_index]

    y_train = y_resampled[train_index]
    y_val = y_resampled[test_index]
# 分割数据图形可视化
import seaborn as sns

sns.countplot(y_val)

plt.show()

2.4 数据标准化

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

scaler = StandardScaler()
scaler.fit(x_train)

x_train_scaled = scaler.transform(x_train)
x_val_scaled = scaler.transform(x_val)

2.5 数据pca降维

print(x_train_scaled.shape)
# (13888, 93)

from sklearn.decomposition import PCA

pca = PCA(n_components=0.9)
x_train_pca = pca.fit_transform(x_train_scaled)
x_val_pca = pca.transform(x_val_scaled)

print(x_train_pca.shape, x_val_pca.shape)
(13888, 65) (3473, 65)

从上面输出的数据可以看出,只选择65个元素,就可以表达出特征中90%的信息

# 降维数据可视化
plt.plot(np.cumsum(pca.explained_variance_ratio_))

plt.xlabel("元素数量")
plt.ylabel("可表达信息的百分占比")

plt.show()

3.模型训练
3.1 基本模型训练

from xgboost import XGBClassifier

xgb = XGBClassifier()
xgb.fit(x_train_pca, y_train)

# 改变预测值的输出模式,让输出结果为百分占比,降低logloss值
y_pre_proba = xgb.predict_proba(x_val_pca)
# logloss进行模型评估
from sklearn.metrics import log_loss
log_loss(y_val, y_pre_proba, eps=1e-15, normalize=True)

xgb.get_params

3.2 模型调优
3.2.1 调优参数:
1） n_estimator

scores_ne = []
n_estimators = [100,200,400,450,500,550,600,700]

for nes in n_estimators:
    print("n_estimators:", nes)
    xgb = XGBClassifier(max_depth=3, 
                        learning_rate=0.1, 
                        n_estimators=nes, 
                        objective="multi:softprob", 
                        n_jobs=-1, 
                        nthread=4, 
                        min_child_weight=1, 
                        subsample=1, 
                        colsample_bytree=1,
                        seed=42)

    xgb.fit(x_train_pca, y_train)
    y_pre = xgb.predict_proba(x_val_pca)
    score = log_loss(y_val, y_pre)
    scores_ne.append(score)
    print("测试数据的logloss值为:".format(score))
# 数据变化可视化
plt.plot(n_estimators, scores_ne, "o-")

plt.ylabel("log_loss")
plt.xlabel("n_estimators")
print("n_estimators的最优值为:".format(n_estimators[np.argmin(scores_ne)]))

2）max_depth

scores_md = []
max_depths = [1,3,5,6,7]

for md in max_depths:  # 修改
    xgb = XGBClassifier(max_depth=md, # 修改
                        learning_rate=0.1, 
                        n_estimators=n_estimators[np.argmin(scores_ne)],   # 修改 
                        objective="multi:softprob", 
                        n_jobs=-1, 
                        nthread=4, 
                        min_child_weight=1, 
                        subsample=1, 
                        colsample_bytree=1,
                        seed=42)

    xgb.fit(x_train_pca, y_train)
    y_pre = xgb.predict_proba(x_val_pca)
    score = log_loss(y_val, y_pre)
    scores_md.append(score)  # 修改
    print("测试数据的logloss值为:".format(log_loss(y_val, y_pre)))
# 数据变化可视化
plt.plot(max_depths, scores_md, "o-")  # 修改

plt.ylabel("log_loss")
plt.xlabel("max_depths")  # 修改
print("max_depths的最优值为:".format(max_depths[np.argmin(scores_md)]))  # 修改

3） min_child_weights,
- 依据上面模式进行调整
4） subsamples,
5） consample_bytrees,
6） etas
3.2.2 确定最后最优参数

xgb = XGBClassifier(learning_rate =0.1, 
                    n_estimators=550, 
                    max_depth=3, 
                    min_child_weight=3, 
                    subsample=0.7, 
                    colsample_bytree=0.7, 
                    nthread=4, 
                    seed=42, 
                    objective='multi:softprob')
xgb.fit(x_train_scaled, y_train)

y_pre = xgb.predict_proba(x_val_scaled)

print("测试数据的logloss值为 : ".format(log_loss(y_val, y_pre, eps=1e-15, normalize=True)))