GBDT

Posted 2021-01-25 yongfuxue

算法概述

Gradient Tree Boosting 梯度树提升GTB，又叫做gradient boosting regression tree梯度提升回归树GBRT，有叫做gradient boosting decision tree梯度提升回归树GBDT

 

GBDT 的优点:

• 对混合型数据的自然处理（异构特征）
• 强大的预测能力
• 在输出空间中对异常点的鲁棒性(通过具有鲁棒性的损失函数实现)

GBDT 的缺点:

• 可扩展性差（此处的可扩展性特指在更大规模的数据集/复杂度更高的模型上使用的能力，而非我们通常说的功能的扩展性；GBDT 支持自定义的损失函数，从这个角度看它的扩展性还是很强的！）。由于提升算法的有序性(也就是说下一步的结果依赖于上一步)，因此很难做并行

 

GBDT是基于回归树的，回归树和分类树类似，只是在每个树节点都去计算这个节点上所有的树的平均值，分枝时要穷举节点上所有的值，作为阈值进行划分，大于这个值得作为一类，小于这个值的作为一类，计算两部分的均值，并计算方差。方差最小的所对应的阈值作为划分特征。

GD即Gradient Boost，训练一个回归树，计算终节点的平均值，与真实值做对比，将差值输入另外一个回归树，训练这个回归树，将这个回归书的预测值与残差值比较，再把残差值输入另外一个回归树训练，直到最后一个回归树的预测值和输入的残差值相等，也就是所将每个回归树的预测值加起来后等于真实值。

算法原理

给定输入向量x和输出变量y组成的若干训练样本(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)，目标是找到近似函数F(x)，使得损失函数L(y,F(x))的损失值最小。

 

L(y,F(x))的典型定义为

 

 

 

假定最优函数为：

 

 

 

假定F(x)是一族基函数fi(x)的加权和

 

 

梯度提升方法寻找最优解F(x)，使得损失函

数在训练集上的期望最小。方法如下：

首先，给定常函数F0(x)：

 

 

以贪心的思路扩展得到Fm(x)：

 

 

 

梯度近似：

贪心法在每次选择最优基函数f时仍然困难，使用梯度下降的方法近似计算

 

将样本带入基函数f得到f(x1),f(x2),...,f(xn)，从而L退化为向量L(y1,f(x1)),L(y2,f(x2)),...,L(yn,f(xn))

 

 

上式中的权值γ为梯度下降的步长，使用线性搜索求最优步长：

 

 

 

提升算法

初始给定模型为常数

 

 

 

对于m=1到M，计算伪残差

 

 

使用数据 计算拟合残差的基函数f m (x)

 

计算步长，一维优化

 

 

 

更新模型

 

 

 

梯度提升决策树GBDT

梯度提升的典型基函数即决策树(尤其是CART)，在第m步的梯度提升是根据伪残差数据计算决策树tm(x)。令树tm(x)的叶节点数目为J，即树tm(x)将输入空间划分为J个不相交区域R1m,R2m,...,RJm，并且决策树tm(x)可以在每个区域中给出某个类型的确定性预测。使用指示记号I(x)

 

使用线性搜索计算学习率，最小化损失函数

 

 

 

进一步：对树的每个区域分别计算步长，从而系数b jm 被合并到步长中，从而：

 

 

参数设置和正则化

 

1）叶结点数目控制了树的层数，一般选择4≤J≤8

 

2）叶结点包含的最少样本数目，防止出现过小的叶结点，降低预测方差

 

3）梯度提升迭代次数M：增加M可降低训练集的损失值，但有过拟合风险

 

4）衰减因子、降采样

衰减Shrinkage，又称为学习率v，ν=1即为原始模型；推荐选择v<0.1的小学习率。过小的学习率会造成计算次数增多。

 

5）降采样

使用随机梯度提升Stochastic gradient boosting：每次迭代都对伪残差样本采用无放回的降采样，用部分样本训练基函数的参数。令训练样本数占所有伪残差样本的比例为f；f=1即为原始模型：推荐0.5≤f≤0.8。

 

较小的f能够增强随机性，防止过拟合，并且收敛的快。

降采样的额外好处是能够使用剩余样本做模型验证。

GBDT总结

1）函数估计本来被认为是在函数空间而非参数空间的数值优化问题，而阶段性的加性扩展和梯度下降手段将函数估计转换成参数估计。

2）损失函数是最小平方误差、绝对值误差等，则为回归问题；而误差函数换成多类别Logistic似然函数，则成为分类问题。

3）对目标函数分解成若干基函数的加权和，是常见的技术手段：神经网络、径向基函数、傅立叶/小波变换、SVM都可以看到它的影子。

调参实战

1）  分类

from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier

GradientBoostingClassifier(loss=‘deviance‘,  learning_rate=0.1,  n_estimators=100,  subsample=1.0,  criterion=‘friedman_mse‘, min_samples_split=2,  min_samples_leaf=1,  min_weight_fraction_leaf=0.0,  max_depth=3,  min_impurity_decrease=0.0, min_impurity_split=None,  init=None,  random_state=None,  max_features=None,  verbose=0,  max_leaf_nodes=None, warm_start=False,  presort=‘auto‘)

 

弱学习器(例如:回归树)的数量由参数 n_estimators 来控制；每个树的大小可以通过由参数 max_depth 设置树的深度，或者由参数 max_leaf_nodes 设置叶子节点数目来控制。 learning_rate 是一个在 (0,1] 之间的超参数，这个参数通过 shrinkage(缩减步长) 来控制过拟合。

 

Note：

超过两类的分类问题需要在每一次迭代时推导 n_classes 个回归树。因此，所有的需要推导的树数量等于n_classes * n_estimators 。对于拥有大量类别的数据集我们强烈推荐使用 RandomForestClassifier 来代替

 

2）  回归

from sklearn.ensemble import GradientBoostingRegressor

GradientBoostingRegressor(loss=‘ls‘,  learning_rate=0.1,  n_estimators=100,  subsample=1.0,  criterion=‘friedman_mse‘, min_samples_split=2,  min_samples_leaf=1,  min_weight_fraction_leaf=0.0,  max_depth=3,  min_impurity_decrease=0.0, min_impurity_split=None,  init=None,  random_state=None,  max_features=None,  alpha=0.9,  verbose=0, max_leaf_nodes=None,  warm_start=False,  presort=‘auto‘)

 

对于回归问题 GradientBoostingRegressor 支持一系列 different loss functions ，这些损失函数可以通过参数 loss 来指定；对于回归问题默认的损失函数是最小二乘损失函数（ ‘ls‘ ）。可选的loss : {‘ls’, ‘lad’, ‘huber’, ‘quantile’}, optional (default=’ls’)