LightGBM的算法介绍

Posted 2021-01-31 ldt-

LightGBM算法的特别之处

自从微软推出了LightGBM，其在工业界表现的越来越好，很多比赛的Top选手也掏出LightGBM上分。所以，本文介绍下LightGBM的特别之处。

• LightGBM算法在模型的训练速度和内存方面都有相应的优化。

  基于树模型的boosting算法，很多算法比如（xgboost 的默认设置）都是用预排序（pre-sorting）算法进行特征的选择和分裂。

  1. 首先，对所有特征按数值进行预排序。
  2. 其次，在每次的样本分割时，用O(# data)的代价找到每个特征的最优分割点。
  3. 最后，找到最后的特征以及分割点，将数据分裂成左右两个子节点。 
     优缺点： 
     这种pre-sorting算法能够准确找到分裂点，但是在空间和时间上有很大的开销。 
     i. 由于需要对特征进行预排序并且需要保存排序后的索引值（为了后续快速的计算分裂点），因此内存需要训练数据的两倍。 
     ii. 在遍历每一个分割点的时候，都需要进行分裂增益的计算，消耗的代价大。

  LightGBM采用Histogram算法，其思想是将连续的浮点特征离散成k个离散值，并构造宽度为k的Histogram。然后遍历训练数据，统计每个离散值在直方图中的累计统计量。在进行特征选择时，只需要根据直方图的离散值，遍历寻找最优的分割点。

  Histogram 算法的优缺点：

  1. Histogram算法并不是完美的。由于特征被离散化后，找到的并不是很精确的分割点，所以会对结果产生影响。但在实际的数据集上表明，离散化的分裂点对最终的精度影响并不大，甚至会好一些。原因在于decision tree本身就是一个弱学习器，采用Histogram算法会起到正则化的效果，有效地防止模型的过拟合。
  2. 时间上的开销由原来的O(#data * #features)降到O(k * #features)。由于离散化，#bin远小于#data，因此时间上有很大的提升。
  3. Histogram算法还可以进一步加速。一个叶子节点的Histogram可以直接由父节点的Histogram和兄弟节点的Histogram做差得到。一般情况下，构造Histogram需要遍历该叶子上的所有数据，通过该方法，只需要遍历Histogram的k个捅。速度提升了一倍。 
     

  LightGBM的leaf-wise的生长策略

  它摒弃了现在大部分GBDT使用的按层生长（level-wise）的决策树生长策略，使用带有深度限制的按叶子生长（leaf-wise）的策略。level-wise过一次数据可以同时分裂同一层的叶子，容易进行多线程优化，也好控制模型复杂度，不容易过拟合。但实际上level-wise是一种低效的算法，因为它不加区分的对待同一层的叶子，带来了很多没必要的开销，因为实际上很多叶子的分裂增益较低，没必要进行搜索和分裂。 
  

  Leaf-wise则是一种更为高效的策略，每次从当前所有叶子中，找到分裂增益最大的一个叶子，然后分裂，如此循环。因此同Level-wise相比，在分裂次数相同的情况下，Leaf-wise可以降低更多的误差，得到更好的精度。Leaf-wise的缺点是可能会长出比较深的决策树，产生过拟合。因此LightGBM在Leaf-wise之上增加了一个最大深度的限制，在保证高效率的同时防止过拟合。 
  

  LightGBM支持类别特征

  实际上大多数机器学习工具都无法直接支持类别特征，一般需要把类别特征，转化one-hotting特征，降低了空间和时间的效率。而类别特征的使用是在实践中很常用的。基于这个考虑，LightGBM优化了对类别特征的支持，可以直接输入类别特征，不需要额外的0/1展开。并在决策树算法上增加了类别特征的决策规则。

以上是LightGBM算法的特别之处，除此之外LightGBM还具有高校并行的特点。下一篇文章将介绍LightGBM的特征并行(Feature Parallel)和数据并行(Data Parallel)，以及相较于传统的并行方法的优点。