10.集成学习与随机森林

Posted 2022-11-02 traditional

1.什么是集成学习

什么是集成学习，以前我们都是使用一个算法来进行预测，难免会有"独断专行"的感觉。集成学习是将多个算法集成在一块，然后多个算法对同一个问题进行预测，然后少数服从多数，这便是集成学习。

我们生活中有很多集成学习的例子，比如买东西的时候看推荐，如果10个人推荐你买A产品，但是只有1个人推荐你买B产品，我们会更将倾向于买B产品。

我们看看sklearn是如何为我们提供集成学习的接口的。

from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import VotingClassifier  # ensemble，与集成学习有关的模块

X, y = make_moons(n_samples=500, noise=0.3, random_state=666)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=666)

from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.svm import SVC
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
# 传入一系列分类器,和Pipeline有点像
voting_clf = VotingClassifier([
    ("log_clf", LogisticRegression()),
    ("svm_clf", SVC()),
    ("dt_clf", DecisionTreeClassifier())
], voting="hard")  # voting="hard"表示少数服从多数

voting_clf.fit(X_train, y_train)
print(voting_clf.score(X_test, y_test))  # 0.888

2.SoftVoting Classifier

SoftVoting Classifier是什么呢？我们之前说的集成学习使用投票的方式，通过少数服从多数进行选择。但有些时候少数服从多数并不是合理的吗，也就是可能会出现所谓的"民主暴政"。因此更加合理的方式应该是，对于不同的算法来说，所投的票应该是权值的。

比如经济政策，那么经济学家的建议应该被充分的考虑，或者投的票的权值要大一些。而普通民众，哪怕他是个伟大的航天学家，但与经济无关，所以他的票则不应该被分配较大的权值，这是无可厚非的。

我们实际举例一下

我们看到五个模型进行预测，三个模型预测为B的可能性更大一些，所以2vs3，那么最终结果为B。但是我们仔细观察一下，就能发现端倪，预测为A的模型，它们的把握都是非常高的，而预测为B的模型，相对来说把握就不那么高了。所以这样投票是不公平的，你想到了什么，对，最一开始的K近邻，我们也是使用单纯的个数投票，但是没有把距离给考虑进去。集成学习也是一样，如果一个算法特别的有把握，那么它的票的权值理应被分配的大一些。

如果是Soft Voting的话，那么使用概率的平均值进行考虑，使用五个模型的预测为A的概率相加取平均值，得到0.616，而B时候0.384，因此我们认为分类的结果为A。

因此使用Softing Voting的话，那么就要求集合中的每一个模型都能估计概率。在逻辑回归中，本身就是基于概率模型进行预测的，有一个predict_proba。而knn显然也是可以的，k取3的话，有两个数据是红色，1个是蓝色，那么是红色的概率就是2/3。决策树也是一样的，走到一个叶子节点，根据训练得到的数据集求出相应的概率。SVM也是可以的，只是会很麻烦，不过sklearn为我们提供好了，只是会牺牲一些计算资源。

from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import VotingClassifier  # ensemble，与集成学习有关的模块

X, y = make_moons(n_samples=500, noise=0.3, random_state=666)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=666)

from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.svm import SVC
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
# 传入一系列分类器,和Pipeline有点像
voting_clf = VotingClassifier([
    ("log_clf", LogisticRegression()),
    ("svm_clf", SVC(probability=True)),  # 默认SVM是不支持预测概率的，如果需要的话，要加上这个参数
    ("dt_clf", DecisionTreeClassifier())
], voting="soft")  # voting="soft"表示不是少数服从多数，而是有权值

voting_clf.fit(X_train, y_train)
print(voting_clf.score(X_test, y_test))  # 0.896

3.Bagging和Pasting

虽然有很多机器学习的方法，但是从投票的角度看，仍然不够多。因此我们要创建更多的子模型，集成更多的子模型的意见。并且注意，子模型之间不能一致，要求差异性。

那么如何创建差异性呢？一种办法是每个子模型只看一部分数据，例如有500个样本数据，每个子模型只看100个样本数据，这样即便算法一样，但是由于样本不同，也是会有差异性的。但是这样的话，子模型的预测的准确率不就变低了吗？事实上也是如此，虽然一个子模型的准确率比较低，但是多个子模型组合在一起准确率就变得高了，这也是集成学习的威力。

那么每个子模型只看样本数据的一部分，那怎么怎么看样本数据的一部分呢？这里也就有了差异，我们有两种方式。

• Bagging:放回取样
• Pasting:不放回取样

Bagging更常用，而且避免了随机所带来的问题，因为每一次都放回取样。

from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import BaggingClassifier
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

X, y = make_moons(n_samples=500, noise=0.3, random_state=222)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=222)

bagging_clf = BaggingClassifier(
    DecisionTreeClassifier(), # 传入一个分类器，一般我们都会选择决策树
    n_estimators=500,  # 要创建多少个子模型
    max_samples=100,  # 每一个子模型看多少个样本
    bootstrap=True  # 表示是否放回取样，True表示放回，所以在sklearn中只用一个Bagging，通过控制bootstrap来表示是否放回
)

bagging_clf.fit(X_train, y_train)
print(bagging_clf.score(X_test, y_test))  # 0.944

4.oob(out-of-Bag)和关于Bagging的更多讨论

我们通过有放回的取样的话，那么由于每一次都是从全部的样本中选出一部分样本，那么是有可能有一部分样本是取不到的，经过严格的数学证明，大概是有37%的样本取不到。这37%的样本就叫做out-of-bag，意思是从来没有被取出来。

既然如此，那么天生就不需要使用train_test_split了，因为有37%的数据是没有见过的，我们直接使用者37%的数据进行测试即可。sklearn也为我们封装一个oob_score_，可以让我们直接查看分数。

from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.ensemble import BaggingClassifier
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

X, y = make_moons(n_samples=500, noise=0.3, random_state=222)

bagging_clf = BaggingClassifier(
    DecisionTreeClassifier(),
    n_estimators=500,
    max_samples=100,
    bootstrap=True,
    oob_score=True  # 加上这个参数表示我们要记录哪些样本被取了，这样后续才能使用那些没有被使用的样本
)

# 直接传入所有数据进行训练
bagging_clf.fit(X, y)
# 这个命名方式也不用说了，表示不是由用户传来的，而是中途生成的，可以调用查看的属性
print(bagging_clf.oob_score_)  # 0.902

并且Bagging极易使用并行化处理，可以使用n_jobs参数

我们除了对样本进行采样，每次只看一部分样本，还可以对特征进行采样，即每次只看一部分特征。对于那些特征非常多的样本，比如像素识别，我们就可以使用特征随机采样，通过bootstrap_features=True指定。除此之外，我们既可以针对样本随机采样，也可以针对特征随机采样。

5.随机森林和Extra-Trees

我们之前使用集成学习用的模型都是决策树，这些树都是随机的，并且树的数量多了，就变成了什么呢？对，所以有一个更形象的说法，叫随机森林。

并且sklearn已经为我们封装了随机森林这个算法

from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

X, y = make_moons(n_samples=500, noise=0.3, random_state=666)

rf_clf = RandomForestClassifier(n_estimators=500,  # 多少颗决策树
                                random_state=666,  # 树是随机的
                                oob_score=True,
                                n_jobs=-1
                                )
# 直接传入所有数据进行训练
rf_clf.fit(X, y)
# 这个命名方式也不用说了，表示不是由用户传来的，而是中途生成的，可以调用查看的属性
print(rf_clf.oob_score_)  # 0.892

除了随机森林，还有一个Extra-Trees，意思是极其随机数，数是复数，表示有很多数。在决策树的节点划分上，使用了随机的特征和随机的阈值。提供了额外的随机性，抑制过拟合，但增大了bias。

from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.ensemble import ExtraTreesClassifier

X, y = make_moons(n_samples=500, noise=0.3, random_state=666)

rf_clf = ExtraTreesClassifier(n_estimators=500,  # 多少颗决策树
                              random_state=666,  # 树是随机的
                              oob_score=True,
                              bootstrap=True,
                              n_jobs=-1
                              )
rf_clf.fit(X, y)
print(rf_clf.oob_score_)  # 0.892

当然除了分类问题，也可以解决回归问题。

6.Ada Boosting和Gradient Boosting

Boosting，继承多个模型，每个模型都在尝试增强(Boosting)整体的效果。举个栗子

这是一个Ada Boosting，首先我们进行预测，必然会有犯错误的点，那么将没有很好预测的点做标记，变成的新的数据，所以看到蓝色的点加深了的，表示上一个模型没有很好预测的数据，然后新的模型会继续预测，对于上一个模型没有预测好的数据，相应的权值会增加。那么既然是预测，就总会犯错误，然后后续的继续重复相同的动作。因此每一个模型都在不断增强整体的效果，这就是Ada? Boosting

我们看看sklearn中的Ada Boosting

from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

X, y = make_moons(n_samples=500, noise=0.3, random_state=666)

ada_clf = AdaBoostClassifier(DecisionTreeClassifier(max_depth=2),
                            n_estimators=500
                            )
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=666)
ada_clf.fit(X_train, y_train)

print(ada_clf.score(X_test, y_test))  # 0.864

Gradient Boosting的原理是，训练一个模型，产生错误e1，针对e1进行训练，产生错误e2，针对e2训练，产生错误e3，最终预测结果：m1+m2+m3+······，所以说每次训练都是对前一次失误进行补偿。

from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier

X, y = make_moons(n_samples=500, noise=0.3, random_state=666)

gb_clf = GradientBoostingClassifier(max_depth=2,  # 这里不需要指定分类器，默认是以决策树作为基础的
                                     n_estimators=500
                                     )
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=666)
gb_clf.fit(X_train, y_train)

print(gb_clf.score(X_test, y_test))  # 0.896

这些集成算法都可以解决回归问题

7.Stacking

还记得之前的Voting Classifier吗？多个算法进行预测，预测出多个结果，然后对这三个结果进行综合得到结果。但是Stacking不一样，它没有直接对三个结果进行综合，而是用这个三个结果作为输入，再添加一层，预测出结果，这便是Stacking。同样Stacking既可以解决分类问题，也可以解决回归问题。

如果再复杂一些的话，我们可以分为三层。这就意味着我们需要把数据集分成三份，第一份训练第一层，第二份训练第二层，第三份训练第三层。其实看到这里就有点像是神经网络了，关于Stacking，sklearn没有提供相应的模型让我们使用，有兴趣的话可以自己实现一下。