提升算法

Posted 2020-10-18 小丑_jk

提升树：

提升树是以分类树或回归树为基本分类器的提升方法。提升方法实际采用加法模型(即基函数的线性组合)与前向分布算法，以决策树为基函数的提升方法称为提升树，对分类问题决策树是二叉分类树，对回归问题决策树是二叉回归树，其根据特征x<v与x>v将根结点直接连接两个叶结点，以作为决策树桩。提升树模型可以表示为决策树的加法模型：

其中， 表示决策树，为决策树的参数；M为树的个数

 提升树算法采用前向分布算法，首先确定初始提升树f₀(x)=0，第m步的模型是：

其中，f_m-1(x)为当前模型，通过使经验风险极小化确定下一棵决策树的参数，

(arg为返回后式取最小值时的取值)

由于树的线性组合可以很好的拟合训练数据，即使数据中的输入域输出之间的关系很复杂也是如此，所以提升树是一个高功能的学习算法。

针对不同问题的提升树学习算法主要区别在于使用的损失函数不同，包括使用平方误差损失函数的回归问题、指数损失函数的分类问题、及一般损失函数的一般决策问题。下面叙述关于回归问题的提升树。

已知一个训练数据集,为输入空间，y为输出空间，如果将输入空间划分为J个互不相交的区域，并在每个区域上确定输出的常量c_j，那么树可以表示为：

其中，参数表示树的区域划分和各区域上的常数，J是回归树的复杂度即叶结点个数。

回归问题提升树使用以下向前分步算法：(该方法就是以最小化损失函数为前提得到新增决策树的参数，并将该决策树加入原多个决策树构成新的多决策树)

在向前分布算法的第m步，给定当前模型，需求解：

得到，即第m棵树的参数。

当采用平方误差损失函数时，

其损失变成：

这里是当前模型拟合数据的残差，所以对回归问题的提升树算法来说，只需要简单的拟合当前模型的残差。

回归问题的提升树算法：

 输入：训练数据集

 输出：提升树 f_M(x)

(1) 初始化f₀(x)=0

(2) 对m=1,2,...,M

1) 按照计算残差得： 

   

2) 拟合残差r_mi学习一个回归树，得到

3) 更新

(3) 得到回归问题提升树

 此处给出一个书上的例子用于理解上述的回归问题的提升算法：

已知如下表所示的训练数据，x的取值范围为区间[0.5,10.5]，y的取值范围为区间[5.0,10.0]，学习这个回归问题的提升树模型，考虑只用树桩作为基函数

按照如上算法，第1步求f₁(x)即回归树T₁(x)

首先通过以下优化问题：

求解训练数据的切分点s：

容易求得在R₁，R₂内部使平方损失误差达到最小值的c₁，c₂为：

这里N₁，N₂是R₁，R₂的样本点数。

求训练数据的切分点，根据所给数据，考虑如下切分点：

1.5,   2.5,   3.5,   4.5,   5.5,   6.5   7.5   8.5  9.5

对各切分点，不难求出相应的R₁，R₂，c₁，c₂及

如当s取1.5时候，R₁={1}, R₂={2,3,...,10},  c₁=5.56 ,  c₂=7.50  

现将s及m(s)的计算结果列表如下所示：

由上表可知。当s=6.5时，m(s)达到最小值，此时R₁={1,2,...,6}, R₂={7,8,9,10},  c₁=6.24,  c₂=8.91,  所以回归树T₁(x)为：

用f₁(x)拟合训练数据的残差如下表所示，表中r_2i=y_i-f₁(x_i), i=1,2,...,10

用f₁(x)拟合训练数据的平方损失误差：

第2步求T₂(x)，方法同上，只是拟合的数据是上面的残差表，并将其与上面得到的数值区间进行汇总得到：

用f₂(x)拟合训练数据的平方损失误差是：

同上，可以依此类推：

由f₆(x)拟合训练数据的平方损失误差是：

若以上求出的误差满足使用过程需要的误差阈值，那么该f₆(x)为所求提升树。