常用的集成学习方法

Posted 2020-11-05

集成学习是构建一组基学习器，并将它们综合作为最终的模型，在很多集成学习模型中，对基学习器的要求很低，集成学习适用于机器学习的几乎所有的领域：
1、回归
2、分类
3、推荐
4、排序

集成学习有效的原因
多样的基学习器可以在不同的模型中取长补短
每个基学习器都犯不同的错误，综合起来犯错的可能性不大
但是想同的多个基学习器不会带来任何提升

集成学习示例：

例如在上图中每个线性模型都不能成功将该数据集分类
但是三个线性模型的简单综合即可将数据集成功分类，每个模型犯不同的错，但是在综合时能够取长补短，使得综合后的模型性能更好。

那么如何构建不同的基学习器？如何将基学习器综合起来？

如何构建不同的学习器
1、采用不同的学习算法
2、采用相同的学习算法，但是使用不同的参数
3、采用不同的数据集，其中采用不同的样本子集，在每个数据集中使用不同的特征

如何综合不同的基学习器
1、投票法
每个基学习器具有相同的权重
2、有权重的投票
可用不同的方法来确定权重
3、训练一个新模型来确定如何综合
stacking
我们一般偏好简单的模型（线性回归）

主要的集成学习模式有以下几种
1、bagging random forest（随机森林）
2、boosting
adaboost
GBDT
3、stacking

bagging
在集成算法中，bagging 方法会在原始训练集的随机子集上构建一类黑盒估计器的多个实例，然后把这些估计器的预测结果结合起来形成最终的预测结果。 该方法通过在构建模型的过程中引入随机性，来减少基估计器的方差(例如，决策树)。 在多数情况下，bagging 方法提供了一种非常简单的方式来对单一模型进行改进，而无需修改背后的算法。 因为 bagging 方法可以减小过拟合，所以通常在强分类器和复杂模型上使用时表现的很好（例如，完全决策树，fully developed decision trees），相比之下 boosting 方法则在弱模型上表现更好（例如，浅层决策树，shallow decision trees）。

bagging 方法有很多种，其主要区别在于随机抽取训练子集的方法不同：

如果抽取的数据集的随机子集是样例的随机子集，我们叫做 Pasting 。
如果样例抽取是有放回的，我们称为 Bagging 。
如果抽取的数据集的随机子集是特征的随机子集，我们叫做随机子空间 (Random Subspaces)。
最后，如果基估计器构建在对于样本和特征抽取的子集之上时，我们叫做随机补丁 (Random Patches) 。
在 scikit-learn 中，bagging 方法使用统一的 BaggingClassifier 元估计器（或者 BaggingRegressor ），输入的参数和随机子集抽取策略由用户指定。max_samples 和 max_features 控制着子集的大小（对于样例和特征）， bootstrap 和 bootstrap_features 控制着样例和特征的抽取是有放回还是无放回的。 当使用样本子集时，通过设置 oob_score=True ，可以使用袋外(out-of-bag)样本来评估泛化精度。

采样概率

在Bagging中,一个样本可能被多次采样,也可能一直不被采样,假设一个样本一直不出现在采样集的概率为(1-1/N) ** N,那么对其求极限可知,原始样本数据集中约有63.2%的样本出现在了,Bagging使用的数据集中,同时在采样中,我们还可以使用袋外样本(out of Bagging)来对我们模型的泛化精度进行评估.

最终的预测结果

对于分类任务使用简单投票法,即每个分类器一票进行投票(也可以进行概率平均)
对于回归任务,则采用简单平均获取最终结果,即取所有分类器的平均值

基于KNN的Bagging算法

关于参数和方法要注意的是:

首先控制特征子采样与样本子采样是否采用,采用的话是否要注意控制比例(一般而言,不要采取较小的数值,太小的特征子采样和样本子采样都会造成子学习器的性能太差.一般而言特征选择越少,方差越大,这点可以与最后的实验方差偏差分解对比分析).
其次控制Bagging中的随机数参数random_state固定,不然不同实验的结果将不一致,同时要注意的很多时候random_state对于测试误差的影响很大,因此加入你想要在某一个数据集上使用Bagging，那么建议多尝试几个不同的Random_state
oob_score = True 对性能有一定的提升(使用袋外样本进行泛化能力的评估,但是很多时候效果并不明显,或者看不出什么效果)
其他参数一般默认即可

from sklearn.ensemble import BaggingClassifier
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score

# load data from sklearn import datasets,model_selection
def load_data():
    iris=datasets.load_iris() # scikit-learn 自带的 iris 数据集
    X_train=iris.data
    y_train=iris.target
    return model_selection.train_test_split(X_train, y_train,test_size=0.25,random_state=0,stratify=y_train)

bagging = BaggingClassifier(KNeighborsClassifier(),max_samples=0.1,max_features=0.5,random_state=1)

X_train,X_test,y_train,y_test=load_data()

bagging.fit(X_train,y_train)
y_pre = bagging.predict(X_test)
print(accuracy_score(y_test,y_pre))

boosting
Boosting主要是Adaboost（Adaptive Boosting），它与Bagging的不同在于他将权重赋予每个训练元组，生成基分类器的过程为迭代生成。每当训练生成一个分类器M（i）时要进行权重更新，使得M（i+1）更关注被M（i）分类错误的训练元组。最终提升整体集合的分类准确率，集成规则是加权投票，每个分类器投票的权重是其准确率的函数。

继续详细介绍的话，假设数据集D，共有d类。（X1，Y1）…（Xd，Yd），Yi是Xi的类标号，假设需要生成k的分类器。其步骤为：

1、对每个训练元组赋予相等的权重1/d。

2、for i=1：k

从D中进行有放回的抽样，组成大小为d的训练集Di，同一个元组可以被多次选择，而每个元组被选中的几率由权重决定。利用Di训练得到分类器Mi，然后使用Di作为测试集计算Mi的误差。然后根据误差调整权重。

当元组没有被正确分类时，则权重增加；反之权重减少。然后利用新的权重为下一轮训练分类器产生训练样本。使其更“关注”上一轮中错分的元组。

3、进行加权投票集成

Bagging与Boosting的差异

通过上述简单的介绍，可以看出这两种集成算法主要区别在于“加没加权”。Bagging的训练集是随机生成，分类器相互独立；而Boosting的分类器是迭代生成，更关注上一轮的错分元组。因此Bagging的各个预测函数可以并行生成；而Boosting只能顺序生成。因此对于像一些比较耗时的分类器训练算法（如神经网络等）如果使用Bagging可以极大地解约时间开销。

但是通过在大多数数据集的实验，Boosting的准确率多数会高于Bagging，但是也有极个别数据集使用Boosting反倒会退化。

stacking
stakcing常常在各大数据挖掘竞赛中被广泛使用，号称“大杀器”。是数据挖掘竞赛高端玩家必备技能，本篇文章就对stakcing的一些基本原理进行介绍。

首先，在我看来stacking 严格来说不能称为一种算法，我理解的是一种非常精美而复杂的对模型的集成策略。大家都知道，在给定了数据集的情况下，数据内部的空间结构和数据之间的关系是非常复杂的。而不同的模型，其实很重要的一点就是在不同的角度去观测我们的数据集。比如说，KNN 可能更加关注样本点之间的距离关系（包括欧几里得距离（Euclidean Distance）、明可夫斯基距离（Minkowski Distance 等等），当样本距离相对较近， KNN 就把他们分为一类；而决策树，可能更加关注分裂节点时候的不纯度变化，有点像我们自己找的规则，在满足某个条件且满足某个条件的情况下，决策树把样本分为一类等等。也就是说，不同的算法模型，其实是在不同的数据空间角度和数据结构角度来观测数据，然后再依据它自己的观测，结合自己的算法原理，来建立一个模型，在新的数据集上再进行预测。这样大家就会有个疑问了，俗话说：三人行必有我师。既然是不同的算法对数据有不同的观测，那么我们能不能相互取长补短，我看看你的观测角度，你看看我的观测角度，咱俩结合一下，是不是可以得到一个更加全面更加优秀的结果呢？答案是肯定的。在我当初学基础算法的时候就有这么一个疑问，但是不知道怎么结合，直到有一天看到了 stacking的框架，瞬间感觉找到了一片新天地~~~~下面我从以下几个方面介绍 stacking。

一、stacking 的框架结构与运行过程：

刚开始看 stacking 好像是交叉检验的既视感，其实并不是这样。假设是五折的stacking，我们有一个train 数据集和一个test 数据集，那么一个基本的stacking 框架会进行如下几个操作：

1、选择基模型。我们可以有 xgboost，lightGMB，RandomForest，SVM，ANN，KNN， LR 等等你能想到的各种基本算法模型。

2、把训练集分为不交叉的五份。我们标记为 train1 到 train5。

3、从 train1 开始作为预测集，使用 train2 到 train5 建模，然后预测 train1，并保留结果；然后，以 train2 作为预测集，使用 train1，train3 到 train5 建模，预测 train2，并保留结果；如此进行下去，直到把 train1 到 train5 各预测一遍；

4、在上述建立的五个模型过程中，每个模型分别对 test 数据集进行预测，并最终保留这五列结果，然后对这五列取平均，作为第一个基模型对 test 数据的一个 stacking 转换。

5、把预测的结果按照 train1 到 trian5 的位置对应填补上，得到对 train 整个数据集在第一个基模型的一个 stacking 转换。

6、选择第二个基模型，重复以上 2-5 操作，再次得到 train 整个数据集在第二个基模型的一个 stacking 转换。

7、以此类推。有几个基模型，就会对整个train 数据集生成几列新的特征表达。同样，也会对test 有几列新的特征表达。

8、一般使用LR 作为第二层的模型进行建模预测。

bagging的优点：
易于并行计算
可以使用不在训练集中的样本来估计基学习器的性能
boosting的优点：
学习速度快能够有效利用弱学习器构建强大的学习器
boosting缺点与bagging相比更激进，更容易受噪声影响过拟合，不易并行
stacking多用于最终综合多个性能较好的模型，最易于过拟合

如何避免过拟合：
1、引入随机性
是机器学习中一个广为使用的避免过拟合的方法

stacking示例代码

from sklearn import datasets  

iris = datasets.load_iris()  
X, y = iris.data[:, 1:3], iris.target  

from sklearn import model_selection  
from sklearn.linear_model import LogisticRegression  
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier  
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB   
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier  
from mlxtend.classifier import StackingClassifier  
import numpy as np  

clf1 = KNeighborsClassifier(n_neighbors=1)  
clf2 = RandomForestClassifier(random_state=1)  
clf3 = GaussianNB()  
lr = LogisticRegression()  
sclf = StackingClassifier(classifiers=[clf1, clf2, clf3],   
                          meta_classifier=lr)  

print(‘3-fold cross validation:\n‘)  

for clf, label in zip([clf1, clf2, clf3, sclf],   
                      [‘KNN‘,   
                       ‘Random Forest‘,   
                       ‘Naive Bayes‘,  
                       ‘StackingClassifier‘]):  

    scores = model_selection.cross_val_score(clf, X, y,   
                                              cv=3, scoring=‘accuracy‘)  
    print("Accuracy: %0.2f (+/- %0.2f) [%s]"   
          % (scores.mean(), scores.std(), label))