随机森林过拟合

Posted 2023-03-12

【中文标题】随机森林过拟合

【英文标题】：Random Forest is overfitting

【发布时间】：2016-03-01 03:47:12

【问题描述】：

我正在使用带有分层 CV 的 scikit-learn 来比较一些分类器。 我正在计算：准确度、召回率、auc。

我用 GridSearchCV 进行参数优化，CV 为 5。

RandomForestClassifier(warm_start= True, min_samples_leaf= 1, n_estimators= 800, min_samples_split= 5,max_features= 'log2', max_depth= 400, class_weight=None)

是来自 GridSearchCV 的 best_params。

我的问题，我觉得我真的过拟合了。例如：

具有标准偏差 (+/-) 的随机森林

精度：0.99 (+/- 0.06) 灵敏度：0.94 (+/- 0.06) 特异性：0.94 (+/- 0.06) B_accuracy：0.94 (+/- 0.06) AUC：0.94 (+/- 0.11)

带标准差 (+/-) 的逻辑回归

精度：0.88(+/- 0.06) 灵敏度：0.79 (+/- 0.06) 特异性：0.68 (+/- 0.06) B_accuracy：0.73 (+/- 0.06) AUC：0.73 (+/- 0.041)

其他看起来也像逻辑回归（所以它们看起来并没有过度拟合）。

我的简历代码是：

for i,j in enumerate(data):
    X.append(data[i][0])
    y.append(float(data[i][1]))
x=np.array(X)
y=np.array(y)

def SD(values):

    mean=sum(values)/len(values)
    a=[]
    for i in range(len(values)):
        a.append((values[i]-mean)**2)
    erg=sum(a)/len(values)
    SD=math.sqrt(erg)
    return SD,mean

    for name, clf in zip(titles,classifiers):
    # go through all classifiers, compute 10 folds 
    # the next for loop should be 1 tab indent more, coudlnt realy format it here, sorry
    pre,sen,spe,ba,area=[],[],[],[],[]
    for train_index, test_index in skf:
        #print train_index, test_index
        #get the index from all train_index and test_index
        #change them to list due to some errors
        train=train_index.tolist()
        test=test_index.tolist()
        X_train=[]
        X_test=[]
        y_train=[]
        y_test=[]
        for i in train:
            X_train.append(x[i])

        for i in test:
            X_test.append(x[i]) 

        for i in train:
            y_train.append(y[i])

        for i in test:
            y_test.append(y[i]) 


        #clf=clf.fit(X_train,y_train)
        #predicted=clf.predict_proba(X_test)
        #... other code, calculating metrics and so on...
    print name 
    print("precision: %0.2f \t(+/- %0.2f)" % (SD(pre)[1], SD(pre)[0]))
    print("sensitivity: %0.2f \t(+/- %0.2f)" % (SD(sen)[1], SD(pre)[0]))
    print("specificity: %0.2f \t(+/- %0.2f)" % (SD(spe)[1], SD(pre)[0]))
    print("B_accuracy: %0.2f \t(+/- %0.2f)" % (SD(ba)[1], SD(pre)[0]))
    print("AUC: %0.2f \t(+/- %0.2f)" % (SD(area)[1], SD(area)[0]))
    print "\n"

如果我使用scores = cross_validation.cross_val_score(clf, X, y, cv=10, scoring='accuracy') 方法，我不会得到这个“过度拟合”值。所以也许我正在使用的 CV 方法有问题？但它只适用于射频......

由于 cross_val_function 中特异性评分函数的滞后，我自己做了。

【问题讨论】：

问题是……？

您不交叉验证随机森林。相反，在构建森林时会对其进行交叉验证。

但是我应该如何比较模型呢？我知道这是经过交叉验证的，但不知何故我应该将它与其他方法（如 SVM、逻辑回归等）进行比较。我的问题也是：为什么我会过度拟合？带有“for train_index, test_index in skf:”的部分是否整个循环可能是错误的？因为正如我提到的， scorer_val 函数给出“正常”值

@TimBiegeleisen 您指的是 OoB 错误吗？因为“在构建过程中进行交叉验证”意味着与实际发生的情况不同，不应将其视为使用 RF 时无需单独训练/测试的声明。

为什么你认为？过度拟合是指您在训练数据上表现良好（随机森林几乎总是如此）但在测试数据上表现不佳。似乎随机森林的表现优于逻辑回归，如果您有高维度，这是可以预期的高度非线性解的问题。 en.wikipedia.org/wiki/Overfitting

【参考方案1】：

赫伯特，

如果您的目标是比较不同的学习算法，我建议您使用嵌套交叉验证。 （我将学习算法称为不同的算法，例如逻辑回归、决策树和其他从您的训练数据中学习假设或模型（最终分类器）的判别模型。

如果您想调整单个算法的超参数，“常规”交叉验证很好。但是，一旦您开始使用相同的交叉验证参数/折叠运行超参数优化，您的性能估计可能会过于乐观。如果您一遍又一遍地运行交叉验证，您的测试数据将在某种程度上成为“训练数据”。

实际上，人们经常问我这个问题，我将从我在此处发布的常见问题解答部分中摘录一些内容：http://sebastianraschka.com/faq/docs/evaluate-a-model.html

在嵌套交叉验证中，我们有一个外部 k-fold 交叉验证循环来将数据分成训练和测试折叠，而一个内部循环用于通过训练上的 k-fold 交叉验证来选择模型折叠。模型选择后，测试折用于评估模型性能。在我们确定了我们“最喜欢的”算法之后，我们可以跟进一个“常规的”k-fold 交叉验证方法（在完整的训练集上）来找到它的“最佳”超参数并在独立的测试集上对其进行评估。让我们考虑一个逻辑回归模型来更清楚地说明这一点：使用嵌套交叉验证，您将训练 m 个不同的逻辑回归模型，m 个外部折叠各 1 个，内部折叠用于优化每个模型的超参数（例如，结合使用gridsearch和k-fold交叉验证。如果你的模型是稳定的，这m个模型应该都有相同的超参数值，并且你根据外部测试折叠报告这个模型的平均性能。然后，你继续下一个算法，例如 SVM 等。

我只能强烈推荐这篇更详细地讨论这个问题的优秀论文：

S。 Varma 和 R. 西蒙。使用交叉验证进行模型选择时的误差估计偏差。 BMC 生物信息学，7(1):91，2006。(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1397873/)

PS：通常，您不需要/不想调整随机森林的超参数（如此广泛）。随机森林（一种装袋形式）背后的想法实际上是不修剪决策树 - 实际上，Breiman 提出随机森林算法的一个原因是处理单个决策树的修剪问题/过度拟合。因此，您真正需要“担心”的唯一参数是树的数量（可能还有每棵树的随机特征数量）。但是，通常，您最好采用大小为 n 的训练引导样本（其中 n 是训练集中的原始特征数）和 squareroot(m) 特征（其中 m 是训练集的维度）。

希望这对您有所帮助！

编辑：

通过 scikit-learn 进行嵌套 CV 的一些示例代码：

pipe_svc = Pipeline([('scl', StandardScaler()),
                     ('clf', SVC(random_state=1))])

param_range = [0.0001, 0.001, 0.01, 0.1, 1.0, 10.0, 100.0, 1000.0]

param_grid = ['clf__C': param_range, 
               'clf__kernel': ['linear'],
             'clf__C': param_range, 
               'clf__gamma': param_range, 
               'clf__kernel': ['rbf']]


# Nested Cross-validation (here: 5 x 2 cross validation)
# =====================================
gs = GridSearchCV(estimator=pipe_svc, 
                            param_grid=param_grid, 
                            scoring='accuracy', 
                            cv=5)
scores = cross_val_score(gs, X_train, y_train, scoring='accuracy', cv=2)
print('CV accuracy: %.3f +/- %.3f' % (np.mean(scores), np.std(scores)))

【讨论】：

grid = GridSearchCV(algo, paramsE, cv=5, score='accuracy').fit(x_data,y_data) 然后：scores = cross_validation.cross_val_score(grid, x_data, y_data)，会是否是嵌套的简历？从中我可以得到 grid.best_score_ 和最佳参数/估计器？

@auronsen 不完全是。这不会是“嵌套 CV”，因为您将在训练集上拟合网格搜索估计器，而不是在外循环的训练子折叠上。我在上一个答案的底部添加了一个示例；希望有帮助！