机器学习七之随机森林、Adaboost、GBDT
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十七、随机森林、Adaboost、GBDT、XGBoost、LightBGM
十七、随机森林、Adaboost、GBDT
一、随机森林
随机森林在使用CART决策树作为弱学习器的基础上，决策树的建立做了改进，对于普通的决策树，我们会在节点上所有的n个样本特征中选择一个最优的特征来做决策树的左右子树划分，但是RF通过随机选择节点上的一部分样本特征，这个数字小于n，假设为nsub，然后在这些随机选择的nsub个样本特征中，选择一个最优的特征来做决策树的左右子树划分。这样进一步增强了模型的泛化能力。一般nsub = log2(n);
步骤：
1. 样本的随机：从样本集中用（有放回的）Bootstrap随机选取n个样本
2. 特征的随机：从所有属性中随机选取K个属性，选择最佳分割属性作为节点建立CART决策树
3. 重复以上两步m次，即建立了m棵CART决策树
4. 这m个CART形成随机森林，通过投票表决结果，决定数据属于哪一类（投票机制有一票否决制、少数服从多数、加权多数）
优点：
1） 训练可以高度并行化，对于大数据时代的大样本训练速度有优势。个人觉得这是的最主要的优点。
2） 由于可以随机选择决策树节点划分特征，这样在样本特征维度很高的时候，仍然能高效的训练模型。
3） 在训练后，可以给出各个特征对于输出的重要性
4） 由于采用了随机采样，训练出的模型的方差小，泛化能力强。
5） 相对于Boosting系列的Adaboost和GBDT， RF实现比较简单。
6） 对部分特征缺失不敏感。
缺点：
1）在某些噪音比较大的样本集上，RF模型容易陷入过拟合。
2) 取值划分比较多的特征容易对RF的决策产生更大的影响，从而影响拟合的模型的效果。
二、Adaboost
属于Boosting，原始的AdaBoost算法是在算法开始的时候，为每一个样本赋上一个权重值，初始的时候，大家都是一样重要的。在每一步训练中得到的模型，会使得数据点的估计有对有错，我们就在每一步结束后，增加分错的点的权重，减少分对的点的权重，这样使得某些点如果老是被分错，那么就会被“重点关注”，也就被赋上一个很高的权重。然后等进行了N次迭代（由用户指定），将会得到N个简单的分类器（basic learner），然后我们将它们组合起来（比如说可以对它们进行加权、或者让它们进行投票等），得到一个最终的模型。
b. 计算Gm(x)在训练数据集上的分类误差率
由上述式子可知，Gm(x)在训练数据集上的误差率em就是被Gm(x)误分类样本的权值之和。
c. 计算Gm(x)的系数，am表示Gm(x)在最终分类器中的重要程度（目的：得到基本分类器在最终分类器中所占的权重）：
由上述式子可知，em <= 1/2时，am >= 0，且am随着em的减小而增大，意味着分类误差率越小的基本分类器在最终分类器中的作用越大。
d. 更新训练数据集的权值分布（目的：得到样本的新的权值分布），用于下一轮迭代
使得被基本分类器Gm(x)误分类样本的权值增大，而被正确分类样本的权值减小。就这样，通过这样的方式，AdaBoost方法能“重点关注”或“聚焦于”那些较难分的样本上。其中，Zm是规范化因子，使得Dm+1成为一个概率分布：
步骤3. 组合各个弱分类器
三、GBDT (梯度提升树)
属于Boosting的优秀代表, 对函数残差近似值进行一阶梯度下降, 用CART回归树做学习器, 集成为回归模型;
GBDT（Gradient Boosting Decison Tree）中的树都是回归树，GBDT用来做回归预测，调整后也可以用于分类（设定阈值，大于阈值为正例，反之为负例），可以发现多种有区分性的特征以及特征组合。GBDT是把所有树的结论累加起来做最终结论的，GBDT的核心就在于，每一棵树学的是之前所有树结论和的残差(负梯度)，这个残差就是一个加预测值后能得真实值的累加量。比如A的真实年龄是18岁，但第一棵树的预测年龄是12岁，差了6岁，即残差为6岁。那么在第二棵树里我们把A的年龄设为6岁去学习，如果第二棵树真的能把A分到6岁的叶子节点，那累加两棵树的结论就是A的真实年龄；如果第二棵树的结论是5岁，则A仍然存在1岁的残差，第三棵树里A的年龄就变成1岁，继续学。 Boosting的最大好处在于，每一步的残差计算其实变相地增大了分错instance的权重，而已经分对的instance则都趋向于0。这样后面的树就能越来越专注那些前面被分错的instance。
四、GBDT和随机森林
相同点：
1、都是由多棵树组成
2、最终的结果都是由多棵树一起决定
不同点：
1、随机森林的树可以是分类树，也可以是回归树；而GBDT只由回归树组成
2、随机森林的树可以并行生成；GBDT只能是串行生成
3、随机森林采用多数投票等；GBDT则是将所有结果累加起来，或者加权累加起来
4、随机森林对异常值不敏感，GBDT对异常值非常敏感
5、随机森林对训练集一视同仁，GBDT是基于权值的弱分类器的集成
6、随机森林是通过减少模型方差提高性能，GBDT是通过减少模型偏差提高性能