AI - 机器学习GBDT算法

简介: 梯度提升决策树(Gradient Boosting Decision Tree),是一种集成学习的算法,它通过构建多个决策树来逐步修正之前模型的错误,从而提升模型整体的预测性能。

GBDT


梯度提升决策树(Gradient Boosting Decision Tree),是一种集成学习的算法,它通过构建多个决策树来逐步修正之前模型的错误,从而提升模型整体的预测性能。


GBDT属于Boosting方法的一种,这种方法会顺序构建一系列弱学习器(通常是决策树),每个后续模型都侧重于纠正前一个模型的错误。在GBDT中,这些弱学习器是回归决策树。GBDT利用了泰勒级数展开和梯度下降法的思想,在函数空间中使用梯度下降法进行优化。GBDT可以应用于回归和分类问题,对于多分类问题,通常会使用类似于softmax回归中提到的损失函数和梯度。  


提升树


📀提升树:通过拟合残差的思想来进行提升(真实值 - 预测值)


  • 预测某人的年龄为100岁
  • 第1次预测:对100岁预测,因单模型在预测精度上有上限,只能预测成80岁;100 – 80 = 20(残差)
  • 第2次预测:上一轮残差20岁作为目标值,只能预测成16岁;20 – 16 = 4 (残差)
  • 第3次预测:上一轮的残差4岁作为目标值,只能预测成3.2岁;4 – 3.2 = 0.8(残差)
  • 若三次预测的结果串联起来: 80 + 16 + 3.2 = 99.2


对于提升树来说只需要简单地拟合当前模型的残差。


梯度提升树


📀梯度提升树不再使用拟合残差,而是利用最速下降的近似方法,利用损失函数的负梯度作为提升树

算法中的残差近似值。



  • 切分点1.5 将数据集分成两份 [5.56],[5.56 5.7 5.91 6.4 6.8 7.05 8.9 8.7 9. 9.05]


  • 第一份的平均值为5.56 第二份数据的平均值为(5.7+5.91+6.4+6.8+7.05+8.9+8.7+9+9.05)/9 = 7.5011


  • 第一份数据的误差为0,第二份数据的平方误差为目标值与预测值的差的平方再相加:15.7


根据计算以 6.5 作为切分点损失最小。


  • 当处理回归问题时,如果损失函数是均方误差(square error loss),那么负梯度就是残差,即真实值与当前模型预测值的差值。
  • 对于分类问题,特别是二元分类,通常会使用类似于逻辑回归的损失函数,如对数损失(log loss)或交叉熵损失(cross-entropy loss)。在这种情况下,负梯度是基于概率预测的梯度,而不是直接的残差。
  • 在GBDT中,无论是分类还是回归问题,都使用CART算法中的回归树来拟合负梯度。这是因为负梯度是连续值,需要用回归树来进行拟合。
  • 负梯度是GBDT中用来指导模型优化的方向,它根据当前模型的损失函数来计算,并通过拟合这些负梯度来训练新的决策树,从而逐步提升模型的性能。


构建第二个弱学习器



以 3.5 作为切分点损失最小


构建第三个弱学习器



以 6.5 作为切分点损失最小


最终的强学习器 :



GBDT算法实战案例


from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.ensemble import GradientBoostingRegressor
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import mean_squared_error
 
# 加载波士顿房价数据集
data = load_boston()
X, y = data.data, data.target
 
# 划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)
 
# 创建GBDT回归模型
gbdt = GradientBoostingRegressor(n_estimators=100, learning_rate=0.1, max_depth=3, random_state=42)
 
# 训练模型
gbdt.fit(X_train, y_train)
 
# 预测测试集
y_pred = gbdt.predict(X_test)
 
# 计算均方误差
mse = mean_squared_error(y_test, y_pred)
print("Mean Squared Error:", mse)


小结:


  • 梯度提升树(Gradient Boosting Trees)是一种集成学习方法,通过迭代地构建多个决策树来逐步修正之前模型的错误,从而提升模型整体的预测性能。
  • 负梯度是一个重要的概念,它用于指导每棵树的学习方向。具体来说,负梯度是损失函数在当前模型预测值处的导数的相反数。对于不同的损失函数,负梯度的计算方式会有所不同。
  • GBDT算法的基本步骤包括初始化模型、迭代地添加新的决策树、拟合残差或负梯度、更新模型等。在每一步迭代中,GBDT通过拟合负梯度来训练新的决策树,然后将这些树组合起来更新模型,以减少总体损失。
  • GBDT算法的停止条件通常是达到预设的最大迭代次数或者模型性能达到一定的阈值。当模型性能不再显著提升时,可以提前停止迭代,以避免过拟合和过度训练的问题。


XGBoost  


🔊XGBoost,全称为eXtreme Gradient Boosting,是一种基于提升算法(Boosting)的机器学习算法,旨在通过组合多个弱分类器来生成一个强大的分类器


与传统的梯度提升方法类似,XGBoost基于加法模型,通过不断地添加决策树来逐步优化模型的预测性能。每个新加入的树都致力于纠正之前所有树的累积误差。XGBoost定义了一个具有两个主要部分的目标函数。第一部分是衡量模型预测值与实际值之间差异的损失函数,第二部分则包括了控制模型复杂度的正则化项,以防止过拟合。正则化项由树的叶子节点数量和叶子节点分数的L2模组成,分别由超参数γ和λ控制。XGBoost使用的基学习器是CART(Classification and Regression Trees)回归树。在每一步迭代中,算法选择分裂特征和切分点以最大程度地降低目标函数的值。这种优化过程涉及到遍历所有可能的特征和切分点,以找到最佳的分裂方案。


  • 基本原理与GBDT相同,属于Gradient Boosting 类型的机器学习算法,是对GBDT的优化
  • 在训练每一棵树的时候GBDT采用了并行的方式进行训练,提高了模型训练速度


XGBoost 属于Boosting类集成学习模型, 要串行的训练多个模型逐步逼近降低损失,我们很难找到一个函数通过梯度下降的套路来解决这个问题。


  • 与传统的梯度下降法只使用一阶导数信息不同,XGBoost采用了二阶导数的泰勒展开,这不仅使用了一阶导数,还利用了二阶导数信息,从而可以更精准地找到损失函数的最小值。
  • XGBoost支持在每一轮提升迭代中进行交叉验证评估,方便用户实时监控模型的性能并进行调优。


sklearn的XGBoost使用参数


booster


  1. gbtree:使用树模型


  1. gblinear:使用线性模型


  1. dart:使用树模型


num_feature


  • 在boosting中使用特征的维度,设置为特征的最大维度


案例


import joblib
import numpy as np
import xgboost as xgb
import pandas as pd
import numpy as np
from collections import Counter
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import classification_report
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold
 
def test01():
 
    
    data = pd.read_csv('wine.csv')
    x = data.iloc[:, :-1]
    y = data.iloc[:, -1] - 3
 
    
    x_train, x_valid, y_train, y_valid = train_test_split(x, y, test_size=0.2, stratify=y, random_state=22)
 
    # 存储数据
    pd.concat([x_train, y_train], axis=1).to_csv('data-train.csv')
    pd.concat([x_valid, y_valid], axis=1).to_csv('data-valid.csv')
 
# 模型训练
def test02():
 
    
    train_data = pd.read_csv('data类-train.csv')
    valid_data = pd.read_csv('data-valid.csv')
 
    # 训练集
    x_train = train_data.iloc[:, :-1]
    y_train = train_data.iloc[:, -1]
 
    # 测试集
    x_valid = valid_data.iloc[:, :-1]
    y_valid = valid_data.iloc[:, -1]
 
    
    estimator = xgb.XGBClassifier(n_estimators=100,
                                  objective='multi:softmax',
                                  eval_metric='merror',
                                  eta=0.1,
                                  use_label_encoder=False,
                                  random_state=22)
    estimator.fit(x_train, y_train)
 
    
    y_pred = estimator.predict(x_valid)
    print(classification_report(y_true=y_valid, y_pred=y_pred))
 
    # 模型保存
    joblib.dump(estimator, 'model/xgboost.pth')


除了'multi:softmax',XGBoost中还有其他的objective损失函数参数选项。以下是一些常见的选项:


  1. 'binary:logistic':用于二分类问题,使用逻辑回归损失函数。
  2. 'reg:linear':用于回归问题,使用线性回归损失函数。
  3. 'reg:squarederror':用于回归问题,使用平方误差损失函数。
  4. 'reg:squaredlogerror':用于回归问题,使用平方对数误差损失函数。
  5. 'count:poisson':用于计数问题的泊松回归,使用泊松分布损失函数。
  6. 'rank:pairwise':用于排序问题,使用成对排序损失函数。
  7. 'rank:ndcg':用于排序问题,使用NDCG(Normalized Discounted Cumulative Gain)评估指标。
  8. 'rank:map':用于排序问题,使用MAP(Mean Average Precision)评估指标。
  9. 'survival:cox':用于生存分析问题,使用Cox比例风险模型。
  10. 'multi:softprob':用于多分类问题,输出每个类别的概率。
  11. 'multi:softmax':用于多分类问题,输出每个类别的预测结果。


模型参数调优


from sklearn.utils import class_weight
classes_weights = class_weight.compute_sample_weight(class_weight='balanced',y=y_train)
 
estimator.fit(x_train, y_train,sample_weight = classes_weights)
y_pred = estimator.predict(x_valid)
print(classification_report(y_true=y_valid, y_pred=y_pred))
 
# 交叉验证网格搜索
train_data = pd.read_csv('data-train.csv')
valid_data = pd.read_csv('data-valid.csv')
 
 
x_train = train_data.iloc[:, :-1]
y_train = train_data.iloc[:, -1]
 
x_valid = valid_data.iloc[:, :-1]
y_valid = valid_data.iloc[:, -1]
 
spliter = StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True)
param_grid = {'max_depth': np.arange(3, 5, 1),
              'n_estimators': np.arange(50, 150, 50),
              'eta': np.arange(0.1, 1, 0.3)}
estimator = xgb.XGBClassifier(n_estimators=100,
                              objective='multi:softmax',
                              eval_metric='merror',
                              eta=0.1,
                              use_label_encoder=False,
                              random_state=22)
cv = GridSearchCV(estimator,param_grid,cv=spliter)
y_pred = cv.predict(x_valid)
print(classification_report(y_true=y_valid, y_pred=y_pred))


使用网格搜索(GridSearchCV)来优化XGBoost模型的超参数。首先定义了一个参数网格(param_grid),包含了三个超参数:max_depth(树的最大深度)、n_estimators(弱学习器的数量)和eta(学习率)。然后使用GridSearchCV进行交叉验证,最后对验证集进行预测。


📀 classification_report 是一个用于评估分类模型性能的函数,它可以计算并显示主要的分类指标,如准确率、召回率、F1分数等。StratifiedKFold 是一个用于分层抽样的交叉验证方法,它确保每个折叠中类别的比例与整个数据集中的比例相同。


from sklearn.metrics import classification_report
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
 
# 加载数据集
data = load_iris()
X, y = data.data, data.target
 
# 创建分层抽样的交叉验证对象
skf = StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=42)
 
# 初始化分类器
clf = LogisticRegression()
 
# 存储预测结果和真实标签
y_true = []
y_pred = []
 
# 进行交叉验证
for train_index, test_index in skf.split(X, y):
    X_train, X_test = X[train_index], X[test_index]
    y_train, y_test = y[train_index], y[test_index]
 
    # 训练模型
    clf.fit(X_train, y_train)
 
    # 预测测试集
    y_pred_test = clf.predict(X_test)
 
    # 更新预测结果和真实标签
    y_true.extend(y_test)
    y_pred.extend(y_pred_test)
 
# 输出分类报告
print(classification_report(y_true, y_pred))


🏷️关于交叉验证的参数问题


spliter 是一个用于数据分割的参数,它指定了交叉验证的策略。在 GridSearchCV 中,cv 参数用于控制交叉验证的折数或具体的交叉验证策略。


如果 cv 是一个整数,那么它将表示进行多少折交叉验证。例如,cv=5 表示将数据集分成 5 份,然后进行 5-fold 交叉验证。每次迭代时,其中一份数据作为测试集,其余的数据作为训练集。


如果 cv 是一个交叉验证对象(如 KFold、StratifiedKFold 等),那么它将直接指定交叉验证的策略。这些对象可以根据特定的需求对数据进行分割,例如按照一定比例划分训练集和测试集,或者根据类别的比例进行分层抽样。


相关文章
|
6天前
|
传感器 人工智能 监控
智慧电厂AI算法方案
智慧电厂AI算法方案通过深度学习和机器学习技术,实现设备故障预测、发电运行优化、安全监控和环保管理。方案涵盖平台层、展现层、应用层和基础层,具备精准诊断、智能优化、全方位监控等优势,助力电厂提升效率、降低成本、保障安全和环保合规。
智慧电厂AI算法方案
|
6天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 监控
智慧交通AI算法解决方案
智慧交通AI算法方案针对交通拥堵、违法取证难等问题,通过AI技术实现交通管理的智能化。平台层整合多种AI能力,提供实时监控、违法识别等功能;展现层与应用层则通过一张图、路口态势研判等工具,提升交通管理效率。方案优势包括先进的算法、系统集成性和数据融合性,应用场景涵盖车辆检测、道路环境检测和道路行人检测等。
|
6天前
|
传感器 人工智能 监控
智慧化工厂AI算法方案
智慧化工厂AI算法方案针对化工行业生产过程中的安全风险、效率瓶颈、环保压力和数据管理不足等问题,通过深度学习、大数据分析等技术,实现生产过程的实时监控与优化、设备故障预测与维护、安全预警与应急响应、环保监测与治理优化,全面提升工厂的智能化水平和管理效能。
智慧化工厂AI算法方案
|
7天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
【手写数字识别】Python+深度学习+机器学习+人工智能+TensorFlow+算法模型
手写数字识别系统,使用Python作为主要开发语言,基于深度学习TensorFlow框架,搭建卷积神经网络算法。并通过对数据集进行训练,最后得到一个识别精度较高的模型。并基于Flask框架,开发网页端操作平台,实现用户上传一张图片识别其名称。
23 0
【手写数字识别】Python+深度学习+机器学习+人工智能+TensorFlow+算法模型
|
1月前
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
"拥抱AI规模化浪潮:从数据到算法,解锁未来无限可能,你准备好迎接这场技术革命了吗?"
【10月更文挑战第14天】本文探讨了AI规模化的重要性和挑战,涵盖数据、算法、算力和应用场景等方面。通过使用Python和TensorFlow的示例代码,展示了如何训练并应用一个基本的AI模型进行图像分类,强调了AI规模化在各行业的广泛应用前景。
31 5
|
28天前
|
机器学习/深度学习 算法 Java
机器学习、基础算法、python常见面试题必知必答系列大全:(面试问题持续更新)
机器学习、基础算法、python常见面试题必知必答系列大全:(面试问题持续更新)
|
16天前
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
探索机器学习中的决策树算法
【10月更文挑战第29天】本文将深入浅出地介绍决策树算法,一种在机器学习中广泛使用的分类和回归方法。我们将从基础概念出发,逐步深入到算法的实际应用,最后通过一个代码示例来直观展示如何利用决策树解决实际问题。无论你是机器学习的初学者还是希望深化理解的开发者,这篇文章都将为你提供有价值的见解和指导。
|
1月前
|
人工智能 算法 前端开发
无界批发零售定义及无界AI算法,打破传统壁垒,累积数据流量
“无界批发与零售”是一种结合了批发与零售的商业模式,通过后端逻辑、数据库设计和前端用户界面实现。该模式支持用户注册、登录、商品管理、订单处理、批发与零售功能,并根据用户行为计算信用等级,确保交易安全与高效。
|
1月前
|
机器学习/深度学习 人工智能 自然语言处理
【MM2024】阿里云 PAI 团队图像编辑算法论文入选 MM2024
阿里云人工智能平台 PAI 团队发表的图像编辑算法论文在 MM2024 上正式亮相发表。ACM MM(ACM国际多媒体会议)是国际多媒体领域的顶级会议,旨在为研究人员、工程师和行业专家提供一个交流平台,以展示在多媒体领域的最新研究成果、技术进展和应用案例。其主题涵盖了图像处理、视频分析、音频处理、社交媒体和多媒体系统等广泛领域。此次入选标志着阿里云人工智能平台 PAI 在图像编辑算法方面的研究获得了学术界的充分认可。
【MM2024】阿里云 PAI 团队图像编辑算法论文入选 MM2024
|
1月前
|
机器学习/深度学习 人工智能 算法
【玉米病害识别】Python+卷积神经网络算法+人工智能+深度学习+计算机课设项目+TensorFlow+模型训练
玉米病害识别系统,本系统使用Python作为主要开发语言,通过收集了8种常见的玉米叶部病害图片数据集('矮花叶病', '健康', '灰斑病一般', '灰斑病严重', '锈病一般', '锈病严重', '叶斑病一般', '叶斑病严重'),然后基于TensorFlow搭建卷积神经网络算法模型,通过对数据集进行多轮迭代训练,最后得到一个识别精度较高的模型文件。再使用Django搭建Web网页操作平台,实现用户上传一张玉米病害图片识别其名称。
56 0
【玉米病害识别】Python+卷积神经网络算法+人工智能+深度学习+计算机课设项目+TensorFlow+模型训练

热门文章

最新文章