【机器学习】Bagging和随机森林

学习目标

🍀 知道Bagging算法的基本原理

🍀 掌握sklearn中随机森林API的使用方法

🍔 Bagging 框架

1.1 算法引入

Baggging 框架通过有放回的抽样产生不同的训练集，从而训练具有差异性的弱学习器，然后通过平权投票、多数表决的方式决定预测结果。

例子：

目标：把下面的圈和方块进行分类

1)采样不同数据集

2)训练分类器

3)平权投票，获取最终结果

4)主要实现过程小结

Bagging 使用 bootstrap 采样, 会存在大约 1/3 左右的数据未被选中用于训练弱学习，这部分未被选中的数据被称为 oob（out of bag）, 即：包外估计数据集。

1.2 booststrap抽样

在样本集D（样本数为m）内有放回的抽样，抽取数为m，每次抽取的概率相等为1/m，可能重复抽取。 原数据集D中36.8%的样本没有出现在采样数据集D1中。 我们可以使用D1作为训练集，D-D1作为测试集。这样实际评估的模型与期望的模型都使用m个训练样本，而我们仍有数据总量的1/3的，没有在训练集中出现的样本用于测试。

OOB 数据集可以作为验证集，用来辅助树的剪枝、或者评估树泛化能力。

1.3 算法总结

Bagging基本流程：通过上述自助采样，采出T个含m个训练样本的采样集，然后基于每个采样集训练出一个基学习器，在将这些基学习器进行组合。

在对预测输出进行结合的时候，Bagging通常对分类任务使用简单投票法，对回归任务进行简单的平均法。但是如果投票个数一致，则最简单的做法是随机选择一个类别，当然也可以进一步考察学习器投票的置信度来确定最终的分类。

基本分类器可以是决策树，逻辑回归等基分类器。

对于稳定性不好的分类器很实用，通过多数投票，减小了泛化误差，而对于稳定的分类器，集成效果并不明显。

1.4 Bagging性能

（1）Bagging是一个很高效的集成学习算法

（2）Bagging与下面讲的AdaBoost只适用于二分类不同，它能不经修改地用于多分类、回归任务。

（3）自助bootstrap采样过程还给Bagging带来了另一个优点：由于每个基学习器只使用了初始训练集中约63.2%的样本，剩下的约36.8%样本可用作验证集来泛化性能进行“包外样本评估（即：不同于训练数据的样本）”。

（4）从偏差-方差分解角度看，Bagging主要关注降低方差，因此他在不剪枝决策树、神经网络等易受样本扰动的学习器上效果更为明显。

1.5 Bagging算法总结

Bagging算法首先采用M轮自助采样法，获得M个包含N个训练样本的采样集。然后，基于这些采样集训练出一个基学习器。最后将这M个基学习器进行组合。组合策略为：

• 分类任务采用简单投票法：即每个基学习器一票
  
• 回归问题使用简单平均法：即每个基学习器的预测值取平均值
  
  

🍔 随机森林

随机森林是基于 Bagging 思想实现的一种集成学习算法，它采用决策树模型作为每一个基学习器。其构造过程：

1. 训练：

1. 有放回的产生训练样本
   
2. 随机挑选 n 个特征（n 小于总特征数量）
   

2. 预测：平权投票，多数表决输出预测结果
   

2.1 算法总结

集成学习分类之随机森林的步骤

如上图：

首先，对样本数据进行有放回的抽样，得到多个样本集。具体来讲就是每次从原来的N个训练样本中有放回地随机抽取m个样本(包括可能重复样本)。

然后，从候选的特征中随机抽取k个特征，作为当前节点下决策的备选特征，从这些特征中选择最好地划分训练样本的特征。用每个样本集作为训练样本构造决策树。单个决策树在产生样本集和确定特征后，使用CART算法计算，不剪枝。

最后，得到所需数目的决策树后，随机森林方法对这些树的输出进行投票，以得票最多的类作为随机森林的决策。

说明：

（1）随机森林的方法即对训练样本进行了采样，又对特征进行了采样，充分保证了所构建的每个树之间的独立性，使得投票结果更准确。

（2）随机森林的随机性体现在每棵树的训练样本是随机的，树中每个节点的分裂属性也是随机选择的。有了这2个随机因素，即使每棵决策树没有进行剪枝，随机森林也不会产生过拟合的现象。

随机森林中有两个可控制参数：

• 森林中树的数量（一般选取值较大）
  
• 抽取的属性值m的大小。
  

思考

1. 为什么要随机抽样训练集？　　
   

如果不进行随机抽样，每棵树的训练集都一样，那么最终训练出的树分类结果也是完全一样。

1. 为什么要有放回地抽样？
   

如果不是有放回的抽样，那么每棵树的训练样本都是不同的，都是没有交集的，这样每棵树都是“有偏的”，都是绝对“片面的”（当然这样说可能不对），也就是说每棵树训练出来都是有很大的差异的；而随机森林最后分类取决于多棵树（弱分类器）的投票表决。

2.2 随机深林 API

sklearn.ensemble.RandomForestClassifier()

n_estimators：决策树数量，(default = 10)

Criterion：entropy、或者 gini, (default = gini)

max_depth：指定树的最大深度，(default = None 表示树会尽可能的生长)

max_features="auto”, 决策树构建时使用的最大特征数量

• If "auto", then max_features=sqrt(n_features).
  
• If "sqrt", then max_features=sqrt(n_features)(same as "auto").
  
• If "log2", then max_features=log2(n_features).
  
• If None, then max_features=n_features.
  

bootstrap：是否采用有放回抽样，如果为 False 将会使用全部训练样本，(default = True)

min_samples_split： 结点分裂所需最小样本数，(default = 2)

• 如果节点样本数少于min_samples_split，则不会再进行划分.
  
• 如果样本量不大，不需要设置这个值.
  
• 如果样本量数量级非常大，则推荐增大这个值.
  

min_samples_leaf： 叶子节点的最小样本数，(default = 1)

• 如果某叶子节点数目小于样本数，则会和兄弟节点一起被剪枝.
  
• 较小的叶子结点样本数量使模型更容易捕捉训练数据中的噪声.
  

min_impurity_split: 节点划分最小不纯度

• 如果某节点的不纯度(基尼系数，均方差)小于这个阈值，则该节点不再生成子节点，并变为叶子节点.
  
• 一般不推荐改动默认值1e-7。
  

上面决策树参数中最重要的包括

1. 最大特征数 max_features，
   
2. 最大深度 max_depth，
   
3. 节点最少样本数 min_samples_split
   
4. 叶子节点最少样本数: min_samples_leaf。
   

2.3 随机森林的Sklearn实战

这里使用泰坦尼克号案例实战：

#1.数据导入
#1.1导入数据
import pandas as pd
#1.2.利用pandas的read.csv模块从互联网中收集泰坦尼克号数据集
titanic=pd.read_csv("data/泰坦尼克号.csv")
titanic.info() #查看信息
#2人工选择特征pclass,age,sex
X=titanic[['Pclass','Age','Sex']]
y=titanic['Survived']
#3.特征工程
#数据的填补
X['Age'].fillna(X['Age'].mean(),inplace=True)
X = pd.get_dummies(X)
#数据的切分
from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test =train_test_split(X,y,test_size=0.25,random_state=22)
#4.使用单一的决策树进行模型的训练及预测分析
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
dtc=DecisionTreeClassifier()
dtc.fit(X_train,y_train)
dtc_y_pred=dtc.predict(X_test)
dtc.score(X_test,y_test)
#5.随机森林进行模型的训练和预测分析
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
rfc=RandomForestClassifier(max_depth=6,random_state=9)
rfc.fit(X_train,y_train)
rfc_y_pred=rfc.predict(X_test)
rfc.score(X_test,y_test)
#6.性能评估
from sklearn.metrics import classification_report
print("dtc_report:",classification_report(dtc_y_pred,y_test))
print("rfc_report:",classification_report(rfc_y_pred,y_test))

超参数选择代码:

# 随机森林去进行预测
# 1 实例化随机森林
rf = RandomForestClassifier()
# 2 定义超参数的选择列表
param={"n_estimators":[80,100,200], "max_depth": [2,4,6,8,10,12],"random_state":[9]}
# 超参数调优
# 3 使用GridSearchCV进行网格搜索
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
gc = GridSearchCV(rf, param_grid=param, cv=2)
gc.fit(X_train, y_train)
print("随机森林预测的准确率为：", gc.score(X_test, y_test))

🍔 小结

🍬 Bagging 通过自助法进行采样并用于训练弱学习器，最后采用平权投票方式决定未知样本的最后预测

🍬 随机森林通过自助法、特征采样方法训练弱学习器，最后采用平权投票方式决定未知样本的最后预测