大连理工大学选修课——机器学习笔记(8):Boosting及提升树
Boosting及提升树
Boosting概述
- Bootstrap强调的是抽样方法
不同的数据集彼此独立,可并行操作
- Boosting注重数据集改造
数据集之间存在强依赖关系,只能串行实现
处理的结果都是带来了训练集改变,从而得到不同的学习模型
Boosting基本思想
boosting样本集中,初始权重均等;根据上一个弱模型预测结果修改错分样本的权重。
- 生成具有不同样本权重的新数据集
- 训练新的弱学习模型
循环操作,生成n个不同的数据集
-
新数据集依次递进生成
-
训练n个不同的学习模型
-
根据组合策略生成强学习模型
Boosting的基本问题
- 如何计算预测的错误率
- 如何设置弱学习模型的权重系数
- 如何更新训练样本的权重
- 如何选择集成学习的组合策略
Boosting的常用方法
- AdaBoost 自适应提升
- Gradient Boosting 梯度提升
- Extreme Gradient Boosting 极端梯度提升
常用的弱学习模型
- 决策树
- GBDT(Gradient Boosting DecisionTree)
- XGBDT(eXtreme Gradient Boosting DecisionTree)
AdaBoost
- 加法模型:强学习模型是弱学习模型的线性组合
- 损失函数是指数型函数
- 学习算法是正向分步算法
- 采用“正向激励+递进”机制
- 也是需要根据损失函数自动调节
AdaBoost的特点
- 不是人为地调节训练样本权重,通过损失函数自适应权重调节
- 弱学习模型也有各自的权重
- 调节投票权大小
- 也是需要根据损失函数自动调节
分类误差率
-
对于样本集 X = { ( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) , ⋯ , ( x N , y N ) } X=\{(x_1,y_1),(x_2,y_2),\cdots,(x_N,y_N)\} X={(x1,y1),(x2,y2),⋯,(xN,yN)}
-
建立K个弱学习模型,第k个模型的训练样本权重
D ( k ) = ( w k 1 , w k 2 , ⋯ , w k N ) D(k)=(w_{k1},w_{k2},\cdots,w_{kN}) D(k)=(wk1,wk2,⋯,wkN)
-
权重的初始化
w 1 i = 1 N ; i = 1 , 2 , ⋯ , N w_{1i}=\frac{1}{N};\qquad i=1,2,\cdots,N w1i=N1;i=1,2,⋯,N
-
样本的权重对应一种概率分布
∑ i = 1 N w k i = 1 \sum_{i=1}^Nw_{ki}=1 i=1∑Nwki=1
-
定义二值分类问题的误差,假定二值 [ − 1 , 1 ] [-1,1] [−1,1]
- 第k个弱学习模型的加权误差率
e k = P ( G k ( x i ) ≠ y i ) = ∑ i = 1 N w k i I ( G k ( x i ) ≠ y i ) I ( G k ( x i ) ≠ y i ) = 1 e_k=P(G_k(x_i)\neq y_i)=\sum_{i=1}^Nw_{ki}I(G_k(x_i)\neq y_i)\\ I(G_k(x_i)\neq y_i)=1 ek=P(Gk(xi)=yi)=i=1∑NwkiI(Gk(xi)=yi)I(Gk(xi)=yi)=1
即:
e k = P ( G k ( x i ) ≠ y i ) = ∑ y i ≠ G k ( x i ) N w k i e_k=P(G_k(x_i)\neq y_i)=\sum_{y_i\neq G_k(x_i)}^Nw_{ki} ek=P(Gk(xi)=yi)=yi=Gk(xi)∑Nwki
AdaBoost的组合策略
学习模型通过正向分布算法获得
每一轮都会生成新的弱模型,第k轮对应的强模型定义为:
f k ( x ) = ∑ i = 1 k α i G i ( x ) f_k(x)=\sum_{i=1}^k\alpha_iG_i(x) fk(x)=i=1∑kαiGi(x)
由当前所有的弱模型的线性组合而成,最终的强学习模型:
f ( x ) = s i g n ( ∑ k = 1 K α k G k ( x ) ) f(x)=sign(\sum_{k=1}^K\alpha_kG_k(x)) f(x)=sign(k=1∑KαkGk(x))
弱学习模型的权重
第k轮:
f k ( x ) = ∑ i = 1 k α i G i ( x ) = f k − 1 ( x ) + α k G k ( x ) f_k(x)=\sum_{i=1}^k\alpha_iG_i(x)=f_{k-1}(x)+\alpha_kG_k(x) fk(x)=i=1∑kαiGi(x)=fk−1(x)+αkGk(x)
求解:
( α k , G k ( x ) ) = a r g m i n ∑ i = 1 N e x p [ − y i ( f k − 1 ( x i ) + α G ( x i ) ) ] (\alpha_k,G_k(x))=arg\ min\ \sum_{i=1}^Nexp[-y_i(f_{k-1}(x_i)+\alpha G(x_i))] (αk,Gk(x))=arg min i=1∑Nexp[−yi(fk−1(xi)+αG(xi))]
令 w ‾ k i = e x p [ − y i [ f k − 1 ( x i ) ] \overline w_{ki}=exp[-y_i[f_{k-1}(x_i)] wki=exp[−yi[fk−1(xi)]
且 G k ∗ = a r g m i n ∑ i = 1 N w ‾ k i I ( y i ≠ G ( x i ) ) G_k^*=arg\ min\sum_{i=1}^N\overline w_{ki}I(y_i\neq G(x_i)) Gk∗=arg min∑i=1NwkiI(yi=G(xi))
则:
∑ i = 1 N w ‾ k i e [ − y i α G ( x i ) ] = ∑ y i = G k ( x i ) w ‾ k i e ( − α ) + ∑ y i ≠ G i ( x i ) w ‾ k i e ( α ) = ( e ( α ) − e − α ) ∑ i = 1 N w ‾ k i I ( y i ≠ G ( x i ) ) + e − α ∑ i = 1 N w ‾ k i ( α k ) = a r g m i n ( ( e α − e − α ) ∑ i = 1 N w ‾ k i I ( y i ≠ G ( x i ) ) + e − α ∑ i = 1 N w ‾ k i ) \sum_{i=1}^N\overline w_{ki}\ e^{[-y_i\alpha}G(x_i)]=\sum_{y_i=G_k(x_i)}\overline w_{ki}e^{(-\alpha)}+\sum_{y_i\neq G_i(x_i)}\overline w_{ki}\ e^{(\alpha)}\\=(e^{(\alpha)}-e^{-\alpha})\sum_{i=1}^N\overline w_{ki}I(y_i\neq G(x_i))+e^{-\alpha}\sum_{i=1}^N\overline w_{ki}\\ (\alpha_k)=arg\ min((e^\alpha-e^{-\alpha})\sum_{i=1}^N\overline w_{ki}I(y_i\neq G(x_i))+e^{-\alpha}\sum_{i=1}^N\overline w_{ki}) i=1∑Nwki e[−yiαG(xi)]=yi=Gk(xi)∑wkie(−α)+yi=Gi(xi)∑wki e(α)=(e(α)−e−α)i=1∑NwkiI(yi=G(xi))+e−αi=1∑Nwki(αk)=arg min((eα−e−α)i=1∑NwkiI(yi=G(xi))+e−αi=1∑Nwki)
对 α \alpha α求导,令导数为0,得: α k ∗ = 1 2 l n 1 − e k e k \alpha_k^*=\frac{1}{2}ln\frac{1-e_k}{e_k} αk∗=21lnek1−ek
其中, e k = ∑ i = 1 N w k i I ( y i ≠ G ( x i ) ) e_k=\sum_{i=1}^Nw_{ki}I(y_i\neq G(x_i)) ek=∑i=1NwkiI(yi=G(xi))
强学习模型权重
f k ( x ) = ∑ i = 1 k α i G i ( x ) = f k − 1 ( x ) + α k G k ( x ) f_k(x)=\sum_{i=1}^k\alpha_iG_i(x)=f_{k-1}(x)+\alpha_kG_k(x) fk(x)=i=1∑kαiGi(x)=fk−1(x)+αkGk(x)
w ‾ k + 1 = w ‾ k i Z k e y i α k G k ( x ) {\overline w_{k+1}}=\frac{\overline w_{ki}}{Z_k}e^{y_i\alpha_kG_k(x)} wk+1=ZkwkieyiαkGk(x)
AdaBoost的回归分析
- 计算错误率
- 第k个弱模型的最大误差 E k = m a x ∣ y i − G k ( x i ) ∣ E_k=max|y_i-G_k(x_i)| Ek=max∣yi−Gk(xi)∣
- 每个样本的误差 e k i = ∣ y i − G k ( x i ) ∣ E k e_{ki}=\frac{|y_i-G_k(x_i)|}{E_k} eki=Ek∣yi−Gk(xi)∣
- 第k个弱模型的错误率 e k = ∑ i = 1 N w k i e k i e_k=\sum_{i=1}^Nw_{ki}e_{ki} ek=∑i=1Nwkieki
- 权重的更新
- 第k个弱模型的权重 α k = e k 1 − e k \alpha_k=\frac{e_k}{1-e_k} αk=1−ekek
- 每个样本的权重更新 w k + 1 = w k i Z k α k 1 − e k i w_{k+1}=\frac{ w_{ki}}{Z_k}\alpha_k^{1-ek_i} wk+1=Zkwkiαk1−eki, ( Z k = ∑ i = 1 N w k i α k 1 − e k i ) (Z_k=\sum_{i=1}^Nw_{ki}\alpha_k^{1-e_{ki}}) (Zk=∑i=1Nwkiαk1−eki)
- 组合策略
- 对加权的弱学习器,取权重中位数对应的弱学习器,作为强学习器的方法。
- 最终的强回归器为 f ( x ) = G k ∗ ( x ) f(x)=G_k^*(x) f(x)=Gk∗(x)
- 其中 G k ∗ ( x ) G_k^*(x) Gk∗(x)是K个弱模型权重中位数对应的模型
AdaBoost的正则化
- 为了防止过拟合,可以引入正则化
对于强学习模型而言:
f k ( x ) = f k − 1 ( x ) + α k G k ( x ) f_k(x)=f_{k-1}(x)+\alpha_kG_k(x) fk(x)=fk−1(x)+αkGk(x)
改进模型:
f k ( x ) = f k − 1 ( x ) + v α k G k ( x ) f_k(x)=f_{k-1}(x)+v\alpha_kG_k(x) fk(x)=fk−1(x)+vαkGk(x)
其中,v为正则化参数,在此也称为步长(或者学习率),调节弱模型的生成。
AdaBoost的分类算法描述(二值)
AdaBoost的分类算法描述(多值)
AdaBoost回归算法描述
以AdaBoost R2为例
Gradient Boosting Tree
Boosting的本质:采用加法模型与正向激励算法
对弱学习模型的要求:学习能力差的模型,输出结果低方差,高偏差
弱模型采用决策树:
- 提升树(Boosting Tree)
- 采用CART(二叉树)
- 深度1-5即可,不宜太大
梯度提升树
初始化
f 0 ( x ) = a r g m i n ∑ i = 1 N L ( y i , c ) f_0(x)=arg\ min\sum_{i=1}^NL(y_i,c) f0(x)=arg mini=1∑NL(yi,c)
第m步残差
r m i = − ( ∂ L ( y i , f ( x i ) ) ∂ f ( x i ) ) f ( x ) = f x − 1 ( x ) r_{mi}=-(\frac{\partial L(y_i,f(x_i))}{\partial f(x_i)})_{f(x)=f_{x-1}(x)} rmi=−(∂f(xi)∂L(yi,f(xi)))f(x)=fx−1(x)
利用 ( x i , r m i ) ( i = 1 , 2 , ⋯ , N ) (x_i,r_{mi})(i=1,2,\cdots,N) (xi,rmi)(i=1,2,⋯,N),可以拟合一棵CART回归树
对于叶子结点
c m j = a r g m i n ∑ L ( y i , f m − 1 ( x i ) + c ) c_{mj}=arg\ min\sum L(y_i,f_{m-1}(x_i)+c) cmj=arg min∑L(yi,fm−1(xi)+c)
第m步的强模型
f m ( x ) = f m − 1 ( x ) + ∑ c m j I ( x ∈ R m j ) f_m(x)=f_{m-1}(x)+\sum c_{mj}I(x\in R_{mj}) fm(x)=fm−1(x)+∑cmjI(x∈Rmj)
最终的强模型
f ^ ( x ) = f M ( x ) = f 0 ( x ) + ∑ m = 1 M ∑ j = 1 J c m i I ( x ∈ R m j ) \hat f(x)=f_M(x)=f_0(x)+\sum_{m=1}^M\sum_{j=1}^Jc_{mi}I(x\in R_{mj}) f^(x)=fM(x)=f0(x)+m=1∑Mj=1∑JcmiI(x∈Rmj)
对于分类树,与回归树的损失函数不同
如果采用指数函数,提升树退化为AdaBoost
也可采用逻辑回归函数
- 对数似然损失函数
- 二值分类和多值分类有不同的表示形式
对于二值分类
-
损失函数
L ( y , f ( x ) ) = l o g ( 1 + e − y f ( x ) ) , y ∈ { − 1 , 1 } L(y,f(x))=log(1+e^{-yf(x)}),\quad y\in \{-1,1\} L(y,f(x))=log(1+e−yf(x)),y∈{−1,1}
-
残差计算
r m j = − ( ∂ L ( y i , f ( x i ) ) ∂ f ( x i ) ) = y i 1 + e y i ( x i ) r_{mj}=-(\frac{\partial L(y_i,f(x_i))}{\partial f(x_i)})=\frac{y_i}{1+e^{y_i(x_i)}} rmj=−(∂f(xi)∂L(yi,f(xi)))=1+eyi(xi)yi
-
对于为你和残差构建的决策树
c m j = a r g m i n ∑ l o g ( 1 + e − y i ( f m − 1 ( x i ) + c ) ) c_{mj}=arg\ min\sum log(1+e^{-y_i(f_{m-1}(x_i)+c)}) cmj=arg min∑log(1+e−yi(fm−1(xi)+c))
最优值的近似计算
c m j ≈ ∑ r m j ∑ ∣ r m j ∣ ( 1 − ∣ r m j ∣ ) c_{mj}\approx\frac{\sum r_{mj}}{\sum\ |r_{mj}|(1-|r_{mj}|)} cmj≈∑ ∣rmj∣(1−∣rmj∣)∑rmj
对于多值分类
-
对应K个分类的损失函数
L ( y , f ( x ) ) = ∑ k = 1 K y k l o g p k ( x ) L(y,f(x))=\sum_{k=1}^Ky_klog\ p_k(x) L(y,f(x))=k=1∑Kyklog pk(x)
如果输出样本类别为k,则 y k = 1 y_k=1 yk=1
-
第k类的概率的表达式为
p k ( x ) = e f k ( x ) / ∑ l = 1 K e f l ( x ) p_k(x)=e^{f_k(x)}/\sum_{l=1}^Ke^{f_l(x)} pk(x)=efk(x)/l=1∑Kefl(x)
-
计算残差
r m i l = − ( ∂ L ( y i , f ( x i ) ∂ f ( x i ) ) f k ( x ) = f l , m − 1 ( x ) = y i l − p l , m − 1 ( x i ) r_{mil}=-(\frac{\partial L(y_i,f(x_i)}{\partial f(x_i)})_{f_k(x)=f_{l,m-1}(x)}=y_{il}-p_{l,m-1}(x_i) rmil=−(∂f(xi)∂L(yi,f(xi))fk(x)=fl,m−1(x)=yil−pl,m−1(xi)
上式对应样本i对应类别l的真实概率和第m-1轮预测概率的差值
-
对于决策树优化
最优值的近似计算
梯度提升树的其它常用损失函数
指数损失函数
L ( y , f ( x ) ) = e − y f ( x ) L(y,f(x))=e^{-yf(x)} L(y,f(x))=e−yf(x)
使用该函数,提升树退化为AdaBoost
绝对误差
L ( y , f ( x ) ) = ∣ y − f ( x ) ∣ L(y,f(x))=|y-f(x)| L(y,f(x))=∣y−f(x)∣
对应的负梯度误差
s i g n ( y i − f ( x i ) ) sign(y_i-f(x_i)) sign(yi−f(xi))
Huber损失函数
均方差和绝对差的折中产物,用于处理异常点
对应的负梯度误差:
Qutantile(分位数)损失函数
也能有效处理异常点
对应的负梯度误差
梯度提升树的正则化
方法一:
f k ( x ) = f k − 1 ( x ) + v h k ( x ) f_k(x)=f_{k-1}(x)+vh_k(x) fk(x)=fk−1(x)+vhk(x)
与AdaBoost算法手段相同
方法二:
采用采样比,取值为 ( 0 , 1 ] (0,1] (0,1]
用部分样本去拟合决策树,克服过拟合
此时的模型称为随机梯度提升树
可以实现部分并行,从而提升执行效率
梯度提升树总结
- 优点
- 可灵活处理各类数据
- 在相对少的调参情况下,预测准确率也可以比较高
- 对异常值鲁棒性强
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驱动车辆诊断测试创新 | 支持诊断测试的模拟器及数据文件转换生成
一 背景和挑战 | 背景: 随着汽车功能的日益丰富,ECU和域控制器的复杂性大大增加,导致测试需求大幅上升,尤其是在ECU的故障诊断和性能验证方面。然而,传统的实车测试方法难以满足高频率迭代和验证需求,不仅…...
VS Code技巧2:识别FreeCAD对象
在使用VS Code阅读FreeCAD代码或者FreeCAD的工作台代码时,VS Code无法识别FreeCAD对象,会提示Import “FreeCAD” could not be resolved: 问题解决如下几步即可。 第一步:确认 FreeCAD 的 Python 环境路径 在FreeCAD的Python控制…...
泰迪杯特等奖案例学习资料:基于多模态融合与边缘计算的智能温室环境调控系统
(第十二届泰迪杯数据挖掘挑战赛特等奖案例解析) 一、案例背景与核心挑战 1.1 应用场景与行业痛点 在现代设施农业中,温室环境调控直接影响作物产量与品质。传统温室管理存在以下问题: 环境参数耦合性高:温度、湿度、光照、CO₂浓度等参数相互影响,人工调控易顾此失彼。…...
猿人学web端爬虫攻防大赛赛题第13题——入门级cookie
1. F12开发者模式 刷新第一页,仔细研究发现里面有三次请求名为13的请求,根据题目提示cookie关键字,所以主要留意请求和响应的cookie值。 三次请求都带了sessionid,说明存在session(后面写代码要用session来写&#x…...
机器指标监控技术方案
文章目录 机器指标监控技术方案架构图组件简介Prometheus 简介核心特性适用场景 Grafana 简介核心特性适用场景 Alertmanager 简介核心特性适用场景 数据采集机器Node ExporterMySQL ExporterRedis ExporterES ExporterRocketMQ ExporterSpringcloud ExporterNacos 数据存储短期…...
数据库设计理论:从需求分析到实现的全流程解析
引言 在当今信息爆炸的时代,数据已成为企业和组织最宝贵的资产之一。如何有效地组织、存储和管理这些数据,是数据库设计需要解决的核心问题。一个优秀的数据库设计能够提高系统性能,确保数据一致性,降低维护成本,而糟…...
一文详解 Linux下的开源打印系统CUPS(Common UNIX Printing System)
文章目录 前言一、CUPS 简介二、CUPS 常用指令解析2.1 安装 CUPS2.2 启动/重启服务2.3 添加打印机(核心操作)2.4 设置默认打印机2.5 打印文件2.6 查看打印任务2.7 取消打印任务2.8 查看、移除已添加的打印机 三、调试与常见问题3.1 日志查看3.2 驱动问题…...
uniapp打包apk详细教程
目录 1.打apk包前提条件 2.获取uni-app标识 3.进入dcloud开发者后台 4.开始打包 1.打apk包前提条件 1.在HBuilderX.exe软化中,登录自己的账号 2.在dcloud官网,同样登录自己的账号。没有可以免费注册。 2.获取uni-app标识 获取方法:点…...
C++初阶-string类2
目录 1.迭代器 1.1普通迭代器的使用 1.2string::begin 1.3string::end 1.4const迭代器的使用 1.5泛型迭代器和const反向迭代器 1.6string::rbegin 1.6string::rend 1.7string::cbegin、string::cend、string::crbegin、string::crend 与begin/end、rbegin/rend的区别 …...
Qt QComboBox 下拉复选多选(multicombobox)
Qt QComboBox 下拉复选多选(multicombobox),备忘,待更多测试 【免费】QtQComboBox下拉复选多选(multicombobox)资源-CSDN文库...
逻辑回归之参数选择:从理论到实践
在机器学习的广阔领域中,逻辑回归作为一种经典的有监督学习算法,常用于解决分类问题。它以其简单易懂的原理和高效的计算性能,在实际应用中备受青睐。然而,要充分发挥逻辑回归的优势,参数选择是关键环节。本文将结合信…...
10、属性和数据处理---c++17
一、[[fallthrought]] 用途:在 switch 语句中标记某个分支 (case) 故意不写 break,明确告知编译器“执行穿透”是有意为之。 仅在需要向下穿透时使用,且应添加注释说明原因 #include<cstdio> #include<iostream> using namesp…...
conda管理python环境
安装conda 使用anaconda官网安装地址:https://www.anaconda.com/download/success 配置镜像环境 conda config --add channels Index of /anaconda/pkgs/main/ | 清华大学开源软件镜像站 | Tsinghua Open Source Mirror conda config --add channels Index of /an…...
【Python学习路线】零基础到项目实战系统
目录 🌟 前言技术背景与价值当前技术痛点解决方案概述目标读者说明 🧠 一、技术原理剖析核心概念图解核心作用讲解关键技术模块说明技术选型对比 💻 二、实战演示环境配置要求核心代码实现运行结果验证 ⚡ 三、性能对比测试方法论量化数据对比…...
C/C++核心机制深度解析:指针、结构体与动态内存管理(面试精要)
C/C核心机制深度解析:指针、结构体与动态内存管理(面试精要) 引言 在系统级编程领域,C/C语言凭借对硬件的直接操作能力和高效的内存管理机制,长期占据主导地位。面试中,指针、结构体和动态内存管理作为三…...
宇树科技举办“人型机器人格斗大赛”
2025 年 5 月至 6 月,一场全球瞩目的科技盛宴 —— 全球首场 “人形机器人格斗大赛”,将由杭州宇树科技盛大举办。届时,观众将迎来机器人格斗领域前所未有的视觉震撼。 为打造最强参赛阵容,宇树科技技术团队在过去数周里…...