一、bagging

用于基础模型复杂、容易过拟合的情况,用来减小 variance(比如决策树)。基础模型之间没有太多联系(相对于boosting),训练可以并行。但用 bagging 并不能有助于把数据拟合的更准(那是要减小 bias)。

每次训练一个基础模型,都从 N 条训练数据中有放回的随机抽取出 N' 条作为训练集(虽然一般 N = N',但由于是有放回的抽,所以具体的数据还是不同的)。

模型做预测的时候用 average(回归)或者 voting(分类)。

Out-of-bag validation:

用 bagging 方法不一定要把训练数据切分成训练集和验证集。因为每轮随机采样都会有一部分数据没有被采样到,可以用这部分数据来验证模型的泛化能力。

例如,训练基础模型的数据情况如下表

那就可以用 f2+f4 在 x1 上测试;f2+f3 在 x2 上测试;... ;以此类推。

Random Forest:对 decision tree 的 bagging

特点:

 1. 使用 CART 决策树作为基础模型。

 2. 只是有放回的 resample 训练数据是不够的(只这样做的话,得到每棵树都会差不多)。—— 每次分裂的时候随机限制一些特征不能用(在剩下的 p' 维特征中选择最优特征进行 split),p' 越小意味着得到的决策树模型鲁棒性越好(但同时对训练数据的拟合肯定也会变差),相当于 variance会变小但 bias 会变大,通过交叉验证选择一个合适的 p'。

 3. 对单棵树不剪枝,以此来减小单棵树的 bias(让其“专精于”那一部分特征,所以 RF 中的决策树比较深),再借助 bagging 减小整体模型的variance(相当于从不同的角度解决问题)。

推广:Isolation Forest 用于异常检测

类似 Random Forest ,不同点:

 1. 采样个数 N' 远小于训练样本个数 N。因为只需要部分样本就能够检测出异常点了。

 2. 建立决策树时,随机选择特征 + 随机选择阈值来 split 。

 3. 最大决策树深度选择一个比较小的值,原因同 1 。

对于测试样本 x,把其拟合到 T 棵决策树,计算该样本的叶子结点深度 ht(x),进一步计算出平均深度 h(x)。样本点是异常的概率为:

s(x, N) = 2 -h(x)/c(N) ; 其中 c(N) = 2log(N-1) + ξ - 2(N-1)/N ,  ξ 为欧拉常数。取值范围在[0, 1] ,越大越可能是异常点。

二、boosting

强力的保证:只要基础分类器能够在训练集上实现小于 50% 的错误率,使用 boosting 就能在训练集上实现 0% 错误率。

基础模型的训练是有顺序的(新的基础模型去补强已有的基础模型)。

怎么实现在不同的训练集上训练模型?

 1. resampling

 2. reweighting

 3. 实际应用的时候给样本不同的权重系数就行了。

Adaboost

主要思想:在让 f1(x) 的分类效果变成随机的新的训练集上训练 f2(x) ;... ;以此类推训练新的基础分类器,综合起来就是整体分类器。

怎么做?

在训练集上训练 f1(x) 得到小于 0.5 的错误率;

改变训练样本的权重参数 u ,令 f1(x) 的错误率等于 0.5 ;

在新的训练集上训练 f2(x) 得到小于 0.5 的错误率;...

具体怎么求解新的样本参数 u ?

初始化 u1 = [1, 1, ..., 1]T,N维向量。如果第 i 个样本 xi 被 ft(x) 正确分类,就减小其权重参数 ui (除以dt);反之,如果被分错就增大 ui (乘dt)。

d 的计算也很简单:

dt = ( (1 - εt)/εt )1/2 ,由于前提是 ft(x) 的错误率一定小于 0.5,所以 d > 1。

统一乘除两种情况的形式:令 αt = log dt ;乘 dt 等价于乘 exp(αt),除以 dt 等价于乘 exp(-αt)

想办法把负号和分类情况联系起来,最后结果为:

ut+1i = uti * exp(-yi * ft(xi) * αt )

得到 T 个基础分类器后,综合模型 H(x) = sign(Σ αt * ft(x)),sum for t = 1, 2, ..., T。为什么要做 weighted sum 呢?错误率低的 ft 对应的 αt 比较大,对最后结果影响就更大。

就完事了

证明 Adaboost 能够在训练集上实现 0% 的错误率

计算 H(x) 的错误率,发现其存在上界 exp( -yi * g(xi) )

等价于证明上界会越来越小。

设 Zt 是训练 ft 的权重参数之和,可以得到 ZT+1 的表达式,发现exp里面正好出现了g(x) = Σ αt * ft(x)

所以,T个基础分类器构成的模型在训练集的错误率上界,就等于训练第 T+1 个基础分类器的样本权重参数的平均值。

等价于证明训练样本参数的平均值会越来越小。

根据 Z 的递推公式,发现 Z 是随 t 单调减,得证。

margin

Boosting 的一般形式:

定义优化目标为刚才求解出来的错误率上界:

怎么实现这个优化过程呢? —— 用gradient descent

Gradient Boosting

L 对函数 g 求梯度,得到更新公式

要找到一个 ft(x) ,乘上权重 αt 后加到 gt-1(x) 里面,和梯度下降求解得到的对 g(x) 的更新一样,那就让 ft(x) 和负梯度方向一致,也即内积越大越好。(先看方向。整体损失函数的负梯度拟合第 t 轮的损失值)

所以转换后的优化目标如下,相当于最小化 ft(x) 在权重参数为 ut 的训练集上的误差:( Adaboost 中的训练 ft 的步骤)

而 αt 如何确定呢?

令 L 对 αt 偏导数为 0 得到的解, 和Adaboost 中的定义是相同的。

三、stacking

各做各的,然后把前面已经有的模型输出作为最后一个 layer 的 new features,而且训练数据要分成两个部分,一部分用来训练前面的系统,另一部分用来训练 Final classifier。

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