《机器学习实战》学习笔记第七章 —— AdaBoost元算法

主要内容：

一.提升方法与AdaBoost算法的简介

二.AdaBoost算法

三.代码解释

一.提升方法与AdaBoost算法的简介

1.提升方法：从弱学习算法出发，反复学习，得到一系列弱分类器（又称为基本分类器），然后组合这些弱分类器，构成一个强分类器。大多数的提升方法都是改变训练数据的概率分布（权值分布），针对不同的训练数据分布（相同的数据，不同的概率分布）调用弱学习算法学习一系列弱分了器。

所以，对于提升方法来说，需要回答两个问题：

1）在每一轮如何改变训练数据的的权值或概率分布？

2）如何将弱分类器组合成一个强分类器？

2.AdaBoost算法是最具代表性的提升方法。对于上述两个问题，AdaBoost的做法是：

1）提高那些被前一轮弱分类器错误分类样本的权值，而降低那些被正确分类样本的权值，这样一来，那些没有得到正确分类的数据，由于其权值的加大而受到后一轮弱分类器的更大关注。于是，分类问题被一系列的弱分类器“分而治之”。

2）加大分类误差率小的弱分类器的权值，使其在表决中起较大的作用，减小分类误差率大的弱分类器的权值，使得其在表决中起较小的作用。

二.AdaBoost算法

三.代码解释

 # coding:utf-8

 '''
 Created on Nov 28, 2010
 Adaboost is short for Adaptive Boosting
 @author: Peter
 '''
 from numpy import *

 def loadSimpData():         #手动生成数据
     datMat = matrix([[1., 2.1],
                      [2., 1.1],
                      [1.3, 1.],
                      [1., 1.],
                      [2., 1.]])
     classLabels = [1.0, 1.0, -1.0, -1.0, 1.0]
     return datMat, classLabels

 def loadDataSet(fileName):  # 从文件中加载数据
     numFeat = len(open(fileName).readline().split('\t'))  # get number of fields
     dataMat = []
     labelMat = []
     fr = open(fileName)
     for line in fr.readlines():
         lineArr = []
         curLine = line.strip().split('\t')
         for i in range(numFeat - 1):
             lineArr.append(float(curLine[i]))
         dataMat.append(lineArr)
         labelMat.append(float(curLine[-1]))
     return dataMat, labelMat

 def stumpClassify(dataMatrix, dimen, threshVal, threshIneq):  # just classify the data
     retArray = ones((shape(dataMatrix)[0], 1))
     if threshIneq == 'lt':
         retArray[dataMatrix[:, dimen] <= threshVal] = -1.0
     else:
         retArray[dataMatrix[:, dimen] > threshVal] = -1.0
     return retArray

 '''构建单层决策树，即只分裂一次'''
 def buildStump(dataArr, classLabels, D):
     dataMatrix = mat(dataArr)   #把特征X和标签Y都转成numpy的数组
     labelMat = mat(classLabels).T
     m, n = shape(dataMatrix)
     numSteps = 10.0     #步长为10，由于特征的值是连续型的，且在一个区间之内。所以要设置合适的步数，而范围和步数又决定了步长，即精度。
     bestStump = {}
     bestClasEst = mat(zeros((m, 1)))    #最好的预测值
     minError = inf  # 初始化最小误差
     for i in range(n):  # 枚举每一个特征进行分裂
         rangeMin = dataMatrix[:, i].min()   #该特征的最小值
         rangeMax = dataMatrix[:, i].max()   #该特征的最大值
         stepSize = (rangeMax - rangeMin) / numSteps     #步长，即精度
         for j in range(-1, int(numSteps) + 1):  # 枚举步数，从而确定阈值
             for inequal in ['lt', 'gt']:  # 用大于号还是小于号进行分割，这一步的影响大吗？感觉应该没什么区别
                 threshVal = (rangeMin + float(j) * stepSize)        #阈值
                 predictedVals = stumpClassify(dataMatrix, i, threshVal,inequal)  # 通过阈值进行分类
                 errArr = mat(ones((m, 1)))      #分别错误列表
                 errArr[predictedVals == labelMat] = 0
                 '''
                     计算错误率。这是决策树，为什么不是用信息增益来衡量呢？等等，信息增益好像不是用来计算错误率的。
                     因为是“单层决策树”，即只分裂一次就可直接得到分类结果了。所以直接用分类错误的比率来衡量决策树的好坏就可以了。
                 '''
                 weightedError = D.T * errArr
                 if weightedError < minError:            #更新最优的分类条件
                     minError = weightedError
                     bestClasEst = predictedVals.copy()
                     bestStump['dim'] = i
                     bestStump['thresh'] = threshVal
                     bestStump['ineq'] = inequal
     return bestStump, minError, bestClasEst

 '''adaboost算法'''
 def adaBoostTrainDS(dataArr, classLabels, numIt=40):
     weakClassArr = []   #弱分类器列表
     m = shape(dataArr)[0]
     D = mat(ones((m, 1)) / m)  # 每个数据的权值都初始化为1/m
     aggClassEst = mat(zeros((m, 1)))     #用于累加所有分类器的（带系数）结果，从而确定最终的分类。由于有m个数据，所以为长度为m的列表。
     for i in range(numIt):      #迭代次数
         bestStump, error, classEst = buildStump(dataArr, classLabels, D)  # 构建单层决策树，即为一个弱分类器
         alpha = float(0.5 * log((1.0 - error) / max(error, 1e-16)))  # 计算弱分类器的系数alpha，1e-16用于防止溢出
         bestStump['alpha'] = alpha      #保存弱分类器的系数alpha
         weakClassArr.append(bestStump)  # 将弱分类器放到分类器列表的尾部
         ''''''
         expon = multiply(-1 * alpha * mat(classLabels).T, classEst)  # 从此开始到第三步：重新计算每个数据的权值
         D = multiply(D, exp(expon))  # Calc New D for next iteration
         D = D / D.sum()
         ''''''
         aggClassEst += alpha * classEst     #累加最终分类结果
         ''''''
         aggErrors = multiply(sign(aggClassEst) != mat(classLabels).T, ones((m, 1)))     #计算分类错误率
         errorRate = aggErrors.sum() / m
         print "total error: ", errorRate
         if errorRate == 0.0: break  #如果错误率为0，则可退出
     return weakClassArr, aggClassEst

 '''根据学习得到的弱分类器队列来对数据进行分类，第一个参数为数据，第二个参数为弱分类器队列'''
 def adaClassify(datToClass, classifierArr):
     dataMatrix = mat(datToClass)  # do stuff similar to last aggClassEst in adaBoostTrainDS
     m = shape(dataMatrix)[0]
     aggClassEst = mat(zeros((m, 1)))        #用于累计分类结果
     for i in range(len(classifierArr)):     #将数据输入、通过这m个弱分类器
         classEst = stumpClassify(dataMatrix, classifierArr[i]['dim'], classifierArr[i]['thresh'],classifierArr[i]['ineq'])
         aggClassEst += classifierArr[i]['alpha'] * classEst         #累加分类结果
         print aggClassEst
     return sign(aggClassEst)            #将累加结果输入到sign()函数中，得到最终的分类结果