随机森林（Random Forest，简称RF）和Bagging算法

随机森林（Random Forest，简称RF）

随机森林就是通过集成学习的思想将多棵树集成的一种算法，它的基本单元是决策树，而它的本质属于机器学习的一大分支——集成学习（Ensemble Learning）方法。随机森林的名称中有两个关键词，一个是“随机”，一个就是“森林”。“森林”我们很好理解，一棵叫做树，那么成百上千棵树就可以叫做森林了，这也是随机森林的主要思想“集成”的体现。

每棵决策树都是一个分类器（假设现在针对的是分类问题），那么对于一个输入样本，N棵树会有N个分类结果。而随机森林集成了所有的分类投票结果，将投票次数最多的类别指定为最终的输出，这就是一种最简单的 Bagging 思想。

随机森林的特点

在当前所有算法中，具有极好的准确率

能够有效地运行在大数据集上

能够处理具有高维特征的输入样本，而且不需要降维

能够评估各个特征在分类问题上的重要性

在生成过程中，能够获取到内部生成误差的一种无偏估计

对于缺省值问题也能够获得很好得结果

集成学习

集成学习通过建立几个模型组合的来解决单一预测问题。它的工作原理是生成多个分类器/模型，各自独立地学习和作出预测。这些预测最后结合成单预测，因此优于任何一个单分类的做出预测。

随机森林是集成学习的一个子类，它依靠于决策树的投票选择来决定最后的分类结果。

随机森林的生成

随机森林中有许多的分类树。我们要将一个输入样本进行分类，我们需要将输入样本输入到每棵树中进行分类。打个形象的比喻：森林中召开会议，讨论某个动物到底是老鼠还是松鼠，每棵树都要独立地发表自己对这个问题的看法，也就是每棵树都要投票。该动物到底是老鼠还是松鼠，要依据投票情况来确定，获得票数最多的类别就是森林的分类结果。森林中的每棵树都是独立的，99.9%不相关的树做出的预测结果涵盖所有的情况，这些预测结果将会彼此抵消。少数优秀的树的预测结果将会超脱于芸芸“噪音”，做出一个好的预测。将若干个弱分类器的分类结果进行投票选择，从而组成一个强分类器，这就是随机森林bagging的思想。

有了树我们就可以分类了，森林中的每棵树是怎么生成的呢？

每棵树的按照如下规则生成：

1）如果训练集大小为N，对于每棵树而言，随机且有放回地从训练集中的抽取N个训练样本（这种采样方式称为bootstrap sample方法），作为该树的训练集；每棵树的训练集都是不同的，而且里面包含重复的训练样本。

2）如果每个样本的特征维度为M，指定一个常数m<<M，随机地从M个特征中选取m个特征子集，每次树进行分裂时，从这m个特征中选择最优的；

3）每棵树都尽最大程度的生长，并且没有剪枝过程。

随机森林分类效果（错误率）与两个因素有关：

森林中任意两棵树的相关性：相关性越大，错误率越大；

森林中每棵树的分类能力：每棵树的分类能力越强，整个森林的错误率越低。

减小特征选择个数m，树的相关性和分类能力也会相应的降低；增大m，两者也会随之增大。所以关键问题是如何选择最优的m（或者是范围），这也是随机森林唯一的一个参数。

袋外错误率（oob error）

上面我们提到，构建随机森林的关键问题就是如何选择最优的m，要解决这个问题主要依据计算袋外错误率oob error（out-of-bag error）。

随机森林有一个重要的优点就是，没有必要对它进行交叉验证或者用一个独立的测试集来获得误差的一个无偏估计。它可以在内部进行评估，也就是说在生成的过程中就可以对误差建立一个无偏估计。

在构建每棵树时，我们对训练集使用了不同的bootstrap sample（随机且有放回地抽取）。所以对于每棵树而言（假设对于第k棵树），大约有1/3的训练实例没有参与第k棵树的生成，它们称为第k棵树的oob样本。

而这样的采样特点就允许我们进行oob估计，它的计算方式如下：

（note：以样本为单位）

1）对每个样本，计算它作为oob样本的树对它的分类情况（约1/3的树）；

2）然后以简单多数投票作为该样本的分类结果；

3）最后用误分个数占样本总数的比率作为随机森林的oob误分率。

Bagging算法

Bagging算法 （英语：Bootstrap aggregating，引导聚集算法），又称装袋算法，是机器学习领域的一种团体学习算法。Bagging算法可与其他分类、回归算法结合，提高其准确率、稳定性的同时，通过降低结果的方差，避免过拟合的发生。

Bagging是通过结合几个模型降低泛化误差的技术。主要想法是分别训练几个不同的模型，然后让所有模型表决测试样例的输出。这是机器学习中常规策略的一个例子，被称为模型平均(modelaveraging)。采用这种策略的技术被称为集成方法。

基本思想

1.给定一个弱学习算法，和一个训练集；

2.单个弱学习算法准确率不高；

3.将该学习算法使用多次，得出预测函数序列，进行投票；

4.最后结果准确率将得到提高。

算法步骤

给定一个大小为n的训练集D，Bagging算法从中均匀、有放回地（即使用自助抽样法）选出m个大小为n'的子集Di，作为新的训练集。在这m个训练集上使用分类、回归等算法，则可得到m个模型，再通过取平均值、取多数票等方法，即可得到Bagging的结果

Bagging算法特性

1.Bagging通过降低基分类器的方差，改善了泛化误差。

2.其性能依赖于基分类器的稳定性；如果基分类器不稳定，bagging有助于降低训练数据的随机波动导致的误差；如果稳定，则集成分类器的误差主要由基分类器的偏倚引起。

3.由于每个样本被选中的概率相同，因此bagging并不侧重于训练数据集中的任何特定实例。