模型验证与模型集成(Ensemble)

作者：吴晓军

原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/27424282

模型验证(Validation)

在Test Data的标签未知的情况下，我们需要自己构造测试数据来验证模型的泛化能力，因此把Train Data分割成Train Set和Valid Set两部分，Train Set用于训练，Valid Set用于验证。

简单分割

将Train Data按一定方法分成两份，比如随机取其中70%的数据作为Train Set，剩下30%作为Valid Set，每次都固定地用这两份数据分别训练模型和验证模型。这种做法的缺点很明显，它没有用到整个训练数据，所以验证效果会有偏差。通常只会在训练数据很多，模型训练速度较慢的时候使用。

交叉验证

交叉验证是将整个训练数据随机分成K份，训练K个模型，每次取其中的K-1份作为Train Set，留出1份作为Valid Set，因此也叫做K-fold。至于这个K，你想取多少都可以，但一般选在3～10之间。我们可以用K个模型得分的mean和std，来评判模型得好坏（mean体现模型的能力，std体现模型是否容易过拟合），并且用K-fold的验证结果通常会比较可靠。

如果数据出现Label不均衡情况，可以使用Stratified K-fold，这样得到的Train Set和Test Set的Label比例是大致相同。

模型集成(Ensemble)

曾经听过一句话，”Feature为主，Ensemble为后”。Feature决定了模型效果的上限，而Ensemble就是让你更接近这个上限。Ensemble讲究“好而不同”，不同是指模型的学习到的侧重面不一样。举个直观的例子，比如数学考试，A的函数题做的比B好，B的几何题做的比A好，那么他们合作完成的分数通常比他们各自单独完成的要高。

常见的Ensemble方法有Bagging、Boosting、Stacking、Blending。

Bagging

Bagging是将多个模型（基学习器）的预测结果简单地加权平均或者投票。Bagging的好处在于可以并行地训练基学习器，其中Random Forest就用到了Bagging的思想。举个通俗的例子，如下图：

老师出了两道加法题，A同学和B同学答案的加权要比A和B各自回答的要精确。

Bagging通常是没有一个明确的优化目标的，但是有一种叫Bagging Ensemble Selection的方法，它通过贪婪算法来Bagging多个模型来优化目标值。在这次比赛中，我们也使用了这种方法。

Boosting

Boosting的思想有点像知错能改，每训练一个基学习器，是为了弥补上一个基学习器所犯的错误。其中著名的算法有AdaBoost，Gradient Boost。Gradient Boost Tree就用到了这种思想。

我在1.2.3节(错误分析)中提到Boosting，错误分析->抽取特征->训练模型->错误分析，这个过程就跟Boosting很相似。

Stacking

Stacking是用新的模型（次学习器）去学习怎么组合那些基学习器，它的思想源自于Stacked Generalization这篇论文。如果把Bagging看作是多个基分类器的线性组合，那么Stacking就是多个基分类器的非线性组合。Stacking可以很灵活，它可以将学习器一层一层地堆砌起来，形成一个网状的结构，如下图：

举个更直观的例子，还是那两道加法题：

这里A和B可以看作是基学习器，C、D、E都是次学习器。

Stage1: A和B各自写出了答案。
Stage2: C和D偷看了A和B的答案，C认为A和B一样聪明，D认为A比B聪明一点。他们各自结合了A和B的答案后，给出了自己的答案。
Stage3: E偷看了C和D的答案，E认为D比C聪明，随后E也给出自己的答案作为最终答案。

在实现Stacking时，要注意的一点是，避免标签泄漏(Label Leak)。在训练次学习器时，需要上一层学习器对Train Data的测试结果作为特征。如果我们在Train Data上训练，然后在Train Data上预测，就会造成Label Leak。为了避免Label Leak，需要对每个学习器使用K-fold，将K个模型对Valid Set的预测结果拼起来，作为下一层学习器的输入。如下图：

由图可知，我们还需要对Test Data做预测。这里有两种选择，可以将K个模型对Test Data的预测结果求平均，也可以用所有的Train Data重新训练一个新模型来预测Test Data。所以在实现过程中，我们最好把每个学习器对Train Data和对Test Data的测试结果都保存下来，方便训练和预测。

对于Stacking还要注意一点，固定K-fold可以尽量避免Valid Set过拟合，也就是全局共用一份K-fold，如果是团队合作，组员之间也是共用一份K-fold。如果想具体了解为什么需要固定K-fold，请看这里。