100天搞定机器学习|Day57 Adaboost知识手册(理论篇) (2)

100天搞定机器学习|Day57 Adaboost知识手册(理论篇)


令权值分布$D_1=(w_{1,1},w_{1,2},…,w_{1,10} )$
假设一开始的权值分布是均匀分布:$w_{1,i}=0.1,i=1,2,…,10$
现在开始训练第一个弱分类器。我们发现阈值取2.5时分类误差率最低,得到弱分类器为:
$$
G_1(x)=
\begin{cases}
1,& \text{x<2.5} \
-1,& \text{x>2.5}
\end{cases}
$$
当然,也可以用别的弱分类器,只要误差率最低即可。这里为了方便,用了分段函数。得到了分类误差率$e_1=0.3$

第二步计算$G_1 (x)$在强分类器中的系数$\alpha_1=\frac{1}{2} log\frac{ 1-e_1}{e_1}=0.4236$

第三步更新样本的权值分布,用于下一轮迭代训练。由公式:
$$w_{2,i}=\frac{w_{1,i}}{z_1}exp?(-\alpha_1 y_i G_1 (x_i )),i=1,2,…,10$$
得到新的权值分布,从各0.1变成了:
$D_2=(0.0715,0.0715,0.0715,0.0715,0.0715,0.0715,0.1666,0.1666,0.1666,0.0715)$
可以看出,被分类正确的样本权值减小了,被错误分类的样本权值提高了。

第四步得到第一轮迭代的强分类器:
$$sign(F_1 (x))=sign(0.4236G_1 (x))$$
以此类推,经过第二轮……第N轮,迭代多次直至得到最终的强分类器。迭代范围可以自己定义,比如限定收敛阈值,分类误差率小于某一个值就停止迭代,比如限定迭代次数,迭代1000次停止。这里数据简单,在第3轮迭代时,得到强分类器:
$$sign(F_3 (x))=sign(0.4236G_1 (x)+0.6496G_2 (x)+0.7514G_3 (x))$$
的分类误差率为0,结束迭代。

$F(x)=sign(F_3 (x))$就是最终的强分类器。

Adaboost参数详解

我们直接使用sklearn.ensemble中的AdaBoostRegressor和AdaBoostClassifier,两者大部分框架参数是相同的:

AdaBoostRegressor

class sklearn.ensemble.AdaBoostRegressor (base_estimator=None, n_estimators=50, learning_rate=1.0, loss=’linear’, random_state=None)

AdaBoostClassifier

class sklearn.ensemble.AdaBoostClassifier (base_estimator=None, n_estimators=50, learning_rate=1.0, algorithm=’SAMME.R’, random_state=None)

参数

1)base_estimator:AdaBoostClassifier和AdaBoostRegressor都有,即我们的弱分类学习器或者弱回归学习器。理论上可以选择任何一个分类或者回归学习器,不过需要支持样本权重。我们常用的一般是CART决策树或者神经网络MLP。默认是决策树,即AdaBoostClassifier默认使用CART分类树DecisionTreeClassifier,而AdaBoostRegressor默认使用CART回归树DecisionTreeRegressor。另外有一个要注意的点是,如果我们选择的AdaBoostClassifier算法是SAMME.R,则我们的弱分类学习器还需要支持概率预测,也就是在scikit-learn中弱分类学习器对应的预测方法除了predict还需要有predict_proba。

2)algorithm:这个参数只有AdaBoostClassifier有。主要原因是scikit-learn实现了两种Adaboost分类算法,SAMME和SAMME.R。两者的主要区别是弱学习器权重的度量,SAMME使用了二元分类Adaboost算法的扩展,即用对样本集分类效果作为弱学习器权重,而SAMME.R使用了对样本集分类的预测概率大小来作为弱学习器权重。由于SAMME.R使用了概率度量的连续值,迭代一般比SAMME快,因此AdaBoostClassifier的默认算法algorithm的值也是SAMME.R。我们一般使用默认的SAMME.R就够了,但是要注意的是使用了SAMME.R, 则弱分类学习器参数base_estimator必须限制使用支持概率预测的分类器。SAMME算法则没有这个限制。

3)loss:这个参数只有AdaBoostRegressor有,Adaboost.R2算法需要用到。有线性‘linear’, 平方‘square’和指数 ‘exponential’三种选择, 默认是线性,一般使用线性就足够了,除非你怀疑这个参数导致拟合程度不好。

4)n_estimators: AdaBoostClassifier和AdaBoostRegressor都有,就是我们的弱学习器的最大迭代次数,或者说最大的弱学习器的个数。一般来说n_estimators太小,容易欠拟合,n_estimators太大,又容易过拟合,一般选择一个适中的数值。默认是50。在实际调参的过程中,我们常常将n_estimators和下面介绍的参数learning_rate一起考虑。

5)learning_rate: AdaBoostClassifier和AdaBoostRegressor都有,即每个弱学习器的权重缩减系数ν,在原理篇的正则化章节我们也讲到了,加上了正则化项,我们的强学习器的迭代公式为$fk(x)=fk?1(x)+ναkGk(x)$。ν的取值范围为0<ν≤1。对于同样的训练集拟合效果,较小的ν意味着我们需要更多的弱学习器的迭代次数。通常我们用步长和迭代最大次数一起来决定算法的拟合效果。所以这两个参数n_estimators和learning_rate要一起调参。一般来说,可以从一个小一点的ν开始调参,默认是1。

SAMME.R算法流程

1.初始化样本权值:
$$w_i=1/N,i=1,2,…,N$$
2.Repeat for$m=1,2,…,M$

2.1 训练一个弱分类器,得到样本的类别预测概率分布$p_m(x)=P(y=1|x)∈[0,1]$

2.2 $f_m(x)=\frac{1}{2}log\frac{p_m(x)}{1-p_m(x)}$

2.3 $w_i=w_iexp[-y_if_m(x_i)]$,同时,要进行归一化使得权重和为1
3.得到强分类模型:$sign{\sum_{m=1}^{M}f_m(x)}$

DecisionTreeClassifier和DecisionTreeRegressor的弱学习器参数,以CART分类树为例,这里就和前文随机森林类似了。

100天搞定机器学习|Day57 Adaboost知识手册(理论篇)

方法

decision_function(X):返回决策函数值

fit(X,Y):在数据集(X,Y)上训练模型

get_parms():获取模型参数

predict(X):预测数据集X的结果

predict_log_proba(X):预测数据集X的对数概率

predict_proba(X):预测数据集X的概率值

score(X,Y):输出数据集(X,Y)在模型上的准确率

staged_decision_function(X):返回每个基分类器的决策函数值

staged_predict(X):返回每个基分类器的预测数据集X的结果

staged_predict_proba(X):返回每个基分类器的预测数据集X的概率结果

staged_score(X, Y):返回每个基分类器的预测准确率。

Adaboost总结

Adaboost优点

1.可以使用各种方法构造子分类器,Adaboost算法提供的是框架

2.简单,不用做特征筛选

3.相比较于RF,更不用担心过拟合问题

Adaboost缺点

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