一、集成算法思想

二、XGBoost基本思想

三、用python實現XGBoost算法

---

在競賽題中經常會用到XGBoost算法，用這個算法通常會使我們模型的準確率有一個較大的提升。既然它效果這么好，那么它從頭到尾做了一件什么事呢？以及它是怎么樣去做的呢？

我們先來直觀的理解一下什么是XGBoost。XGBoost算法是和決策樹算法聯系到一起的。?

XGBoost是boosting算法的其中一種。Boosting算法的思想是將許多弱分類器集成在一起形成一個強分類器。因為XGBoost是一種提升樹模型，所以它是將許多樹模型集成在一起，形成一個很強的分類器。而所用到的樹模型則是CART回歸樹模型

一、集成算法思想

在決策樹中，我們知道一個樣本往左邊分或者往右邊分，最終到達葉子結點，這樣來進行一個分類任務。 其實也可以做回歸任務。

該算法思想就是不斷地添加樹，不斷地進行特征分裂來生長一棵樹，每次添加一個樹，其實是學習一個新函數，去擬合上次預測的殘差。當我們訓練完成得到k棵樹，我們要預測一個樣本的分數，其實就是根據這個樣本的特征，在每棵樹中會落到對應的一個葉子節點，每個葉子節點就對應一個分數，最后只需要將每棵樹對應的分數加起來就是該樣本的預測值

?

如下圖例子，訓練出了2棵決策樹，小孩的預測分數就是兩棵樹中小孩所落到的結點的分數相加。爺爺的預測分數同理

?

看上面一個圖例左邊：有5個樣本，現在想看下這5個人愿不愿意去玩游戲，這5個人現在都分到了葉子結點里面，對不同的葉子結點分配不同的權重項，正數代表這個人愿意去玩游戲，負數代表這個人不愿意去玩游戲。所以我們可以通過葉子結點和權值的結合，來綜合的評判當前這個人到底是愿意還是不愿意去玩游戲。上面「tree1」那個小男孩它所處的葉子結點的權值是+2（可以理解為得分）。

用單個決策樹好像效果一般來說不是太好，或者說可能會太絕對。通常我們會用一種集成的方法，就是一棵樹效果可能不太好，用兩棵樹呢？

看圖例右邊的「tree2」，它和左邊的不同在于它使用了另外的指標，出了年齡和性別，還可以考慮使用電腦頻率這個劃分屬性。通過這兩棵樹共同幫我們決策當前這個人愿不愿意玩游戲，小男孩在「tree1」的權值是+2，在「tree2」的權值是+0.9， 所以小男孩最終的權值是+2.9（可以理解為得分是+2.9）。老爺爺最終的權值也是通過一樣的過程得到的。

所以說，我們通常在做分類或者回歸任務的時候，需要想一想一旦選擇用一個分類器可能表達效果并不是很好，那么就要考慮用這樣一個集成的思想。上面的圖例只是舉了兩個分類器，其實還可以有更多更復雜的弱分類器，一起組合成一個強分類器。

?

二、XGBoost基本思想

XGBoost的集成表示是什么？怎么預測？求最優解的目標是什么？看下圖的說明你就能一目了然。

600

在XGBoost里，每棵樹是一個一個往里面加的，每加一個都是希望效果能夠提升，下圖就是XGBoost這個集成的表示（核心）。

一開始樹是0，然后往里面加樹，相當于多了一個函數，再加第二棵樹，相當于又多了一個函數...等等，這里需要保證加入新的函數能夠提升整體對表達效果。提升表達效果的意思就是說加上新的樹之后，目標函數（就是損失）的值會下降。

如果葉子結點的個數太多，那么過擬合的風險會越大，所以這里要限制葉子結點的個數，所以在原來目標函數里要加上一個懲罰項「omega(ft)」。

?

這里舉個簡單的例子看看懲罰項「omega(ft)」是如何計算的：

一共3個葉子結點，權重分別是2，0.1，-1，帶入「omega(ft)」中就得到上面圖例的式子，懲罰力度和「lambda」的值人為給定。

XGBoost算法完整的目標函數見下面這個公式，它由自身的損失函數和正則化懲罰項「omega(ft)」相加而成。

關于目標函數的推導本文章不作詳細介紹。過程就是：給目標函數對權重求偏導，得到一個能夠使目標函數最小的權重，把這個權重代回到目標函數中，這個回代結果就是求解后的最小目標函數值，如下：

其中第三個式子中的一階導二階導的梯度數據都是可以算出來的，只要指定了主函數中的兩個參數，這就是一個確定的值。下面給出一個直觀的例子來看下這個過程。

（這里多說一句：Obj代表了當我們指定一個樹的結構的時候，在目標上最多會減少多少，我們可以把它叫做結構分數，這個分數越小越好）

對于每次擴展，我們依舊要枚舉所有可能的方案。對于某個特定的分割，我們要計算出這個分割的左子樹的導數和和右子數導數和之和（就是下圖中的第一個紅色方框），然后和劃分前的進行比較（基于損失，看分割后的損失和分割前的損失有沒有發生變化，變化了多少）。遍歷所有分割，選擇變化最大的作為最合適的分割。

?

?GBDT與XGbost的區別

三、用python實現XGBoost算法代碼

使用天池競賽的蒸汽數據

xgboost回歸對比線性回歸 Ada、?GradientBoostingRegressor

train = pd.read_csv('./zhengqi_train.txt',sep = '\t')X = train.iloc[:,0:-1] y = train['target'] X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size =0.2)from sklearn.linear_model import LinearRegression from sklearn.metrics import mean_squared_errorlinear = LinearRegression() linear.fit(X_train,y_train)print('r2_score',linear.score(X_test,y_test)) y1_ = linear.predict(X_test) mean_squared_error(y_test,y1_)

r2_score 0.9035544162615812

from sklearn.ensemble import AdaBoostRegressor ada = AdaBoostRegressor() ada.fit(X_train,y_train)print('ada_score',ada.score(X_test,y_test)) y2_ = ada.predict(X_test) mean_squared_error(y_test,y2_)

ada_score 0.8469280190502533

0.15315981475425688

from xgboost import XGBRegressor xgb = XGBRegressor() xgb.fit(X_train,y_train)print('xgb_score',xgb.score(X_test,y_test)) y3_ = xgb.predict(X_test) mean_squared_error(y_test,y3_)

xgb_score 0.896815295803221

0.10324391232279032

from sklearn.ensemble import GradientBoostingRegressor gbdt = GradientBoostingRegressor() gbdt.fit(X_train,y_train)print('gbdt_score',gbdt.score(X_test,y_test)) y4_ = gbdt.predict(X_test) mean_squared_error(y_test,y4_)

gbdt_score 0.8947755352826943

0.10528484327258612

推薦：

一文讀懂機器學習大殺器XGBoost原理

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【机器学习】XGBoost集成算法——（理论+图解+python代码比较其他算法使用天池蒸汽数据）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。