LGBM算法

LGBM

• 算法定义
• 算法实践
• 其他

算法概念

Light GBM is a gradient boosting framework that uses tree based learning algorithm。

传统的GBDT算法存在的问题：

• 如何减少训练数据
  常用的减少训练数据量的方式是down sample。例如在[5]中，权重小于阈值的数据会被过滤掉，SGB在每一轮迭代中用随机的子集训练弱学习器；在[6]中，采样率会在训练过程中动态调整。但是，所有这些工作除了SGB外都是基于AdaBoost的，并且由于GBDT没有数据实例的权重，所以不能直接运用到GBDT上。虽然SGB可以应用到GBDT，但是它这种做法对acc影响太大了。

• 如何减少特征
  类似的，为了减少特征的数量，需要过滤若特征[22, 23, 7, 24]。这通常用PCA和projection pursuit来做。可是，这些方法高度依赖一个假设，那就是特征包含相当多的冗余的信息。而这个假设在实践中通常不成立（因为通常特征都被设计为具有独特作用的，移除了哪个都可能对训练的acc有影响）

• 关于稀疏的数据
  现实应用中的大规模数据通常是相当稀疏的。使用pre-sorted algorithm的GBDT可以通过忽略值为0的特征来降低训练的开销。而使用histogram-based algorithm的GBDT没有针对稀疏数据的优化方案，因为histogram-based algorithm无论特征值是否为0，都需要检索特征的bin值，所以它能够有效地利用这种稀疏特性。
  LightGBM 提出的主要原因就是为了解决 GBDT 在海量数据遇到的问题，让 GBDT 可以更好更快地用于工业实践。

LGBM的技术细节

• Histogram 算法
  　　直方图算法的基本思想是先把连续的浮点特征值离散化成k个整数，同时构造一个宽度为k的直方图。在遍历数据的时候，根据离散化后的值作为索引在直方图中累积统计量，当遍历一次数据后，直方图累积了需要的统计量，然后根据直方图的离散值，遍历寻找最优的分割点。
  　　
  　　使用直方图算法有很多优点。首先，最明显就是内存消耗的降低，直方图算法不仅不需要额外存储预排序的结果，而且可以只保存特征离散化后的值，而这个值一般用 8 位整型存储就足够了，内存消耗可以降低为原来的1/8。
  　　
  然后在计算上的代价也大幅降低，预排序算法每遍历一个特征值就需要计算一次分裂的增益，而直方图算法只需要计算k次（k可以认为是常数），时间复杂度从O(#data*#feature)优化到O(k*#features)。
  　　当然，Histogram 算法并不是完美的。由于特征被离散化后，找到的并不是很精确的分割点，所以会对结果产生影响。但在不同的数据集上的结果表明，离散化的分割点对最终的精度影响并不是很大，甚至有时候会更好一点。原因是决策树本来就是弱模型，分割点是不是精确并不是太重要；较粗的分割点也有正则化的效果，可以有效地防止过拟合；即使单棵树的训练误差比精确分割的算法稍大，但在梯度提升（Gradient Boosting）的框架下没有太大的影响。
• 带深度限制的 Leaf-wise 的叶子生长策略
  　　在 Histogram 算法之上，LightGBM 进行进一步的优化。首先它抛弃了大多数 GBDT 工具使用的按层生长 (level-wise) 的决策树生长策略，而使用了带有深度限制的按叶子生长 (leaf-wise) 算法。Level-wise 过一次数据可以同时分裂同一层的叶子，容易进行多线程优化，也好控制模型复杂度，不容易过拟合。但实际上 Level-wise 是一种低效的算法，因为它不加区分的对待同一层的叶子，带来了很多没必要的开销，因为实际上很多叶子的分裂增益较低，没必要进行搜索和分裂。
  
  Leaf-wise 则是一种更为高效的策略，每次从当前所有叶子中，找到分裂增益最大的一个叶子，然后分裂，如此循环。因此同 Level-wise 相比，在分裂次数相同的情况下，Leaf-wise 可以降低更多的误差，得到更好的精度。Leaf-wise 的缺点是可能会长出比较深的决策树，产生过拟合。因此 LightGBM 在 Leaf-wise 之上增加了一个最大深度的限制，在保证高效率的同时防止过拟合
  
• 直方图差加速
  　　LightGBM 另一个优化是 Histogram（直方图）做差加速。一个容易观察到的现象：一个叶子的直方图可以由它的父亲节点的直方图与它兄弟的直方图做差得到。通常构造直方图，需要遍历该叶子上的所有数据，但直方图做差仅需遍历直方图的k个桶。利用这个方法，LightGBM 可以在构造一个叶子的直方图后，可以用非常微小的代价得到它兄弟叶子的直方图，在速度上可以提升一倍。
  
• 直接支持类别特征
  　　实际上大多数机器学习工具都无法直接支持类别特征，一般需要把类别特征，转化到多维的0/1 特征，降低了空间和时间的效率。而类别特征的使用是在实践中很常用的。基于这个考虑，LightGBM 优化了对类别特征的支持，可以直接输入类别特征，不需要额外的0/1 展开。并在决策树算法上增加了类别特征的决策规则。在 Expo 数据集上的实验，相比0/1 展开的方法，训练速度可以加速 8 倍，并且精度一致。据我们所知，LightGBM 是第一个直接支持类别特征的 GBDT 工具。

代码实践

from sklearn.metrics import accuracy_score,precision_score,f1_score
import lightgbm as lgbm

lgbm=lgbm.LGBMClassifier(num_leaves=60,learning_rate=0.05,n_estimators=40)
lgbm.fit(x_train,y_train)
y_pre=lgbm.predict(x_validation)

f1=f1_score(y_validation,y_pre,average='micro')
print("the f1 score: %.2f"%f1)

参考：
【1】：https://blog.csdn.net/huacha__/article/details/81057150
【2】：https://blog.csdn.net/HHTNAN/article/details/80068414
【3】：https://medium.com/@pushkarmandot/https-medium-com-pushkarmandot-what-is-lightgbm-how-to-implement-it-how-to-fine-tune-the-parameters-60347819b7fc
【4】：