大白话5分钟带你走进人工智能-第31节集成学习之最通俗理解GBDT原理和过程

目录

1、前述

2、向量空间的梯度下降：

3、函数空间的梯度下降：

4、梯度下降的流程：

5、在向量空间的梯度下降和在函数空间的梯度下降有什么区别呢？

6、我们看下GBDT的流程图解：

7、我们看一个GBDT的例子：

8、我们看下GBDT不同版本的理解：

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1、前述

从本课时开始，我们讲解一个新的集成学习算法，GBDT。

首先我们回顾下有监督学习。假定有N个训练样本，， 找到一个函数 F(x)，对应一种映射使得损失函数最小。即：

                                                                               

如何保证最小呢？就是通过我们解函数最优化的算法去使得最小，常见的有梯度下降这种方式。

2、向量空间的梯度下降：

我们想想在梯度下降的时候，更新w是怎么更新的呢，先是随机找到一个w0，然后举根据梯度下降的迭代公式：     

                                                                    

详细解释下这个公式，其中

                                                                                             

意思是把损失函数先对w进行求导，得到一个导函数，或者说得到一组导函数，因为w是多元函数，得到了一组导函数之后，再把Wn-1这一组w带进去，得到一组值，这组值我们称作梯度，把梯度加个负号就是负梯度，乘一个λ是学习率。 这个公式整体的意思是 我只要把w加上一个L对于w的负梯度，把 作为∆w，加到原来的w上，新产生出来的w就是比原来的w要好一些，能让损失函数更小一些，这就是对于w参数的一个提升。所以接下来我们的迭代步骤就是w1=w0+△w0，w2=w1+△w1=w0+△w0+△w1，这里是把w2用w1表示出来。w3=w2+△w2=w0+△w0+△w1+△w2，....所以最终的wn可以表达为wn=w0+△w1+△w2+...+△w(n-1)。一般情况下我们初始的时候w0=0。所以最后可以表达为

                                                                                            

这就是向量空间的梯度下降的过程。所谓向量空间的梯度下降，为什么叫做向量空间的梯度下降，因为w是一组向量，我们是在w上给它往下降所以称为向量空间的梯度下降。

3、函数空间的梯度下降：

这里面的F*在假如逻辑回归里面就是1/1+e^-z。在其他算法里各自对应其损失函数。对于决策树来说，树其实也是有损失函数的，比如我们之前在后剪枝的时候，通常做法就是，拿测试集或者验证集去检验一下我cancel掉叶子节点会不会变好一点，但实际上还有另一种减枝方式，就是根据损失函数来的，别管损失函数是什么，它是一个L，L跟x有关的，跟叶子节点的数量T有关，表达为L (x,T)。T相当于一个正则项，叶子节点算的数量越多，它的损失函数就越大，它不想让树太复杂了，通过剪枝剪一次去去看损失函数，是上升了还是下降了，如果损失函数下降了，剪枝就承认它，以后就都不要节点了，所以说对于决策树本身是可以定义一个损失函数的，只不过定义出来它意义不大，只能在剪枝的时候看看用来效果怎么样，因为我们知道损失函数是用来评估结果的，评估你的模型到底怎么样的，那我们剪枝的时候拿它进行一个评估也是一个比较科学的方法，但是训练的过程中是用不到损失函数，因为你不知道怎么分裂可以影响到损失函数，所以训练的时候基本都没有提损失函数，而是用基尼系数，信息熵这种变通的方式。另一方面，树的损失函数也不能直接使用梯度下降来下降这个损失函数，按原来的做法我们有一堆w把空先给你留好了，然后你找到一组最好的w让损失函数最小就可以了，但树按照这个思路怎么来呢，应该是找到所有可能性的树，挑出一个能使损失函数最小的树，按理说应该这么做，但是这么做不现实，因为树有无穷多个，所以我们采用其它方式得到一个近似最好的可能性。所以对与单纯的决策树我们一般不适用损失函数。

但是一旦变成了集成学习，我们又可以把损失函数又让它重出江湖了。对于决策树我们不能使用梯度下降的方式，因为在决策树里面损失函数就像一个黑盒，没有具体的参数通过损失函数供我们优化。但是对于集成学习则可以使用，因为集成学习对应着很多树。首先决策树是根据选取的特定条件由根节点开始逐级分裂，直到满足纯度要求或达到预剪枝设置的停止而形成的一种树。那如何选取特定条件? 常见的有：GINI系数， Entropy，最小二乘MSE。而回归树就是每次分裂后计算分裂出的节点的平均值， 将平均值带入MSE损失函数进行评估。而GBDT是一种决策树的提升算法 ，通过全部样本迭代生成多棵回归树， 用来解决回归预测问题(迭代生成的每棵树都是回归树)，通过调整目标函数也可以解决分类问题。传统的回归问题损失函数是：

                                                                                               

yi是真实的样本的结果，y^是预测的结果。而在集成学习里面，y^就是我们每一次的预测的G(x)，所以现在我们的损失函数变成yi和大G(x)的一个损失函数了，因此集成学习里面损失函数表达式为L=L(yi，G)。我虽然不能写出来具体的损失函数，但是肯定是关于yi和G的一个表达式，我想找到一个最好的大G(x)，一步去找，找不到，怎么办，我就分步去找，最开始找到一个G0(x)，它一般不是能让损失函数最小的，我知道有梯度下降这个工具，能让它更接近损失函数最低点一些。我们希望损失函数下降，希望每一次能找到一个新的G(x)，就像向量空间梯度下降中更新w一样，我们希望找到一个新的w，w是损失函数改变的原因，现在变成了每一次的G(x)是损失函数改变的原因，每一次的G(x)的改变一定会改变损失函数，G(x)只要它能改变损失函数，损失函数不是上升就是下降。怎么着能让它损失函数降低呢？我们知道最终的G(x)是一堆g(x)相加，换一个角度来讲，第一步迭代我们得到了一个G1(x)=g1(x)，第二步迭代我们得到了G2(x)=G1(x)+g2(x)，第三步就是G3(x)=G2(x)+g3(x)，注意这个形式，集成树的每一步迭代形式和梯度下降每一步的迭代形式似乎很像，我们注意观察，在梯度下降里，每一步迭代所要加的△w只要是前一项的值带到损失函数里面的负梯度，就可以让损失函数变得更小。而我现在所谓的集成学习一轮一轮的迭代，第一轮我想加上一个g1(x)，第二轮我想再加上g2(x)，第三轮我想再加上g3(x)，根据梯度下降的原则，加上的每一个g(x)等于什么的时候能够让集成学习的损失函数越来越小呢？能不能也让它等于损失函数对于上一次的预测整体的结果G(x)这个东西的负梯度？这样损失函数一定会也是下降的。我把G(x)当做一个整体来看待，类似于原先的w变量。反正都是让损失函数改变的原因。这种梯度下降的过程就称为函数空间的梯度下降过程。函数空间的梯度下降是什么意思呢？因为在函数空间中这个函数它写不出来是由什么w组成的，它的最小单位就是这个弱分类器本身，所以我们只能在函数空间进行梯度下降。

最开始不管用什么方法，已经得到了第一代G0(x)，这时能算出来损失函数，它是能让损失函数结果最小的那个G(x)吗？应该不是。我们希望把它修改修改，让它变好一些，能让损失函数降低。我令G1(x)=G0(x)加上损失函数对于G0的负梯度，即             

                                                                     

即G1(x)=G0(x)+∆G0，此时的G1(x)就能比G(x)让损失函数变得更低一些了。然后依次G2(x)去迭代。G2(x)=G1(X)+∆G1，∆Gt应该等于损失函数L对于Gt的梯度，即

                                                                                         

只要每次加上的都是∆Gt这么个东西，每一步带入各自的∆Gt，第一次带入∆G0，第二次带入∆G1，以此类推，就能保证最后得到的G一次比一次的能够让损失函数变小。一直到GT(X)=GT-1(X)+∆GT-1。此时GT(X)就是我们最终要得到的GT(X)。表达如下：

                                                                                       

这里面每一步的所加的∆G不就是集成学习里边每一步加的弱分类器g(x)吗，第一次你希望加上一个g1(x)，第二次加上一个g2(x)，一直加到gt(x)，最终的大Gt(x)等于什么呢，假设G0(x)=g0(x)=0，Gt(x)=g0(x)+g1(x)+g2(x)……一直加到gt-1(x)，这不就是一个另一个视角看的集成学习嘛。对于最小二乘损失函数来说，损失函数是：

                                                                                              

对y^求偏导就是2(y-y^)，通常在前面还有个学习率，假如学习率是1/2的话那么会和2相乘抵消，所以最后的求导结果是y-y^，对于我们的集成学习来说y^就是上一步的整体的预测结果Gt-1(x)。所以集成学习的损失函数对G(x)的求导结果就是：

                                                                                

所以在t轮我们应该训练出的gt(x)的预测结果应该等于。对于决策树算法来说的话，即为以为新的标签,x为feature,拟合一颗新的决策树。通过这种方式，来训练的G(x)，就叫做GBDT。

4、梯度下降的流程：

说了这么多，到底什么是梯度下降？所谓梯度下降，也就是对于任何一个函数来说，只要这个函数是个凸函数，它的自变量是x，也就是说这个函数受x改变而改变，你只要瞎蒙出来一代x，你接下来不停的去迭代，每次迭代的准则就是加上一个函数对上一代自变量的求导，即负梯度，表达为xn=xo-∂F/∂x ，这么不停的迭代，最终得到的x就能够找到F(x)的最小值，这个东西就叫做梯度下降。

梯度下降和L-BFGS一样，它就是一个算法，一个函数关于一个变量的算法。每次我就让这个函数加上关于自变量的负梯度，就能让函数越来越小。所以我不限制这个变量到底是w还是G，只要你这个东西能真真切切地影响我的大小，我去求你的负梯度，就能让你越降越低。这就是随机梯度下降算法的过程。它是不挑食的。

你优化的内容就是你去调整的内容，在函数性模型里，真真正正影响损失函数大小的是w，所以我去调整w，让w始终朝着负梯度的方向去改变，最终就能让损失函数降到最低。而在带着树的集成学习里面，最小的能够调整的单位没有w了，你只能调整你加进来那棵小树，所以你就去优化这棵小树，让你新加进来的小树的预测结果尽量等于函数空间上的负梯度方向。

其实它比向量空间的梯度下降的运算量至少是要少的，为什么呢？因为在向量空间中，w是一个向量，它要求一系列偏导，而在函数空间的梯度下降中，此时的变量就是一个数，所以就是一个求导数的概念了，也就是一维空间的梯度下降，每次加上一个数。

 

5、在向量空间的梯度下降和在函数空间的梯度下降有什么区别呢？

 

详细解释下：

首先向量空间的梯度下降，翻译是GradientDescent，函数空间的梯度下降，翻译是GradientBoosting，说明是用在Boosting里面的。其次向量空间的梯度下降优化内容是w，而函数空间优化函数F(x) ，为什么优化内容不同，向量空间如LR和线性回归，是有w的，可以优化w，得到model。而函数空间中，如DT，没有w，只能对整体F(x)求导， 认为模型训练内部是黑盒子 只能改变预测值 y^， 输入给训练找到合适的model。向量空间中是对w求导，即

                                                                                  

而函数空间是直接对整体F(x)求导，即

                                                                             

这里面直接对F(x)求导，并且把上一代的F(x)值给带进去。迭代公式也发生了变化。

向量空间中是，函数空间中是。

 

6、我们看下GBDT的流程图解：

解释下上面流程：

首先训练集x0和y0，我在原始的训练集上训练一个比较弱的决策树，长成了一棵树。这是第一个模型1。通过预测的结果把训练集上的标签转化为X1，Y1。原来Adaboost是改变数据的权重，现在GBDT是改变Y的标签，然后再训练第二个模型，再改变标签。反复迭代下去，将所有的预测结果综合作为最后的预测结果，这就是GBDT的流程。

 

7、我们看一个GBDT的例子：

 

假如用购物金额和是否经常去百度知道提问这两个条件作为x去判断这个人的年龄，训练的时候我有四条数据，分别是14岁，16岁，24岁和26岁。

我上来想训练出一棵回归树来，在根节点的时候平均值是20。接下来回归树怎么训练？拿什么评估参数？拿mse，抱得最紧的放到一起。此时给它一分为二，我发现购物金额小于等于1000和大于1000，能够把14，16分到左边，24和26分到右边。这个树我人为的限制它只允许你有两层。现在左边这个节点输出的结果通通是15，假如4条样本数据分别对应编号是A,B,C,D的话，此时y^A，y^B等于15，y^C，y^D 等于25。

此时y^与真实的y之间有没有残差？有残差，我们知道负梯度就是残差。接下来我想训练第二棵树，第二棵树希望输出结果是负梯度，也就是我希望输出结果是残差。那么我就想要把残差当做label放回到原来去，那么对于这四条数据，它们的y原来是14,16,24,26，咱现在就变成-1，+1，-1，+1 。怎么来的？本来是14，预测成了15，y- y^等于-1；那么原来是24变成25了，它也是-1。

接下来我再根据经常到百度提问作为条件进行一次分类，回归树是不管你的label的，我就想把最接近的给凑到一起去，所以接下来就把两个-1凑到一起了，把两个+1凑到一起了。那么第二代的y^A就等于-1，y^B等于1。因为这两个1分到一起，它们平均值也是1就预测准了。 y^C等于-1，y^D 等于+1。

现在两棵树训练完了，最终我们来一条数据，比如说来一条数据14，它要怎么来做预测？把它丢到第一个树里面，得到一个15；再丢到第二棵树里面，得到一个-1，最终的G=15-1=14，得到一个正确的预测结果。

 

8、我们看下GBDT不同版本的理解：

GBDT直观的来看，就是说比如这个人90岁，第一个数给它预测成了78岁，还剩12岁，第二棵树就把12岁作为标准预测，结果它只预测到了十岁，还差两岁。第三个树又根据两岁作为标准，此时再次预测为1.5，第四个树根据0.5作为标准预测结果为0.5，最后四棵数加到一起正好是90，每次拟合的都是残差，这是简单版的理解GBDT的过程。

核心版的理解是为什么每次要预测残差，因为对于回归问题来讲，刚好负梯度等于残差，所以去预测的是残差。因为你的mse带着平方求导就是残差。通常F(x)在相加的时候，会给这残差也乘一个缩水的学习率，比如0.1。第二次虽然预测出12，我只给你加上1.2，防止你走过了，下次从78就变成79.2了，还差一大截的，你第三个再照样去努力预测，再给乘一个缩水系数，跟咱们的梯度下降的学习率是一模一样的。

这个实际上是原始的GBDT应对回归问题的时候，可以使用简单的把y level做一个替换，去重新训练的这么一种方式。但是对于分类问题，它就不好使了，所以xgboost提供了一个最终版的解决方案。