XGBoost 重要参数、方法、函数理解及调参思路（附例子）

xgboost 包含原生接口和 sklearn 风格接口两种，并且二者都实现了分类和回归的功能。如果想了解一些理论性的内容，可以看看之前的文章： XGBoost算法的相关知识

一、xgboost 原生接口

重要参数

1，booster

用于指定弱学习器的类型，默认值为 ‘gbtree’，表示使用基于树的模型进行计算。还可以选择为 ‘gblinear’ 表示使用线性模型作为弱学习器。

推荐设置为 ‘gbtree’，本文后面的相关参数设置都以booster设置为’gbtree’为前提。

2，eta / learning_rate

如果你看了我之前发的XGBoost算法的相关知识，不难发现XGBoost为了防止过拟合，引入了"Shrinkage"的思想，即不完全信任每个弱学习器学到的残差值。为此需要给每个弱学习器拟合的残差值都乘上取值范围在(0, 1] 的 eta，设置较小的 eta 就可以多学习几个弱学习器来弥补不足的残差。

在XGBClassifier与XGBRegressor中，对应参数名为 learning_rate。

推荐的候选值为：[0.01, 0.015, 0.025, 0.05, 0.1]

3，gamma

指定叶节点进行分支所需的损失减少的最小值，默认值为0。设置的值越大，模型就越保守。

**推荐的候选值为：[0, 0.05 ~ 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1] **

4，alpha / reg_alpha

L1正则化权重项，增加此值将使模型更加保守。

在XGBClassifier与XGBRegressor中，对应参数名为 reg_alpha 。

推荐的候选值为：[0, 0.01~0.1, 1]

5，lambda / reg_lambda

L2正则化权重项，增加此值将使模型更加保守。

在XGBClassifier与XGBRegressor中，对应参数名为 reg_lambda。

推荐的候选值为：[0, 0.1, 0.5, 1]

6，max_depth

指定树的最大深度，默认值为6，合理的设置可以防止过拟合。

推荐的数值为：[3, 5, 6, 7, 9, 12, 15, 17, 25]。

7，min_child_weight

指定孩子节点中最小的样本权重和，如果一个叶子节点的样本权重和小于min_child_weight则拆分过程结束，默认值为1。

推荐的候选值为：[1, 3, 5, 7]

8，subsample

默认值1，指定采样出 subsample * n_samples 个样本用于训练弱学习器。注意这里的子采样和随机森林不一样，随机森林使用的是放回抽样，而这里是不放回抽样。 取值在(0, 1)之间，设置为1表示使用所有数据训练弱学习器。如果取值小于1，则只有一部分样本会去做GBDT的决策树拟合。选择小于1的比例可以减少方差，即防止过拟合，但是会增加样本拟合的偏差，因此取值不能太低。

推荐的候选值为：[0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1]

9，colsample_bytree

构建弱学习器时，对特征随机采样的比例，默认值为1。

推荐的候选值为：[0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1]

10，objective

用于指定学习任务及相应的学习目标，常用的可选参数值如下：

• “reg:linear”，线性回归（默认值）。
• “reg:logistic”，逻辑回归。
• “binary:logistic”，二分类的逻辑回归问题，输出为概率。
• “multi:softmax”，采用softmax函数处理多分类问题，同时需要设置参数num_class用于指定类别个数

11，num_class

用于设置多分类问题的类别个数。

12，eval_metric

用于指定评估指标，可以传递各种评估方法组成的list。常用的评估指标如下：

• ‘rmse’，用于回归任务

• ‘mlogloss’，用于多分类任务

• ‘error’，用于二分类任务

• ‘auc’，用于二分类任务

13，silent

数值型，表示是否输出运行过程的信息，默认值为0，表示打印信息。设置为1时，不输出任何信息。

推荐设置为 0 。

14，seed / random_state

指定随机数种子。

在XGBClassifier与XGBRegressor中，对应参数名为 random_state 。

训练参数

以xgboost.train为主，参数及默认值如下：

xgboost.train(params, dtrain, num_boost_round=10, evals=(),
				 obj=None, feval=None, maximize=False, 
				 early_stopping_rounds=None,  evals_result=None, 
				 verbose_eval=True, xgb_model=None, callbacks=None)

1，params

字典类型，用于指定各种参数，例如：{‘booster’:‘gbtree’,‘eta’:0.1}

2，dtrain

用于训练的数据，通过给下面的方法传递数据和标签来构造：

dtrain = xgb.DMatrix(data, label=label)

3，num_boost_round

指定最大迭代次数，默认值为10

4，evals

列表类型，用于指定训练过程中用于评估的数据及数据的名称。例如：[(dtrain,‘train’),(dval,‘val’)]

5，obj

可以指定二阶可导的自定义目标函数。

6，feval

自定义评估函数。

7，maximize

是否对评估函数最大化，默认值为False。

8，early_stopping_rounds

指定迭代多少次没有得到优化则停止训练，默认值为None，表示不提前停止训练。如果设置了此参数，则模型会生成三个属性：

• best_score

• best_iteration

• best_ntree_limit

注意：evals 必须非空才能生效，如果有多个数据集，则以最后一个数据集为准。

9，verbose_eval

可以是bool类型，也可以是整数类型。如果设置为整数，则每间隔verbose_eval次迭代就输出一次信息。

10，xgb_model

加载之前训练好的 xgb 模型，用于增量训练。

预测函数

主要是下面的两个函数：

1，predict(data)，返回每个样本的预测结果

2，predict_proba(data)，返回每个样本属于每个类别的概率

注意：data 是由 DMatrix 函数封装后的数据。

绘制特征重要性

代码如下：

from xgboost import plot_importance
# 显示重要特征，model 为训练好的xgb模型
plot_importance(model)
plt.show()

分类例子

from sklearn.datasets import load_iris
import xgboost as xgb
from xgboost import plot_importance
import matplotlib.pyplot  as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score

# 加载鸢尾花数据集
iris = load_iris()
X,y = iris.data,iris.target
# 数据集分割
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=123457)

# 参数
params = {
    'booster': 'gbtree',
    'objective': 'multi:softmax',
    'num_class': 3,
    'gamma': 0.1,
    'max_depth': 6,
    'lambda': 2,
    'subsample': 0.7,
    'colsample_bytree': 0.7,
    'min_child_weight': 3,
    'slient': 1,
    'eta': 0.1
}

# 构造训练集
dtrain = xgb.DMatrix(X_train,y_train)
num_rounds = 500
# xgboost模型训练
model = xgb.train(params,dtrain,num_rounds)

# 对测试集进行预测
dtest = xgb.DMatrix(X_test)
y_pred = model.predict(dtest)

# 计算准确率
accuracy = accuracy_score(y_test,y_pred)
print('accuarcy:%.2f%%'%(accuracy*100))

# 显示重要特征
plot_importance(model)
plt.show()

输出结果：

accuarcy: 93.33%

回归例子

import xgboost as xgb
from xgboost import plot_importance
from matplotlib import pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.metrics import mean_squared_error

# 加载波士顿房价预测数据集
boston = load_boston()
X,y = boston.data,boston.target

# 数据集分割
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=0)

# 参数
params = {
    'booster': 'gbtree',
    'objective': 'reg:gamma',
    'gamma': 0.1,
    'max_depth': 5,
    'lambda': 3,
    'subsample': 0.7,
    'colsample_bytree': 0.7,
    'min_child_weight': 3,
    'slient': 1,
    'eta': 0.1,
    'seed': 1000,
    'nthread': 4,
}

dtrain = xgb.DMatrix(X_train,y_train)
num_rounds = 300
plst = params.items()
model = xgb.train(plst,dtrain,num_rounds)

# 对测试集进行预测
dtest = xgb.DMatrix(X_test)
ans = model.predict(dtest)
print('mse:', mean_squared_error(y_test, ans))

# 显示重要特征
plot_importance(model)
plt.show()

输出：

mse: 25.48099643587081

二、xgboost 的 sklearn 风格接口

XGBClassifier

基本使用

XGBClassifier的引入以及重要参数的默认值如下：

from xgboost import XGBClassifier
# 重要参数：
xgb_model = XGBClassifier(max_depth=3,
                    learning_rate=0.1,
                    n_estimators=100, # 使用多少个弱分类器
                    objective='binary:logistic',
                    booster='gbtree',
                    gamma=0,
                    min_child_weight=1,
                    max_delta_step=0,
                    subsample=1,
                    colsample_bytree=1,
                    reg_alpha=0,
                    reg_lambda=1,
                    seed=0 # 随机数种子
                 )

其中绝大多数的参数在上文已经说明，不再赘述。

与原生的xgboost相比，XGBClassifier并不是调用train方法进行训练，而是使用fit方法：

xgb_model.fit(
    X, # array, DataFrame 类型
    y, # array, Series 类型
    eval_set=None, # 用于评估的数据集，例如：[(X_train, y_train), (X_test, y_test)]
    eval_metric=None, # 评估函数，字符串类型，例如：'mlogloss'
    early_stopping_rounds=None, 
    verbose=True, # 间隔多少次迭代输出一次信息
    xgb_model=None
)

预测的方法有两种：

xgb_model.predict(data) # 返回预测值
xgb_model.predict_proba(data) # 返回各个样本属于各个类别的概率

例子

from xgboost import XGBClassifier
from sklearn.datasets import load_iris
from xgboost import plot_importance
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score

# 加载样本数据集
iris = load_iris()
X,y = iris.data,iris.target
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=12343)

model = XGBClassifier(
    max_depth=3,
    learning_rate=0.1,
    n_estimators=100, # 使用多少个弱分类器
    objective='multi:softmax',
    num_class=3,
    booster='gbtree',
    gamma=0,
    min_child_weight=1,
    max_delta_step=0,
    subsample=1,
    colsample_bytree=1,
    reg_alpha=0,
    reg_lambda=1,
    seed=0 # 随机数种子
)
model.fit(X_train,y_train, eval_set=[(X_train, y_train), (X_test, y_test)], 
			eval_metric='mlogloss', verbose=50, early_stopping_rounds=50)

# 对测试集进行预测
y_pred = model.predict(X_test)
#计算准确率
accuracy = accuracy_score(y_test,y_pred)
print('accuracy:%2.f%%'%(accuracy*100))

# 显示重要特征
plot_importance(model)
plt.show()

输出：

[0] validation_0-mlogloss:0.967097 validation_1-mlogloss:0.971479
Multiple eval metrics have been passed: ‘validation_1-mlogloss’ will
be used for early stopping.

Will train until validation_1-mlogloss hasn’t improved in 50 rounds.
[50] validation_0-mlogloss:0.035594 validation_1-mlogloss:0.204737
Stopping. Best iteration:
[32] validation_0-mlogloss:0.073909 validation_1-mlogloss:0.182504

accuracy:97%

XGBRegressor

基本使用

XGBRegressor与XGBClassifier类似，其引入以及重要参数的默认值如下：

from xgboost import XGBRegressor
# 重要参数
xgb_model = XGBRegressor(
    max_depth=3,
    learning_rate=0.1,
    n_estimators=100,
    objective='reg:linear', # 此默认参数与 XGBClassifier 不同
    booster='gbtree',
    gamma=0,
    min_child_weight=1,
    subsample=1,
    colsample_bytree=1,
    reg_alpha=0,
    reg_lambda=1,
    random_state=0
)

其 fit 方法、predict方法与 XGBClassifier 几乎相同，不再重复说明。

例子

import xgboost as xgb
from xgboost import plot_importance
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.metrics import mean_squared_error

# 导入数据集
boston = load_boston()
X ,y = boston.data,boston.target
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=0)

model = xgb.XGBRegressor(max_depth=3,
                        learning_rate=0.1,
                        n_estimators=100,
                        objective='reg:linear', # 此默认参数与 XGBClassifier 不同
                        booster='gbtree',
                        gamma=0,
                        min_child_weight=1,
                        subsample=1,
                        colsample_bytree=1,
                        reg_alpha=0,
                        reg_lambda=1,
                        random_state=0)
model.fit(X_train,y_train, eval_set=[(X_train, y_train), (X_test, y_test)], 			
			eval_metric='rmse', verbose=50, early_stopping_rounds=50)

# 对测试集进行预测
ans = model.predict(X_test)
mse = mean_squared_error(y_test,ans)
print('mse:', mse)

# 显示重要特征
plot_importance(model)
plt.show()

输出：

[0] validation_0-rmse:21.687 validation_1-rmse:21.3558
[50] validation_0-rmse:1.8122 validation_1-rmse:4.8143
[99] validation_0-rmse:1.3396 validation_1-rmse:4.63377
mse: 21.471843729261288

三、xgboost 调参思路

（1）选择较高的学习率，例如0.1，这样可以减少迭代用时。

（2）然后对 max_depth , min_child_weight , gamma , subsample, colsample_bytree 这些参数进行调整。这些参数的合适候选值为：

• max_depth：[3, 5, 6, 7, 9, 12, 15, 17, 25]

• min_child_weight：[1, 3, 5, 7]

• gamma：[0, 0.05 ~ 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1]

• subsample：[0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1]

• colsample_bytree：[0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1]

（3）调整正则化参数 lambda , alpha，这些参数的合适候选值为：

• alpha：[0, 0.01~0.1, 1]
• lambda ：[0, 0.1, 0.5, 1]

（4）降低学习率，继续调整参数，学习率合适候选值为：[0.01, 0.015, 0.025, 0.05, 0.1]

参考文章：

XGBoost Parameters

Python API Reference

Python机器学习笔记：XgBoost算法