2021机器学习面试必考面试题汇总（附答案详解）

问题：Xgboost、lightGBM和Catboost之间的异同？

树的特征

三种算法基学习器都是决策树，但是树的特征以及生成的过程仍然有很多不同。

CatBoost使用对称树，其节点可以是镜像的。CatBoost基于的树模型其实都是完全二叉树。

XGBoost的决策树是Level-wise增长。Level-wise可以同时分裂同一层的叶子，容易进行多线程优化，过拟合风险较小，但是这种分裂方式也有缺陷，Level-wise对待同一层的叶子不加以区分，带来了很多没必要的开销。

实际上很多叶子的分裂增益较低，没有搜索和分裂的必要。 LightGBM的决策树是Leaf-wise增长。每次从当前所有叶子中找到分裂增益最大的一个叶子（通常来说是数据最多的一个），其缺陷是容易生长出比较深的决策树，产生过拟合，为了解决这个问题，LightGBM在Leaf-wise之上增加了一个最大深度的限制。

对于类别型变量

调用boost模型时，当遇到类别型变量，xgboost需要先处理好，再输入到模型，而lightgbm可以指定类别型变量的名称，训练过程中自动处理。

具体来讲，CatBoost 可赋予分类变量指标，进而通过独热最大量得到独热编码形式的结果（独热最大量：在所有特征上，对小于等于某个给定参数值的不同的数使用独热编码；同时，在 CatBoost 语句中设置“跳过”，CatBoost 就会将所有列当作数值变量处理）。

LighGBM 也可以通过使用特征名称的输入来处理属性数据；它没有对数据进行独热编码，因此速度比独热编码快得多。LGBM 使用了一个特殊的算法来确定属性特征的分割值。（注：需要将分类变量转化为整型变量；此算法不允许将字符串数据传给分类变量参数）

和 CatBoost 以及 LGBM 算法不同，XGBoost 本身无法处理分类变量，只接受数值数据，这点和RF很相似。实际使用中，在将分类数据传入 XGBoost 之前，必须通过标记编码、均值编码或独热编码等各种编码方式对数据进行处理。

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问题：SVM 和 Logistic 回归分别在什么情况下使用？

SVM 和 LR的选择实际上是模型预测能力和运行效率的权衡，从样本和特征数量的角度分析如下：

1. 若特征数量较大，样本数量较小（例如：1万个特征，1000个样本），则使用 LR。因为使用线性模型就能取得不错的效果，无需使用过于复杂的模型；

2. 若特征数量较小，样本数量中等（例如：10个特征，1万个样本），则使用高斯核函数的SVM。因为特征数较小，使用复杂核函数的SVM可以得到较好的预测性能，这一点胜过 LR，且样本数量中等，运算速度不会太慢；

3. 若特征数量中等，样本数量非常大（例如100个特征，50万个样本），则应该先构造更多的特征，然后使用LR。因为样本数量太大会导致SVM运算很慢，此时 LR 更有优势，应该引入更多的特征，来保证 LR 的预测性能。

结论：

（1）在工业界的实际使用中，SVM 用的不多，速度慢并且效果也很难保证。LR使用好的特征，加上正则化项可以取得不错的效果，上线后响应速度也快；

（2）LR 适合大规模特征和数据量级的场景，百万以上的特征或训练数据，一般都建议使用 LR；

（3）LR 可以得到一个概率值，在排序的场景下（如广告系统中的CTR预估）比较常用。

问题：为什么GBDT中叶子结点的分数是通过最小化损失函数得到的，而不是直接取平均或者多数表决？

GBDT的基模型为回归决策树。

（1）当损失函数为平方损失时，经验损失最小值对应的预测值为训练样本标记值的平均值，举例如下：

假设特征空间的划分已确定，如图所示：

R2 单元对应的预测值 c2 应该尽量使其中的训练样本的预测损失最小。使用平方误差作为损失函数，假设 R2 中有三个训练样本 ，则预测值为 c2 产生的损失为：

令损失函数的导数为零，可以求出损失函数取最小值时对应的预测输出值：

（2）当回归损失函数为更一般的情况时，也是类似的道理：求解损失函数最小时对应的预测值。

多数表决是分类问题预测值的求解方法，和GBDT没有关系。

问题：为什么xgboost不用后剪枝？

后剪枝计算代价太高了，合并一次叶节点就要计算一次测试集的表现，数据量大的情况下非常消耗时间，而且也并不是特别必要，因为这样很容易过拟合测试集。

问题：xgb和lgb在特征、数据并行上存在什么差异？

1）特征并行

lgbm特征并行的前提是每个worker留有一份完整的数据集，但是每个worker仅在特征子集上进行最佳切分点的寻找；worker之间需要相互通信，通过比对损失来确定最佳切分点；然后将这个最佳切分点的位置进行全局广播，每个worker进行切分即可。xgb的特征并行与lgbm的最大不同在于xgb每个worker节点中仅有部分的列数据，也就是垂直切分，每个worker寻找局部最佳切分点，worker之间相互通信，然后在具有最佳切分点的worker上进行节点分裂，再由这个节点广播一下被切分到左右节点的样本索引号，其他worker才能开始分裂。二者的区别就导致了lgbm中worker间通信成本明显降低，只需通信一个特征分裂点即可，而xgb中要广播样本索引。

2）数据并行

当数据量很大，特征相对较少时，可采用数据并行策略。lgbm中先对数据水平切分，每个worker上的数据先建立起局部的直方图，然后合并成全局的直方图，采用直方图相减的方式，先计算样本量少的节点的样本索引，然后直接相减得到另一子节点的样本索引，这个直方图算法使得worker间的通信成本降低一倍，因为只用通信以此样本量少的节点。xgb中的数据并行也是水平切分，然后单个worker建立局部直方图，再合并为全局，不同在于根据全局直方图进行各个worker上的节点分裂时会单独计算子节点的样本索引，因此效率贼慢，每个worker间的通信量也就变得很大。

3）投票并行（lgbm）

当数据量和维度都很大时，选用投票并行，该方法是数据并行的一个改进。数据并行中的合并直方图的代价相对较大，尤其是当特征维度很大时。大致思想是：每个worker首先会找到本地的一些优秀的特征，然后进行全局投票，根据投票结果，选择top的特征进行直方图的合并，再寻求全局的最优分割点。这个方法我没有找到很好的解释，因此，面试过程中答出前面两种我觉得就ok了吧。

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