使用GridSearch对xgboost进行调参（全部流程）

本篇博客的大纲：

1. 导入相关的库/模块
2. 初始化xgb.XGBRegressor模型的默认参数
3. 按照顺序，每次选取一个或多个相关参数，给出取值区间，进行GridSearch
4. 针对网格搜索给出的最佳参数，再划定更详细的区间，将最优参数精细化
5. 找到所有属性的最佳参数，与原始模型进行结果对比，验证是否提高了模型的精度

一、相关的库/模块

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.model_selection import KFold, cross_val_score
import xgboost as xgb
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

二、xgboost调参开始（注意调参顺序）

1. 初始化模型默认参数

other_params = {'eta': 0.3, 'n_estimators': 500, 'gamma': 0, 'max_depth': 6, 'min_child_weight': 1,
                'colsample_bytree': 1, 'colsample_bylevel': 1, 'subsample': 1, 'reg_lambda': 1, 'reg_alpha': 0,
                'seed': 33}

    xgboost参数的详细说明，详见官网，我这里简单介绍一下，上面几个参数的含义。

1. eta ： 默认是0.3，别名是 leanring_rate，更新过程中用到的收缩步长，在每次提升计算之后，算法会直接获得新特征的权重。 eta通过缩减特征的权重使提升计算过程更加保守；[0,1]
2. gamma：默认是0，别名是 min_split_loss，在节点分裂时，只有在分裂后损失函数的值下降了（达到gamma指定的阈值），才会分裂这个节点。gamma值越大，算法越保守（越不容易过拟合）；[0，∞]
3. max_depth：默认是6，树的最大深度，值越大，越容易过拟合；[0，∞]
4. min_child_weight：默认是1，决定最小叶子节点样本权重和，加权和低于这个值时，就不再分裂产生新的叶子节点。当它的值较大时，可以避免模型学习到局部的特殊样本。但如果这个值过高，会导致欠拟合。[0，∞]
5. max_delta_step：默认是0，这参数限制每颗树权重改变的最大步长。如果是 0 意味着没有约束。如果是正值那么这个算法会更保守，通常不需要设置。[0，∞]
6. subsample：默认是1，这个参数控制对于每棵树，随机采样的比例。减小这个参数的值算法会更加保守，避免过拟合。但是这个值设置的过小，它可能会导致欠拟合。 (0,1]
7. colsample_bytree：默认是1，用来控制每颗树随机采样的列数的占比； (0,1]
8. colsample_bylevel：默认是1，用来控制的每一级的每一次分裂，对列数的采样的占比； (0,1]
9. lambda：默认是1，别名是reg_lambda，L2 正则化项的权重系数，越大模型越保守；
10. alpha：默认是0，别名是reg_alpha，L1 正则化项的权重系数，越大模型越保守；
11. seed：随机数种子，相同的种子可以复现随机结果，用于调参！
12. n_estimators：弱学习器的数量

2. 寻找最佳的 n_estimators

cv_params = {'n_estimators': np.linspace(100, 1000, 10, dtype=int)}
regress_model = xgb.XGBRegressor(**other_params)  # 注意这里的两个 * 号！
gs = GridSearchCV(regress_model, cv_params, verbose=2, refit=True, cv=5, n_jobs=-1)
gs.fit(X, y)  # X为训练数据的特征值，y为训练数据的label
# 性能测评
print("参数的最佳取值：:", gs.best_params_)
print("最佳模型得分:", gs.best_score_)

我们这里传入的参数列表是等差数列，[100,200,300,…,1000]，输出结果如下：

最佳取值是100，那我们进一步查找最佳参数值，再用一个等差数列，[50,60,70,…,150]

cv_params = {'n_estimators': np.linspace(50, 150, 11, dtype=int)}

输出结果如下：

那么我们可以考虑决定 n_estimators 的取值为 140，然后修改other_params里n_estimators的值为140，开始调整下一参数；

注意：每次调完一个参数，要把 other_params对应的参数更新为最优值！

3. 寻找最佳的 max_depth

cv_params = {'max_depth': np.linspace(1, 10, 10, dtype=int)}

传入的参数列表为等差数列[1,2,3,…,10]，其他部分不变，
输出结果：

可以看到，max_depth为2，而不是默认的6时，模型的得分有了明显的提高，修改other_params里的max_depth值，继续调参；

4. 寻找最佳的 min_child_weight

cv_params = {'min_child_weight': np.linspace(1, 10, 10, dtype=int)}

传入的参数列表为等差数列[1,2,3,…,10]，其他部分不变，
输出结果：

发现模型的得分进一步提高，修改other_params里的min_child_weight值，继续调参；

5. 寻找最佳的gamma值

cv_params = {'gamma': np.linspace(0, 1, 10)}

传入的参数列表为等差数列[0，0.1，0.2，…,1.0]，其他部分不变，
输出结果：

输出的最优值是模型的默认值，那么我们进一步细分gamma取值区间，

cv_params = {'gamma': np.linspace(0, 0.1, 11)}

输出结果：

可以发现，gamma取0.01时，模型得分进一步提高，如果想要再提高，可以进一步缩小区间，不过我这里怕出现过拟合，还是取0.01即可；

6. 寻找最佳的subsample值

cv_params = {'subsample': np.linspace(0, 1, 11)}

传入的参数列表为等差数列[0，0.1，0.2，…,1.0]，其他部分不变，
输出结果：

输出的最优值是模型的默认值，那我们进一步细分subsample的取值区间：

cv_params = {'subsample': np.linspace(0.9, 1, 11)}

输出结果：

参数最佳取值依旧未变，那我们就用subsample = 1.0 作为最优参数，继续调参；

7. 寻找最佳的colsample_bytree值

cv_params = {'colsample_bytree': np.linspace(0, 1, 11)[1:]}

colsample_bytree的取值区间为( 0,1]，所以不能取0；
输出结果：

经验证，参数最佳取值依旧未变，那我们就用默认值作为最优参数，继续调参；

8. 寻找最佳的reg_lambda

cv_params = {'reg_lambda': np.linspace(0, 100, 11)}

正则项系数 reg_lambda 的值越大，模型越保守！
输出结果：

进一步细分:

cv_params = {'reg_lambda': np.linspace(40, 60, 11)}

输出结果：

发现模型的得分进一步提高，修改other_params里的 reg_lambda值，继续调参；

1. 寻找最佳的reg_alpha

cv_params = {'reg_alpha': np.linspace(0, 10, 11)}

输出结果：

输出最优的reg_alpha为默认值，继续细分：

cv_params = {'reg_alpha': np.linspace(0, 1, 11)}

输出结果：

输出值仍未改变，不妨就取默认值作为最优值，继续调参；

2. 寻找最佳的 eta 值
   一般这时候要调小学习率来测试，这里用的是一个等比数列；

cv_params = {'eta': np.logspace(-2, 0, 10)}

输出结果：

这里的，模型得分没有变化，可能是训练数据较少的缘故，暂且用0.01作为学习率，这样一来，我们要调的关键参数基本调试完毕；

三、对比原始模型结果

1. 定义评分函数

def rmsle_cv(model):
    rmse = np.sqrt(-cross_val_score(model, X, y,
                                    scoring="neg_mean_squared_error", cv=5))
    return rmse

利用sklearn模块自带的评分函数cross_val_score，进行五折交叉验证，开根号取得标准差；

2. 初始化默认模型和调参之后的模型

# 默认参数
default_xgb = xgb.XGBRegressor()
score = rmsle_cv(default_xgb)
print("default score: {:.4f} ({:.4f})\n".format(score.mean(), score.std()))

# 调参之后
tuned_gbr = xgb.XGBRegressor(learning_rate=0.3, n_estimators=140,
                             max_depth=2, min_child_weight=2,
                             subsample=1, colsample_bytree=1, gamma=0.02, reg_lambda=48)
score = rmsle_cv(tuned_gbr)
print("tuned score: {:.4f} ({:.4f})\n".format(score.mean(), score.std()))

3. 输出结果对比
   
   可以发现，误差有了一定的下降；

THE END

         有一句话说的很好，“数据和特征决定了机器学习的上限，而模型和算法只是逼近这个上限而已”，xgboost的调参过程基本就是这样，我们想要进一步提升预测的精度，对于数据和特征可能还需要进一步的处理。

参考资料：
XGboost数据比赛实战之调参篇(完整流程)