机器学习模型 知乎_【机器学习】模型融合方法概述

我理解的Kaggle比赛中提高成绩主要有3个地方特征工程

调参

模型融合

之前每次打比赛都只做了前两部分，最后的模型融合就是简单的加权平均，对于进阶的Stacking方法一直没尝试，这几天摸索了一下还是把Stacking方法给弄懂了。(本文重点讲解Stacking,Bagging和Boosting有很多权威的好教程，所以不详细介绍)最早的Stacking思想早些年就有论文发表，但是应用Stacking方法到比赛中的相关文章还是少之甚少，这有两篇https://mlwave.com/kaggle-ensembling-guide/、HUMAN ENSEMBLE LEARNING讲的很棒，但是之前因为理解不到位，有几处卡住了。在@Wille 的文章如何在 Kaggle 首战中进入前 10%中Stacking只是作为一部分提到。因此决定自己写一篇关于模型融合的文章。本文不涉及到各个算法原理层次的深度，目的在于从宏观上帮助理解这几个模型融合方法。

一、Voting 模型融合其实也没有想象的那么高大上，从最简单的Voting说起，这也可以说是一种模型融合。假设对于一个二分类问题，有3个基础模型，那么就采取投票制的方法，投票多者确定为最终的分类。

二、Averaging

对于回归问题，一个简单直接的思路是取平均。稍稍改进的方法是进行加权平均。权值可以用排序的方法确定，举个例子，比如A、B、C三种基本模型，模型效果进行排名，假设排名分别是1，2，3，那么给这三个模型赋予的权值分别是3/6、2/6、1/6

这两种方法看似简单，其实后面的高级算法也可以说是基于此而产生的，Bagging或者Boosting都是一种把许多弱分类器这样融合成强分类器的思想。

三、Bagging

Bagging就是采用有放回的方式进行抽样，用抽样的样本建立子模型,对子模型进行训练，这个过程重复多次，最后进行融合。大概分为这样两步：重复K次

有放回地重复抽样建模

训练子模型

2.模型融合

分类问题：voting

回归问题：average

Bagging算法不用我们自己实现，随机森林就是基于Bagging算法的一个典型例子，采用的基分类器是决策树。R和python都集成好了，直接调用。

四、Boosting Bagging算法可以并行处理，而Boosting的思想是一种迭代的方法，每一次训练的时候都更加关心分类错误的样例，给这些分类错误的样例增加更大的权重，下一次迭代的目标就是能够更容易辨别出上一轮分类错误的样例。最终将这些弱分类器进行加权相加。引用加州大学欧文分校Alex Ihler教授的两页PPT

同样地，基于Boosting思想的有AdaBoost、GBDT等，在R和python也都是集成好了直接调用。

PS：理解了这两点，面试的时候关于Bagging、Boosting的区别就可以说上来一些，问Randomfroest和AdaBoost的区别也可以从这方面入手回答。也算是留一个小问题，随机森林、Adaboost、GBDT、XGBoost的区别是什么？

五、Stacking

Stacking方法其实弄懂之后应该是比Boosting要简单的，毕竟小几十行代码可以写出一个Stacking算法。我先从一种“错误”但是容易懂的Stacking方法讲起。

Stacking模型本质上是一种分层的结构，这里简单起见，只分析二级Stacking.假设我们有3个基模型M1、M2、M3。

1. 基模型M1，对训练集train训练，然后用于预测train和test的标签列，分别是P1，T1

对于M2和M3，重复相同的工作，这样也得到P2，T2,P3,T3。

2. 分别把P1,P2,P3以及T1,T2,T3合并，得到一个新的训练集和测试集train2,test2.

3. 再用第二层的模型M4训练train2,预测test2,得到最终的标签列。

Stacking本质上就是这么直接的思路，但是这样肯定是不行的，问题在于P1的得到是有问题的，用整个训练集训练的模型反过来去预测训练集的标签，毫无疑问过拟合是非常非常严重的，因此现在的问题变成了如何在解决过拟合的前提下得到P1、P2、P3，这就变成了熟悉的节奏——K折交叉验证。我们以2折交叉验证得到P1为例,假设训练集为4行3列

将其划分为2部分

用traina训练模型M1，然后在trainb上进行预测得到preb3和pred4

在trainb上训练模型M1，然后在traina上进行预测得到pred1和pred2

然后把两个预测集进行拼接

对于测试集T1的得到，有两种方法。注意到刚刚是2折交叉验证，M1相当于训练了2次，所以一种方法是每一次训练M1，可以直接对整个test进行预测，这样2折交叉验证后测试集相当于预测了2次，然后对这两列求平均得到T1。

或者直接对测试集只用M1预测一次直接得到T1。

P1、T1得到之后，P2、T2、P3、T3也就是同样的方法。理解了2折交叉验证，对于K折的情况也就理解也就非常顺利了。所以最终的代码是两层循环，第一层循环控制基模型的数目，每一个基模型要这样去得到P1，T1，第二层循环控制的是交叉验证的次数K，对每一个基模型，会训练K次最后拼接得到P1，取平均得到T1。这下再把@Wille博文中的那张图片放出来就很容易看懂了。

该图是一个基模型得到P1和T1的过程，采用的是5折交叉验证，所以循环了5次，拼接得到P1，测试集预测了5次，取平均得到T1。而这仅仅只是第二层输入的一列/一个特征，并不是整个训练集。再分析作者的代码也就很清楚了。也就是刚刚提到的两层循环。

python实现

用了一个泰坦尼克号的尝试了一下代码，从头到尾都是可以运行的。代码放在Github,针对其中一段关键的稍作分析

def get_oof(clf, x_train, y_train, x_test):

oof_train = np.zeros((ntrain,))

oof_test = np.zeros((ntest,))

oof_test_skf = np.empty((NFOLDS, ntest)) #NFOLDS行，ntest列的二维array

for i, (train_index, test_index) in enumerate(kf): #循环NFOLDS次

x_tr = x_train[train_index]

y_tr = y_train[train_index]

x_te = x_train[test_index]

clf.fit(x_tr, y_tr)

oof_train[test_index] = clf.predict(x_te)

oof_test_skf[i, :] = clf.predict(x_test) #固定行填充，循环一次，填充一行

oof_test[:] = oof_test_skf.mean(axis=0) #axis=0,按列求平均，最后保留一行

return oof_train.reshape(-1, 1), oof_test.reshape(-1, 1) #转置，从一行变为一列这里只实现了针对一个基模型做K折交叉验证，因为P1和T1都是多行一列的结构，这里是先存储为一行多列，最后进行转置。

但是Stacking方法其实在R中也有集成好的可以调用。

caretEnsemble包下的caretStack()方法

关键代码如下：

algorithmList

stackControl

stack.glm

h2o包的h2o.stack()方法

关键代码如下：

nfolds

glm1

training_frame = train,

nfolds = nfolds,

fold_assignment = "Modulo",

keep_cross_validation_predictions = TRUE)

gbm1

training_frame = train,

seed = 1,

nfolds = nfolds,

fold_assignment = "Modulo",

keep_cross_validation_predictions = TRUE)

rf1

training_frame = train,

seed = 1,

nfolds = nfolds,

fold_assignment = "Modulo",

keep_cross_validation_predictions = TRUE)

dl1

training_frame = train,

nfolds = nfolds,

fold_assignment = "Modulo",

keep_cross_validation_predictions = TRUE)

models

metalearner

stack

response_frame = train[,y],

metalearner = metalearner,

seed = 1,

keep_levelone_data = TRUE)

# Compute test set performance:

perf

最后放一张H2O分享的图片总结一下