XGBoost详解(原理篇)

入门小菜鸟,希望像做笔记记录自己学的东西,也希望能帮助到同样入门的人,更希望大佬们帮忙纠错啦~侵权立删。

目录

一、XGBoost简介

二、XGBoost原理

1、基本组成元素

2、整体思路

(1)训练过程——构建XGBoost模型       

(2)测试过程

3、目标函数

(1)最初的目标函数

(2)推导

4、从目标函数到特征划分准则 + 叶子节点的值的确定

(1) ​编辑 的定义

(2)引入真实的​编辑和正则化项代换

(3)求出 ​编辑 —— 定下该叶子结点的值

(4)目标函数的最优解——与信息增益的连接

(5)特征划分准则——“信息增益”

5、从目标函数到加权分位法(实现对每个特征具体的划分)

(1)引入原因

(2)“特征值重要性”的提出

(3)目标函数到平方损失

(4)特征值重要性排序函数

 (5)切分点寻找

(6)计算分裂点的策略

三、XGBoost对缺失值的处理

四、XGBoost的优缺点

1、优点

(1)精度高

(2)灵活性强

(3)防止过拟合

(4)缺失值处理

(5)并行化操作

2、缺点


一、XGBoost简介

XGBoost全称为eXtreme Gradient Boosting,即极致梯度提升树。

XGBoost是Boosting算法的其中一种,Boosting算法的思想是将许多弱分类器集成在一起,形成一个强分类器(个体学习器间存在强依赖关系,必须串行生成的序列化方法)。

Note:关于Boosting算法详见博文集成学习详解_tt丫的博客-CSDN博客

XGBoost是一种提升树模型,即它将许多树模型集成在一起,形成一个很强的分类器。其中所用到的树模型则是CART回归树模型。

Note:CART回归树模型详见博文决策树详解_tt丫的博客-CSDN博客


二、XGBoost原理

1、基本组成元素

       XGBoost的基本组成元素是:决策树。

       这些决策树即为“弱学习器”,它们共同组成了XGBoost;

       并且这些组成XGBoost的决策树之间是有先后顺序的:后一棵决策树的生成会考虑前一棵决策树的预测结果,即将前一棵决策树的偏差考虑在内,使得先前决策树做错的训练样本在后续受到更多的关注,然后基于调整后的样本分布来训练下一棵决策树。

2、整体思路

(1)训练过程——构建XGBoost模型       

       从目标函数出发,可以推导出“每个叶子节点应该赋予的权值”,”分裂节点后的信息增益“,以及”特征值重要性排序函数“。

       与之前决策树的建立方法类似。当前决策树的建立首先根据贪心算法进行划分,通过计算目标函数增益(及上面所说的”分裂节点后的信息增益“),选择该结点使用哪个特征。

       选择好哪个特征后,就要确定分左右子树的条件了(比如选择特征A,条件是A<7):为了提高算法效率(不用一个一个特征值去试),使用“加权分位法”,计算分裂点(这里由”特征值重要性排序函数“得出分裂点)。

      并且对应叶子节点的权值就由上述的“每个叶子节点应该赋予的权值”给出。

      不断进行上述算法,直至所有特征都被使用或者已经达到限定的层数,则完整的决策树构建完成。

(2)测试过程

      将输入的特征,依次输入进XGBoost的每棵决策树。每棵决策树的相应节点都有对应的预测权值w,将“在每一棵决策树中的预测权值”全部相加,即得到最后预测结果,看谁大,谁大谁是最后的预测结果。

3、目标函数

(1)最初的目标函数

设定第 t 个决策树的目标函数公式如下:

\mathcal{L}^{(t)}=\sum_{i=1}^{n} l\left(y_{i}, \hat{y}_{i}^{(t)}\right)+\Omega\left(f_{t}\right)

符号定义:

n表示样本数目;

l\left(y_{i}, \hat{y}_{i}^{(t)}\right) 表示与有关的损失函数,这个损失函数是可以根据需要自己定义的;

y_{i} 表示样本 i 的实际值;

\hat{y_{i}}^{(t)} 表示前 t 棵决策树一起对样本 i 的预测值;

\Omega\left(f_{t}\right) 表示第t棵树的模型复杂度,这里是正则化项,为了惩罚更复杂的模型(通过减小树的深度和单个叶子节点的权重值),减缓过拟合。

\Omega(f)=\gamma T+\frac{1}{2} \lambda\|\omega\|^{2}

T为当前子树的深度,w为叶子节点的节点值。

(2)推导

A、根据Boosting的原理简化

根据Boosting的原理:第 t 棵树对样本 i 的预测值=前 t-1 棵预测树的预测值 + 第 t 棵树的预测值

即:\hat{y}_{i}^{(t)} = \hat{y}_{i}^{(t-1)}+f_{t}\left(\mathbf{x}_{i}\right)

这里补充一下:Shrinkage(收缩过程):

       Shrinkage即:每次走一小步逐渐逼近结果的效果,要比每次迈一大步很快逼近结果的方式更容易避免过拟合。就是说它不完全信任每一个棵残差树(达到防止过拟合的效果),它认为每棵树只学到了真理的一小部分,累加的时候只累加一小部分,通过多学几棵树弥补不足。即给每棵数的输出结果乘上一个步长η (收缩率),如下公式所示:

\hat{y}_{i}^{(t)}=\hat{y}_{i}^{(t-1)}+\eta f_{t}\left(\mathbf{x}_{i}\right) , 0< \eta \leq 1

后续的公式推导都默认 η = 1。

那么最初的目标函数就可以化为:\mathcal{L}^{(t)}=\sum_{i=1}^{n} l\left(y_{i}, \hat{y}_{i}^{(t-1)}+f_{t}\left(\mathbf{x}_{i}\right)\right)+\Omega\left(f_{t}\right)

符号定义:

f_{t}\left(\mathbf{x}_{i}\right) 表示第 t 棵决策树对样本 i 的预测值

B、根据二阶泰勒展开

分析:

我们知道,二阶泰勒展开公式:f(x+\Delta x) \approx f(x) + f'(x)\Delta x + \frac{f''(x)(\Delta x)^{2}}{2}

将上面的 \mathcal{L}^{(t)}=\sum_{i=1}^{n} l\left(y_{i}, \hat{y}_{i}^{(t-1)}+f_{t}\left(\mathbf{x}_{i}\right)\right)+\Omega\left(f_{t}\right) 当成 f(x+\Delta x),即把 \hat{y}_{i}^{(t-1)} 当作 x ,把f_{t}\left(\mathbf{x}_{i}\right) 当作 \Delta x

这样一来,\sum_{i=1}^{n} l\left(y_{i}, \hat{y}_{i}^{(t-1)}\right)+\Omega\left(f_{t}\right) 就是f(x)啦。

那么就有:

\mathcal{L}^{(t)} =\sum_{i=1}^{n}\left[l\left(y_{i}, \hat{y}_{i}^{(t-1)}\right)+g_{i} f_{t}\left(x_{i}\right)+\frac{1}{2} h_{i} f_{t}^{2}\left(x_{i}\right)\right]+\Omega\left(f_{t}\right)

其中:

\mathrm{g}_{\mathrm{i}}=\frac{\partial l\left(\mathrm{y}_{\mathrm{i}}, \hat{\mathrm{y}}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{t}-1}\right)}{\partial \hat{\mathrm{y}}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{t}-1}} ——表示一阶导数,是可以求出来的已知数

\mathrm{h}_{\mathrm{i}}=\frac{\partial^{2} l\left(\mathrm{y}_{\mathrm{i}}, \hat{\mathrm{y}}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{t}-1}\right)}{({\partial\hat{\mathrm{y}}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{t}-1}})^{2}} ——表示二阶导数,是可以求出来的已知数

C、去掉常数项

因为我们的目的是要最小化目标函数,那些常数项我们可以把它们暂时搁置。

\mathcal{L}^{(t)} =\sum_{i=1}^{n}\left[g_{i} f_{t}\left(x_{i}\right)+\frac{1}{2} h_{i} f_{t}^{2}\left(x_{i}\right)\right]+\Omega\left(f_{t}\right)

4、从目标函数到特征划分准则 + 叶子节点的值的确定

(1) f_{t}\left(\mathbf{x}_{i}\right) 的定义

XGBoost把 f_{t}\left(\mathbf{x}_{i}\right) 定义为w_{q(x_{i})}

其中q(x_{i})代表了样本 i 在哪个叶子节点上,w表示叶子结点的权重(即决策树的预测值)

(2)引入真实的f_{t}\left(\mathbf{x}_{i}\right)和正则化项代换

\mathcal{L}^{(t)} \approx \sum_{i=1}^{n}\left[g_{i} w_{q\left(x_{i}\right)}+\frac{1}{2} h_{i} w_{q\left(x_{i}\right)}^{2}\right]+\gamma T+\frac{1}{2} \lambda \sum_{j=1}^{T} w_{j}^{2}

进一步化为:\mathcal{L}^{(t)}=\sum_{j=1}^{T}\left[\left(\sum_{i \in I_{j}} g_{i}\right) w_{j}+\frac{1}{2}\left(\sum_{i \in I_{j}} h_{i}+\lambda\right) w_{j}^{2}\right]+\gamma T

其中:

I_{j}=\left\{i \mid q\left(x_{i}\right)=j\right\} 代表决策树 q 在叶子节点 j 上的取值(即表示位于第j个叶子结点有哪些样本)

这样就把累加项从样本总数变为了针对当前决策树的叶子节点。

再令G_{j}=\sum_{i \in I_{j}} g_{i} 和 H_{j}=\sum_{i \in I_{j}} h_{i}

再次化简为:

\mathcal{L}^{(t)}=\sum_{j=1}^{T}\left[G_{j} w_{j}+\frac{1}{2}\left(H_{j}+\lambda\right) w_{j}^{2}\right]+\gamma T

(3)求出 w_{j} —— 定下该叶子结点的值

因为我们的目的是最小化目标函数,因此我们对上式求导,令其为0。

w_{j}^{*}=-\frac{G_{j}}{H_{j}+\lambda}

即我们应该将叶子结点的值w_{j}设为-\frac{G_{j}}{H_{j}+\lambda}

(4)目标函数的最优解——与信息增益的连接

{\mathcal{L}^{(t)}}^{*}=-\frac{1}{2} \sum_{j=1}^{T} \frac{G_{j}^{2}}{H_{j}+\lambda}+\gamma T

这个{\mathcal{L}^{(t)}}^{*}又叫结构分数,类似于信息增益,可以对树的结构进行打分。

信息增益:更能确定多少——目标函数:预测对了多少

(5)特征划分准则——“信息增益”

\operatorname{Gain}=\frac{1}{2}\left[\frac{G_{L}^{2}}{H_{L}+\lambda}+\frac{G_{R}^{2}}{H_{R}+\lambda}-\frac{\left(G_{L}+G_{R}\right)^{2}}{H_{L}+H_{R}+\lambda}\right]-\gamma

其中 L 下标是值划分到左子树时的目标函数最优值,R 下标是值划分到右子树时的目标函数最优值。在实际划分时,XGBoost会基于“Gain最大”的节点进行划分。

       第一部分是新的左子叶的分数(即该节点进行特征分裂后左子叶的目标函数);第二部分是新的右子叶的分数(即该节点进行特征分裂后右子叶的目标函数);第三部分是原来叶子的分数(即该节点未进行特征分裂前的目标函数);第四部分是新增叶子的正则系数。

      体现的意义即为:判断分裂节点后的信息增益(第一部分+第二部分)是否大于未分裂的情况,并且考虑到模型会不会太复杂的问题(如果增加的分数小于正则项,节点不再分裂)。

5、从目标函数到加权分位法(实现对每个特征具体的划分)

(1)引入原因

       比如说,有一个特征A是一个离散的连续变量,有100个不同的值,范围是[1,100]。那么如果选择特征D来分裂节点时,需要尝试100种不同的划分,一个一个算然后再对比Gain,可以是可以,但会导致算法的效率很低。

      XGBoost为了实现可以不用尝试每一种的划分,只选取几个值进行尝试,提出了加权分位法。

(2)“特征值重要性”的提出

       为了得到值得进行尝试的划分点,我们需要建立一个函数对该特征的特征值进行"重要性"排序。根据排序的结果,再选出值得进行尝试的特征值。

(3)目标函数到平方损失

我们前面得到的目标函数长这样:

\mathcal{L}^{(t)} =\sum_{i=1}^{n}\left[g_{i} f_{t}\left(x_{i}\right)+\frac{1}{2} h_{i} f_{t}^{2}\left(x_{i}\right)\right]+\Omega\left(f_{t}\right)

我们把\frac{1}{2}h_{i} 提出来,变成:

\mathcal{L}^{(t)} =\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{2} h_{i}\left[2\frac{g_{i}}{h_{i}} f_{t}\left(x_{i}\right)+ f_{t}^{2}\left(x_{i}\right)\right]+\Omega\left(f_{t}\right)

然后因为 g_{i} 和 h_{i} 都是已知数,相当于常量,我们给他加上它们的相关运算,在后面再给他减掉一个常数,结果不变。

\mathcal{L}^{(t)} =\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{2} h_{i}\left[f_{t}(x_{i}) - \frac{g_{i}}{h_{i}}\right]^{2}+\Omega\left(f_{t}\right) + C

C为常数项

现在我们得到的式子即为:真实值为 \frac{g_{i}}{h_{i}} ,权重为h_{i}的平方损失项+正则化项+常数项

(4)特征值重要性排序函数

       因此,我们可以得出结论:一个样本对于目标函数值的贡献,在于其 h_{i} 。因此可以根据 h_{i} 对特征值的“重要性”进行排序。XGBoost提出了一个新的函数,这个函数用于表示一个特征值的"重要性"排名:(这里的特征值表示:某个等待判断分裂的节点属性,中的某个取值)

XGBoost详解(原理篇)_第1张图片

 其中:

D_{k}:第k个特征的每个样本的特征值(x_{nk})与其相应的 h_{i} 组成的集合;

(x_{ik},h_{i}):表示第 i 个样本对于第k个特征的特征值,和其对应的 h_{i} ;

D_{k} = \left \{(x_{1k},h1), ... ,(x_{nk},h_{n}) \right \}
r_{k}(z) 的分母:第k个特征的所有样本的 h_{i} 的总和;
r_{k}(z) 的分子:所有特征值小于z的样本的 h_{i} 总和;

式子表示的意义是:特征值小于z的样本特征重要性分布占比

 (5)切分点寻找

       之后对一个特征的所有特征值进行排序。在排序之后,设置一个值 ϵ (采样频率)。这个值用于对要划分的点进行规范。对于特征k的特征值的划分点\left \{s_{k1},s_{k2},...,s_{kl} \right \}有,两个相连划分点的r_{k}值之差的绝对值要小于 ϵ (为了让相邻的划分点的贡献度都差不多)。同时,为了增大算法的效率,也可以选择每个切分点包含的特征值数量尽可能多。

(6)计算分裂点的策略

基于加权分位法,我们有两种策略进行分裂点的计算:全局策略和局部策略。

A、全局策略

       即在一棵树的生成之前,就已经计算好每个特征的分裂点。在整个树的生成过程当中,用的都是一开始计算的分裂点。这也就代表了使用全局策略的开销更低,但如果分裂点不够多的话,准确率是不够高的。

B、局部策略

       根据每一个节点所包含的样本,重新计算其所有特征的分裂点(即边建立树边重新更新分裂点)。

       因为在一棵树的分裂的时候,样本会逐渐被划分到不同的结点中(即每个结点所包含的样本,以及这些样本有的特征值是不一样的)。因此,我们可以对每个结点重新计算分裂点,以保证准确性,但这样会使局部策略的开销更大,但分裂点数目不用太多,也能够达到一定的准确率。

(1)在分裂点数目相同,即 ϵ 相同的时候,全局策略的效果比局部策略的效果差;

(2)全局策略可以通过增加分裂点数目,达到逼近局部策略的效果


三、XGBoost对缺失值的处理

       对于特征A,我们首先将样本中特征A的特征值为缺失值的样本全部剔除。然后我们正常进行样本划分。

       最后,我们做两个假设:一个是缺失值全部归在左子节点;一个是归在右子节点。哪一个得到的增益大,就代表这个特征最好的划分。

Note:对于加权分位法中对于特征值的排序,缺失值不参与(即缺失值不会作为分裂点,gblinear将缺失值视为0)


四、XGBoost的优缺点

1、优点

(1)精度高

XGBoost对损失函数进行了二阶泰勒展开, 一方面为了增加精度, 另一方面也为了能够自定义损失函数,二阶泰勒展开可以近似许多损失函数。(对比只用到一阶泰勒的GBDT)


(2)灵活性强

XGBoost不仅支持CART,还支持线性分类器;

XGBoost还支持自定义损失函数,只要损失函数有一二阶导数。

(3)防止过拟合

A、正则化

       XGBoost在目标函数中加入了正则项,用于惩罚过大的模型复杂度,有助于降低模型方差,防止过拟合。
B、Shrinkage(缩减)

       主要是为了削弱每棵树的影响,让后面有更大的学习空间,学习过程更加的平缓。

C、列抽样

      在建立决策树的时候,不用再遍历所有的特征了,可以进行抽样。

      一方面简化了计算,另一方面也有助于降低过拟合。


(4)缺失值处理

(5)并行化操作

有一些不相关可以很好的支持并行计算

2、缺点

时间复杂度和空间复杂度都较高(预排序过程)。


欢迎大家在评论区批评指正,谢谢~

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