Python实现GA遗传算法优化LightGBM回归模型(LGBMRegressor算法)项目实战

说明：这是一个机器学习实战项目（附带数据+代码+文档+视频讲解），如需数据+代码+文档+视频讲解可以直接到文章最后获取。

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1.项目背景

遗传算法（Genetic Algorithm，GA）最早是由美国的 John holland于20世纪70年代提出,该算法是根据大自然中生物体进化规律而设计提出的。是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。该算法通过数学的方式,利用计算机仿真运算,将问题的求解过程转换成类似生物进化中的染色体基因的交叉、变异等过程。在求解较为复杂的组合优化问题时,相对一些常规的优化算法,通常能够较快地获得较好的优化结果。遗传算法已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。

本项目通过GA遗传算法优化LightGBM回归模型。

2.数据获取

本次建模数据来源于网络(本项目撰写人整理而成)，数据项统计如下：

数据详情如下(部分展示)：

3.数据预处理

3.1 用Pandas工具查看数据

使用Pandas工具的head()方法查看前五行数据：

关键代码：

 

3.2 数据缺失查看

使用Pandas工具的info()方法查看数据信息：

 

从上图可以看到，总共有9个变量，数据中无缺失值，共1000条数据。

关键代码：

 

3.3 数据描述性统计

通过Pandas工具的describe()方法来查看数据的平均值、标准差、最小值、分位数、最大值。

 关键代码如下：

4.探索性数据分析

4.1 y变量直方图

用Matplotlib工具的hist()方法绘制直方图：

从上图可以看到，y变量主要集中在-300~300之间。  

4.2 相关性分析

从上图中可以看到，数值越大相关性越强，正值是正相关、负值是负相关。

5.特征工程

5.1 建立特征数据和标签数据

关键代码如下：

 

5.2 数据集拆分

通过train_test_split()方法按照80%训练集、20%测试集进行划分，关键代码如下：

 

6.构建GA遗传算法优化LightGBM回归模型

主要使用GA遗传算法优化LightGBM回归算法，用于目标回归。

6.1 GA遗传算法寻找最优参数值   

最优参数值：

 

6.2 最优参数值构建模型

 

7.模型评估

7.1 评估指标及结果

评估指标主要包括可解释方差值、平均绝对误差、均方误差、R方值等等。

从上表可以看出，R方0.9541，为模型效果良好。

关键代码如下： 

 7.2 真实值与预测值对比图

 

从上图可以看出真实值和预测值波动基本一致，模型拟合效果良好。  

8.结论与展望

综上所述，本文采用了GA遗传算法寻找LightGBM算法的最优参数值来构建回归模型，最终证明了我们提出的模型效果良好。此模型可用于日常产品的预测。

# 初始化种群、初始解
Sol = np.zeros((N_pop, d))  # 初始化位置
Fitness = np.zeros((N_pop, 1))  # 初始化适用度
for i in range(N_pop):  # 迭代种群
    Sol[i] = np.random.uniform(Lower_bound, Upper_bound, (1, d))  # 生成随机数
    Fitness[i] = objfun(Sol[i])  # 适用度
 
 
# ******************************************************************************
 
# 本次机器学习项目实战所需的资料，项目资源如下：
 
# 项目说明：
 
# 链接：https://pan.baidu.com/s/1c6mQ_1YaDINFEttQymp2UQ
 
# 提取码：thgk
 
# ******************************************************************************
 
 
# y变量分布直方图
fig = plt.figure(figsize=(8, 5))  # 设置画布大小
plt.rcParams['font.sans-serif'] = 'SimHei'  # 设置中文显示
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
data_tmp = df['y']  # 过滤出y变量的样本
# 绘制直方图  bins：控制直方图中的区间个数 auto为自动填充个数  color：指定柱子的填充色
plt.hist(data_tmp, bins='auto', color='g')

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