集成学习算法（Bagging 思想、Boosting思想）及具体案例

概述：是机器学习中的一种思想，通过多个模型的组合形成一个精度更高的模型，参与组合的模型称为弱学习器

1、Bagging 思想

        有放回的抽样（booststrap抽样）产生不同的训练集，从而训练不同的学习器；

        通过平权投票、多数表决的方式决定预测结果；

        弱学习器可以并行训练

代表算法：随机森林

        概述：是基于 Bagging 思想实现的一种集成学习算法，采用决策树模型作为每一个弱学习器

        构建过程：1. 随机选数据，2. 随机选特征，3. 训练弱学习器，4. 重复1~3训练n个弱学习器，

                          5. 平权投票

        API

# 导包
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

param = { ' n_estimators ':[40,50,60,70],' max_depth ':[2,4,6,8,10],' random_state ':[ 9 ] }

        from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

        param = { ' n_estimators '：[40，50，60，70]，' max_depth '：[2，4，6，8，10]，' random_state '：[ 9 ] }

        n_estimators：决策树数量，default = 10
        max_features = ' auto ' ：最大特征数量，= sqrt ( n_features )
        log2( n_features )，None = n_features
        bootstrap：是否采用有放回抽样，默认为 True
        min_impurity_split：节点划分最小不纯度，一般不改，默认为 1e-7

泰坦尼克号案例

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

def dm01_随机森林():
# 1 获取数据集
titan = pd.read_csv(“./data/titanic/train.csv”)

# 2 确定特征值和目标值
x = titan[[“Pclass”, “Age”, “Sex”]].copy()
y = titan[“Survived”]

# 3-1 处理数据-处理缺失值
x[‘Age’].fillna(value=titan[“Age”].mean(), inplace=True)
print(x.head())

# 3-2 one-hot编码
x = pd.get_dummies(x)

# 4 数据集划分
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, random_state=22, test_size=0.2

# 5-1 使用决策树进行模型训练和评估
dtc = DecisionTreeClassifier()
dtc.fit(x_train, y_train)
dtc_y_pred = dtc.predict(x_test)
accuracy = dtc.score(x_test, y_test)
print('单一决策树accuracy-->\n', accuracy)

# 5-2 随机森林进行模型训练和评估
rfc = RandomForestClassifier(max_depth=6, random_state=9)
rfc.fit(x_train, y_train)
rfc_y_pred = rfc.predict(x_test)
accuracy = rfc.score(x_test, y_test)
print('随机森林进accuracy-->\n', accuracy)

# 5-3 随机森林 交叉验证网格搜索 进行模型训练和评估
estimator = RandomForestClassifier()
param = {"n_estimators": [40, 50, 60, 70], "max_depth": [2, 4, 6, 8, 10], "random_state":[9]}
grid_search = GridSearchCV(estimator, param_grid=param, cv=2)
grid_search.fit(x_train, y_train)
accuracy = grid_search.score(x_test, y_test)
print("随机森林网格搜索accuracy:", accuracy)
print(grid_search.best_estimator_)

2、Boosting 思想

        每一个训练器重点关注前一个训练器不足的地方进行训练；

        通过加权投票的方式，得出预测结果；

        串行的训练方式

代表算法：Adaboost、GBDT、XGBoost、LightGBM

1. Adaboost 算法

概述：自适应提升算法（Adaptive Boosting）通过逐步提高那些被前一步分类错误的样本的权重来

           训练一个强分类器

算法推导：

1 初始化数据权重，来训练第1个弱学习器。找最小的错误率计算模型权重，再更新模数据权重

2 根据新权重的样本集 训练第 2 个学习器，重复上述的计算、更新

3 迭代训练在前一个学习器的基础上，根据新的样本权重训练当前学习器，直到训练出 m 个弱学习器

4 m 个弱学习器集成预测公式

        α 为模型的权重，输出结果大于 0 则归为正类，小于 0 则归为负类

5 模型权重计算公式

        a_t 为模型权重
        ​ε_t 表示第 t 个弱学习器的错误率

6 样本权重计算公式

        Z_t 为归一化值（所有样本权重总和）
        ​D_t(x)为样本权重
        ​a_t 为模型权重

API

# 导包
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder

# 训练模型
y = LabelEncoder().fit_transform(y)

# 导入Adaboost分类包
from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier

myada = AdaBoostClassifier ( base_estimator = mytree, n_estimators = 500, learning_rate = 0.1, random_state = 0 )

from sklearn.preprocessing import LabelEncoder

类别转换：y = LabelEncoder().fit_transform(y)

from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier

myada = AdaBoostClassifier ( base_estimator = mytree，n_estimators = 500，learning_rate = 0.1，random_state = 0 )

葡萄酒数据案例

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier   # 集成学习

# 1 读数据到内存 df_wine
df_wine = pd.read_csv('./wine0501.csv')
df_wine.info()

# 2 特征处理
# 2-2 Adaboost一般做二分类 去掉一类(1,2,3)
df_wine = df_wine[df_wine['Class label']!=1]

# 2-3 准备特征值和目标值 Alcohol酒精含量 Hue颜色
x = df_wine[['Alcohol','Hue']].values
y = df_wine['Class label']

# 2-4 类别转化 y (2,3)=>(0,1)
y = LabelEncoder().fit_transform(y)

# 2-5 划分数据
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(x,y,random_state=22,test_size=0.2)
print(X_train.shape, X_test.shape, y_train.shape, y_test.shape)

# 3 实例化单决策树 实例化 Adaboost,由 500颗树组成
mytree = DecisionTreeClassifier(criterion='entropy',max_depth=1,random_state=0)
myada = AdaBoostClassifier(base_estimator=mytree,n_estimators=500,learning_rate=0.1,random_state=0)

# 4 单决策树训练和评估
mytree.fit(X_train,y_train)
myscore = mytree.score(X_test,y_test)
myscore

# 5 AdaBoost训练和评估
myada.fit(X_train,y_train)
myscore = myada.score(X_test,y_test)
myscore

2. GBDT 梯度提升树

Gradient Boosting Decision Tree

提升树：通过 拟合残差 的思想来进行提升，残差：真实值 - 预测值

梯度提升树：不再拟合残差，而是利用梯度下降的近似方法，利用损失函数的负梯度作为提升树算法中的残差近似值

构建流程：1 初始化弱学习器（目标值的均值作为预测值）

                  2 迭代构建学习器，每一个学习器拟合上一个学习器的负梯度；

                  3 直到达到指定的学习器个数

                  4 当输入未知样本时，将所有弱学习器的输出结果组合起来作为强学习器的输出

API

# 导包
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier

from sklearn.metrics import classification_report

导包：from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier

           from sklearn.metrics import classification_report

3. XGBoost 极端梯度提升树

eXtreme Gradient Boosting

构建思想

1 构建模型的方法是最小化训练数据的损失函数，训练的模型复杂度较高，易过拟合

        tips：使用二阶泰勒展开式去近似目标函数

2 在损失函数中加入正则化项，提高对未知的测试数据的泛化性能

        tips：正则化项由树的叶子节点的个数以及L2正则化项组成

3 从样本角度转为按照叶子节点输出角度，优化损失函数，目标函数最终为：

        Gi：每个样本的一阶导
        ​Hi：每个样本的二阶导
​        ft(xi)：样本的预测值
        ​T：叶子结点的数目

打分函数：确定某个节点是否能够继续分裂，以及某个特征的最佳分割点

目标函数：

模型复杂度：

                        ​||w||2：由叶子结点值组成向量的模 

API

# 导包
import xgboost as xgb

# 模型训练
estimator = xgb.XGBClassifier(n_estimators=100, objective='multi:softmax', eval_metric='merror', eta=0.1, use_label_encoder=False, random_state=22)

导包：import xgboost as xgb

模型训练：estimator = xgb.XGBClassifier(n_estimators=100, objective='multi:softmax'，eval_metric='merror', eta=0.1, use_label_encoder=False, random_state=22)

交叉验证--分层抽取

# 导包
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold

spliter = StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True)

导包：from sklearn.model_selection import StratifiedKFold

spliter = StratifiedKFold(n_splits=5，shuffle=True)

分类权重

# 导包
from sklearn.utils import class_weight

classes_weights = class_weight.compute_sample_weight(class_weight = ‘balanced’, y = y_train)

导包：from sklearn.utils import class_weight

classes_weights = class_weight.compute_sample_weight(class_weight = ‘balanced’, y = y_train)

xgb案例：红酒品质分类

from sklearn.utils import class_weight

def dm01_训练模型():
# 1 加载数据集
train_data = pd.read_csv(‘./data/红酒品质分类-train.csv’)
test_data = pd.read_csv(‘./data/红酒品质分类-test.csv’)

# 2 准备数据 训练集测试集
x_train = train_data.iloc[:, :-1]
y_train = train_data.iloc[:, -1]
x_test = test_data.iloc[:, :-1]
y_test = test_data.iloc[:, -1]
print(x_train.shape, y_train.shape, x_test.shape, y_test.shape)

# 2-2 样本不均衡问题处理
classes_weights = class_weight.compute_sample_weight(class_weight=‘balanced’, y=y_train)

# 3 xgb模型训练
estimator = xgb.XGBClassifier(n_estimators=100,objective=‘multi:softmax’,eval_metric=‘merror’, eta=0.1, use_label_encoder=False, random_state=22)

# 训练的时候，指定样本的权重
estimator.fit(x_train, y_train, sample_weight=classes_weights)

# 4 xgb模型评估
y_pred = estimator.predict(x_test)
print(classification_report(y_true=y_test, y_pred=y_pred)) 

from sklearn.model_selection import StratifiedKFold
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

def dm02_交叉验证网格搜索():
# 1 加载数据集
train_data = pd.read_csv('./data/红酒品质分类-train.csv')
test_data = pd.read_csv('./data/红酒品质分类-test.csv')

# 2 准备数据 训练集测试集
x_train = train_data.iloc[:, :-1]
y_train = train_data.iloc[:, -1]
x_test = test_data.iloc[:, :-1]
y_test = test_data.iloc[:, -1]
print(x_train.shape, y_train.shape, x_test.shape, y_test.shape)

# 3 交叉验证时,采用分层抽取
spliter = StratifiedKFold(n_splits=5, shuffle=True)

# 4 模型训练
# 4-1定义超参数
param_grid = {‘max_depth’: np.arange(3, 5, 1),‘n_estimators’: np.arange(50, 150, 50),‘eta’: np.arange(0.1, 1, 0.3)}

# 4-2 实例化xgb
estimator = xgb.XGBClassifier(n_estimators=100,objective=‘multi:softmax’,eval_metric=‘merror’,eta=0.1,use_label_encoder=False,random_state=22)

# 4-2 实例化cv工具
estimator = GridSearchCV(estimator=estimator, param_grid=param_grid, cv=spliter)

# 4-3 训练模型
estimator.fit(x_train, y_train)

# 5 模型评估
y_pred = estimator.predict(x_test)
print(classification_report(y_true=y_test, y_pred=y_pred))
print(‘estimator.best_estimator_-->’,estimator.best_estimator_)
print(‘estimator.best_params_-->’, estimator.best_params_)

3、Bagging与Boosting的对比

	bagging	boosting
数据采样	对数据进行有放回的采样训练	全部样本，根据前一轮学习结果调整数据的重要性
投票方式	所有学习器平权投票	对学习器进行加权投票
学习顺序	并行的，每个学习器没有依赖关系	串行，学习有先后顺序