【机器学习】集成学习

简介

集成学习是机器学习的一种训练思路，而非具体的算法。其核心思路就是“人多力量大”——通过构建并结合多个学习器完成学习任务。

集成学习中的个体学习器可以是同种类型（同质），也可以是不同类型（异质）。两种情况下的个体学习器也可以分别被称作基学习器与组件学习器。个体学习器要求”好而不同“（有一定的准确性，学习器之间要有差异性）

但事实上，个体学习器的准确性与差异性本身存在冲突。一般的，准确性很高之后增加差异性就要牺牲准确性。如何产生并结合”好而不同“的个体学习器是集成学习研究的核心。

根据个体学习器的生成方式，目前的集成学习方法大致分为两大类：

1. 个体学习器之间强依赖关系，必须串行生成的序列化方法（Boosting为代表）
2. 个体学习器可同时生成的并行化方法（Bagging为代表）

Boosting

Boosting的工作机制是：先从初始训练集训练出一个基学习器，再根据基学习器表现对训练样本分布进行调整，使得先前基学习器做错的样本得到更多关注，然后基于调整后的样本分布训练下一个基学习器，如此重复进行，直至基学习器数目达到事先指定的值，然后将所有基学习器加权结合

AdaBoost

以二分类任务为例，算法思路如下：

1. 初始化训练样本的权重，每个样本权值相同

2. 进行$T$轮迭代，每一轮迭代$t$中：

   a.使用具有权值分布$D_t$的训练集学习得到基学习器$h_t(\mathbf{x})$

   b.计算基学习器在训练集上的分类误差率$e_t$(在这里就是误分类的样本权值之和)

   c.计算$h_t(\mathbf{x})$的系数${\alpha }_t$,该系数衡量学习器在最终学习器所占的权重
   $${\alpha }_t=\frac{1}{2}ln\frac{1-e_t}{e_t}$$
   $e_t\le \frac{1}{2}$是，${\alpha }_t\ge 0$,并且随着$e_t$增大而减小，说明分类误差率越大的基学习器在最终学习器中的权重越小。

   d.更新权重

3. 组合基学习器

GBDT(Gradient Boosting Decision Tree)

GBDT算法原理以及实例理解

Bagging与随机森林

Bagging

Bagging的基本流程：使用bootstrap sampling从数据集中取出$T$个包含$m$个训练样本的训练集，然后基于每个训练集训练出一个基学习器，然后将这些基学习器结合

对预测输出进行结合时，Bagging通常对分类任务使用简单投票法，对回归任务使用简单平均法。

Bagging能不经修改的直接用于多分类、回归等任务

随机森林

随机森林是Bagging的一个变体，其构造过程如下：

1. Bootstrap sampling选取N个样本，以后用这N个样本训练决策树
2. 当决策树节点需要分裂时，从该节点的属性集合中随机选择一个包含k个属性的子集，然后再从中选择一个最优属性用于划分
3. 决策树生成过程中每个节点都要按照步骤2来分裂，直到不能够再分裂为止
4. 按照1-3建立大量决策树，就构成了随机森林

整个过程是不需要剪枝的，因为样本的随机采样和属性的选取都确保了随机性，不会产生过拟合

Bagging和Boosting的区别：

样本选择上：

Bagging：训练集是在原始集中有放回选取的，从原始集中选出的各轮训练集之间是独立的。

Boosting：每一轮的训练集不变，只是训练集中每个样例在分类器中的权重发生变化。而权值是根据上一轮的分类结果进行调整。

样例权重：

Bagging：使用均匀取样，每个样例的权重相等

Boosting：根据错误率不断调整样例的权值，错误率越大则权重越大。

预测函数：

Bagging：所有预测函数的权重相等。

Boosting：每个弱分类器都有相应的权重，对于分类误差小的分类器会有更大的权重。

并行计算：

Bagging：各个预测函数可以并行生成

Boosting：各个预测函数只能顺序生成，因为后一个模型参数需要前一轮模型的结果。

参考

周志华《机器学习》

集成学习之Adaboost算法原理小结

GBDT算法原理以及实例理解

Bagging和Boosting 概念及区别