算法原理

XGBoost（eXtreme Gradient Boosting）是工业界逐渐风靡的基于GradientBoosting算法的一个优化的版本，可以给预测模型带来能力的提升。其算法思想就是不断地添加树，不断地进行特征分裂来生长一棵树，每次添加一个树，其实是学习一个新函数，去拟合上次预测的残差。当我们训练完成得到k棵树，我们要预测一个样本的分数，其实就是根据这个样本的特征，在每棵树中会落到对应的一个叶子节点，每个叶子节点就对应一个分数，最后只需要将每棵树对应的分数加起来就是该样本的预测值。

注：w_q(x)为叶子节点q的分数，f(x)为其中一棵回归树

损失函数

对于回归问题，我们常用的损失函数是MSE，即：

对于分类问题，我们常用的损失函数是对数损失函数：

XGBoost目标函数定义为：

目标函数由两部分构成，第一部分用来衡量预测分数和真实分数的差距，另一部分则是正则化项。正则化项同样包含两部分，T表示叶子结点的个数，w表示叶子节点的分数。γ可以控制叶子结点的个数，λ可以控制叶子节点的分数不会过大，防止过拟合。
正如上文所说，新生成的树是要拟合上次预测的残差的，即当生成t棵树后，预测分数可以写成：

同时，可以将目标函数改写成：

很明显，我们接下来就是要去找到一个f_t能够最小化目标函数。XGBoost的想法是利用其在f_t=0处的泰勒二阶展开近似它。所以，目标函数近似为：

其中g_i为一阶导数，h_i为二阶导数：

由于前t-1棵树的预测分数与y的残差对目标函数优化不影响，可以直接去掉。简化目标函数为：

上式是将每个样本的损失函数值加起来，我们知道，每个样本都最终会落到一个叶子结点中，所以我们可以将所以同一个叶子结点的样本重组起来，过程如下图：

因此通过上式的改写，我们可以将目标函数改写成关于叶子结点分数w的一个一元二次函数，求解最优的w和目标函数值就变得很简单了，直接使用顶点公式即可。因此，最优的w和目标函数公式为：

分裂结点函数

暴力枚举
近似方法 ，近似方法通过特征的分布，按照百分比确定一组候选分裂点，通过遍历所有的候选分裂点来找到最佳分裂点。
两种策略：全局策略和局部策略。在全局策略中，对每一个特征确定一个全局的候选分裂点集合，就不再改变；而在局部策略中，每一次分裂都要重选一次分裂点。前者需要较大的分裂集合，后者可以小一点。对比补充候选集策略与分裂点数目对模型的影响。
全局策略需要更细的分裂点才能和局部策略差不多
Weighted Quantile Sketch

正则化

xgboost使用了如下的正则化项：

这里出现了γ和λ，这是xgboost自己定义的，在使用xgboost时，你可以设定它们的值，显然，γ越大，表示越希望获得结构简单的树，因为此时对较多叶子节点的树的惩罚越大。λ越大也是越希望获得结构简单的树。

对缺失值处理

xgboost模型能够处理缺失值，模型允许缺失值存在。关于缺失值的处理将其看与稀疏矩阵的处理看作一样。在寻找split point的时候，不会对该特征为missing的样本进行遍历统计，只对该列特征值为non-missing的样本上对应的特征值进行遍历，通过这个技巧来减少了为稀疏离散特征寻找split point的时间开销。在逻辑实现上，为了保证完备性，会分别处理将missing该特征值的样本分配到左叶子结点和右叶子结点的两种情形，计算增益后选择增益大的方向进行分裂即可。可以为缺失值或者指定的值指定分支的默认方向，这能大大提升算法的效率。如果在训练中没有缺失值而在预测中出现缺失，那么会自动将缺失值的划分方向放到右子树。

优缺点

优点：

xgBoosting支持线性分类器，相当于引入L1和L2正则化项的逻辑回归（分类问题）和线性回归（回归问题）；
xgBoosting对代价函数做了二阶Talor展开，引入了一阶导数和二阶导数；
当样本存在缺失值时，xgBoosting能自动学习分裂方向；
xgBoosting借鉴RF的做法，支持列抽样，这样不仅能防止过拟合，还能降低计算；
xgBoosting的代价函数引入正则化项，控制了模型的复杂度，正则化项包含全部叶子节点的个数，每个叶子节点输出的score的L2模的平方和。从贝叶斯方差角度考虑，正则项降低了模型的方差，防止模型过拟合；
xgBoosting在每次迭代之后，为叶子结点分配学习速率，降低每棵树的权重，减少每棵树的影响，为后面提供更好的学习空间；
xgBoosting工具支持并行,但并不是tree粒度上的，而是特征粒度，决策树最耗时的步骤是对特征的值排序，xgBoosting在迭代之前，先进行预排序，存为block结构，每次迭代，重复使用该结构，降低了模型的计算；block结构也为模型提供了并行可能，在进行结点的分裂时，计算每个特征的增益，选增益最大的特征进行下一步分裂，那么各个特征的增益可以开多线程进行；
可并行的近似直方图算法，树结点在进行分裂时，需要计算每个节点的增益，若数据量较大，对所有节点的特征进行排序，遍历的得到最优分割点，这种贪心法异常耗时，这时引进近似直方图算法，用于生成高效的分割点，即用分裂后的某种值减去分裂前的某种值，获得增益，为了限制树的增长，引入阈值，当增益大于阈值时，进行分裂；
缺点：

xgBoosting采用预排序，在迭代之前，对结点的特征做预排序，遍历选择最优分割点，数据量大时，贪心法耗时，LightGBM方法采用histogram算法，占用的内存低，数据分割的复杂度更低；
xgBoosting采用level-wise生成决策树，同时分裂同一层的叶子，从而进行多线程优化，不容易过拟合，但很多叶子节点的分裂增益较低，没必要进行跟进一步的分裂，这就带来了不必要的开销；LightGBM采用深度优化，leaf-wise生长策略，每次从当前叶子中选择增益最大的结点进行分裂，循环迭代，但会生长出更深的决策树，产生过拟合，因此引入了一个阈值进行限制，防止过拟合.
#应用场景
可以用于分类和回归问题。在数据挖掘等相关竞赛以及实际工程中都有应用。

sklearn参数

（1）objective [ default=reg:linear ] 定义学习任务及相应的学习目标，可选的目标函数如下：

“reg:linear” –线性回归。
“reg:logistic” –逻辑回归。
“binary:logistic” –二分类的逻辑回归问题，输出为概率。
“binary:logitraw” –二分类的逻辑回归问题，输出的结果为wTx。
“count:poisson” –计数问题的poisson回归，输出结果为poisson分布。在poisson回归中，max_delta_step的缺省值为0.7。(used to safeguard optimization)
“multi:softmax” –让XGBoost采用softmax目标函数处理多分类问题，同时需要设置参数num_class（类别个数）
“multi:softprob” –和softmax一样，但是输出的是ndata * nclass的向量，可以将该向量reshape成ndata行nclass列的矩阵。没行数据表示样本所属于每个类别的概率。
“rank:pairwise” –set XGBoost to do ranking task by minimizing the
pairwise loss
（2）’eval_metric’ The choices are listed below，评估指标:
“rmse”: root mean square error
“logloss”: negative log-likelihood
“error”: Binary classification error rate. It is calculated as
#(wrong cases)/#(all cases). For the predictions, the evaluation will regard the instances with prediction value larger than 0.5 as
positive instances, and the others as negative instances.
“merror”: Multiclass classification error rate. It is calculated as
#(wrong cases)/#(all cases).
“mlogloss”: Multiclass logloss
“auc”: Area under the curve for ranking evaluation.
“ndcg”:Normalized Discounted Cumulative Gain
“map”:Mean average precision
“ndcg@n”,”map@n”: n can be assigned as an integer to cut off the top
positions in the lists for evaluation.
“ndcg-“,”map-“,”ndcg@n-“,”map@n-“: In XGBoost, NDCG and MAP will
evaluate the score of a list without any positive samples as 1. By
adding “-” in the evaluation metric XGBoost will evaluate these score
as 0 to be consistent under some conditions.
（3）lambda [default=0] L2 正则的惩罚系数
（4）alpha [default=0] L1 正则的惩罚系数
（5）lambda_bias 在偏置上的L2正则。缺省值为0（在L1上没有偏置项的正则，因为L1时偏置不重要）
（6）eta [default=0.3]
为了防止过拟合，更新过程中用到的收缩步长。在每次提升计算之后，算法会直接获得新特征的权重。 eta通过缩减特征的权重使提升计算过程更加保守。缺省值为0.3
取值范围为：[0,1]
（7）max_depth [default=6] 数的最大深度。缺省值为6 ，取值范围为：[1,∞]
（8）min_child_weight [default=1]
孩子节点中最小的样本权重和。如果一个叶子节点的样本权重和小于min_child_weight则拆分过程结束。在现行回归模型中，这个参数是指建立每个模型所需要的最小样本数。该成熟越大算法越conservative
取值范围为: [0,∞]
 

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