一文看懂集成学习

在机器学习中,我们讲了很多不同的算法。那些算法都是单打独斗的英雄。而集成学习就是将这些英雄组成团队。实现“3 个臭皮匠顶个诸葛亮”的效果。

本文将介绍集成学习的 2 种主要思路:bagging、boosting。

 

什么是集成学习?

集成学习归属于机器学习,他是一种「训练思路」,并不是某种具体的方法或者算法。

现实生活中,大家都知道「人多力量大」,「3 个臭皮匠顶个诸葛亮」。而集成学习的核心思路就是「人多力量大」,它并没有创造出新的算法,而是把已有的算法进行结合,从而得到更好的效果。

集成学习知识结构

集成学习会挑选一些简单的基础模型进行组装,组装这些基础模型的思路主要有 2 种方法:

  1. bagging(bootstrap aggregating的缩写,也称作“套袋法”)
  2. boosting

 

Bagging

bagging核心思路

Bagging 的核心思路是——民主。

Bagging 的思路是所有基础模型都一致对待,每个基础模型手里都只有一票。然后使用民主投票的方式得到最终的结果。

大部分情况下,经过 bagging 得到的结果方差(variance)更小

bagging的具体过程

具体过程:

  1. 从原始样本集中抽取训练集。每轮从原始样本集中使用Bootstraping的方法抽取n个训练样本(在训练集中,有些样本可能被多次抽取到,而有些样本可能一次都没有被抽中)。共进行k轮抽取,得到k个训练集。(k个训练集之间是相互独立的)
  2. 每次使用一个训练集得到一个模型,k个训练集共得到k个模型。(注:这里并没有具体的分类算法或回归方法,我们可以根据具体问题采用不同的分类或回归方法,如决策树、感知器等)
  3. 对分类问题:将上步得到的k个模型采用投票的方式得到分类结果;对回归问题,计算上述模型的均值作为最后的结果。(所有模型的重要性相同)

举例:

在 bagging 的方法中,最广为熟知的就是随机森林了:bagging + 决策树 = 随机森林

一文看懂决策树(3个步骤+3种典型算法+10个优缺点)

一文看懂随机森林(4个步骤+4种方式评测+10个优缺点)

 

Boosting

boosting核心思路

Boosting 的核心思路是——挑选精英。

Boosting 和 bagging 最本质的差别在于他对基础模型不是一致对待的,而是经过不停的考验和筛选来挑选出「精英」,然后给精英更多的投票权,表现不好的基础模型则给较少的投票权,然后综合所有人的投票得到最终结果。

大部分情况下,经过 boosting 得到的结果偏差(bias)更小

boosting的具体过程

具体过程:

  1. 通过加法模型将基础模型进行线性的组合。
  2. 每一轮训练都提升那些错误率小的基础模型权重,同时减小错误率高的模型权重。
  3. 在每一轮改变训练数据的权值或概率分布,通过提高那些在前一轮被弱分类器分错样例的权值,减小前一轮分对样例的权值,来使得分类器对误分的数据有较好的效果。

举例:

在 boosting 的方法中,比较主流的有 Adaboost 和 Gradient boosting 。

一文看懂 Adaboost 以及它的优缺点

 

Bagging 和 Boosting 的4 点差别

Bagging和Boosting的4点差别

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。

差别部分内容转自《Bagging和Boosting 概念及区别

 

百度百科和维基百科

百度百科版本

集成学习是使用一系列学习器进行学习,并使用某种规则把各个学习结果进行整合从而获得比单个学习器更好的学习效果的一种机器学习方法。一般情况下,集成学习中的多个学习器都是同质的”弱学习器”。

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维基百科版本

在统计学和机器学习中,集合方法使用多种学习算法来获得比单独从任何组成学习算法获得的更好的预测性能。与统计力学中的统计集合(通常是无限的)不同,机器学习集合仅由一组具体的有限替代模型组成,但通常允许在这些替代模型中存在更灵活的结构。

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【实践】5个集成学习最常用的方法