机器学习系列(9)——XGBoost算法
XGBoost算法挺复杂的,要多读几遍论文,梳理算法思路。本文希望有助于理解这个算法。
0x01、XGBoost简介
XGBoost即 Extreme Gradient Boosting,极端梯度提升,或者叫极值梯度提升。XGBoost所应用的算法就是GBDT的改进,既可用于分类也可用于回归问题中。作为GBDT的高效实现,XGBoost是一个上限特别高的算法。
1、XGBoost与GBDT的比较
XGBoost算法 | GBDT算法 | |
---|---|---|
基分类器 | 使用CART回归树作为基分类器,还支持线性的基学习器。 | 使用CART树作为基分类器 |
结点分类方法 | 依据影响Loss的程度来确定连续特征的切分值 | 使用基尼指数 |
损失函数 | 使用了二阶泰勒展开,有利于梯度下降得更快更准确 | 只用到一阶导数 |
防止过拟合 | 在代价函数里加入了正则项用于控制模型复杂度,降低了过拟合的可能性 | 无正则项,可能出现过拟合 |
模型实现 | 在训练之前预先对数据进行了排序,然后保存为block结构,后面的迭代中重复地使用这个结构,可以大大减少计算量。 能够实现在特征粒度的并行。 | 串行,不支持并行 |
2、XGBoost的优缺点
优点:速度快,效果好,能处理大规模数据,支持多种基学习器,支持自定义损失函数等;
缺点:算法参数过多,调参复杂,不适合处理超高维特征数据。
0x02、XGBoost的模型和框架
1、XGBoost的模型
(回归树)给定一个包含N 个样本,M 个特征的数据集 ,集成模型的预测输出表示为:
其中, 表示回归树, 为回归树的数量。整个公式表示给定一个输入 ,输出值为 棵回归树的预测值相加。
2、XGBoost算法的基本框架
输入:训练数据集 ,最大迭代次数 T,损失函数 L,正则化系数 ,;
输出:强学习器 。
对迭代轮数 :
(1)计算一阶二阶导:计算第 i 个样本()在当前轮的损失函数 L 基于 的一阶导数 ,二阶导数 ,并计算所有样本的一阶导数和 ,二阶导数和 ;
(2)基于当前结点尝试分裂决策树,默认分数 score=0, 和 为当前需要分裂的结点的一阶二阶导数之和,
对特征序号 :
a. 先将左子树的一阶二阶导数和均置为零:,;
b. 将样本按特征 k 从小到大排序,依次取出第 i 个样本,依次计算当前样本放入左子树后,左右子树一阶二阶导数和为:
c. 尝试更新最大的分数:
(3)基于最大score对应的划分特征和特征值分裂子树;
(4)如果最大score为0,则当前决策树建立完毕,计算所有叶子区域的 ,得到弱学习器 ,更新强学习器 ,进入下一轮弱学习器迭代;如果最大score不为0,则转到第(2)步继续尝试分裂决策树。
XGBoost对GBDT的改进主要在目标函数(即损失函数和正则项)的改进上,例如向原损失函数中加入了正则项,使用了损失函数的二阶导数等,下面将详细分析这些改进点。
0x03、XGBoost的知识点分解
主要是在损失函数上的改进。
1、XGBoost损失函数推导
(1)XGBoost模型
,,
其中 K 为树的总个数, 表示第 k 棵树, 表示 样本 的预测结果;w为叶子结点的得分值,q(x)表示样本 x 对应的叶子结点,T为该树的叶子结点个数。
(2)XGBoost损失函数
, ,
其中 为样本 的训练误差,表示模型拟合数据的程度, 表示第 k 棵树的正则项,用来惩罚复杂模型。
(3)XGBoost目标函数的改写过程
使用前向分步算法优化目标函数。设 是第 i 个样本在第 t 次迭代的预测值,则有: ,表示样本 i 在第 t次迭代后的预测值为样本 i 在第 (t-1) 次迭代后的预测值与当前第t棵树的预测值的和。因此目标函数可以表示为:
(3-1)
上式表示贪心地添加使得模型提升最大 ,其中 constant表示前t (t-1) 次迭代的惩罚项,是一个常数项,即公式中 部分。在第 t 次迭代时,前 (t-1) 次迭代产生的 (t-1) 棵树已经完全确定,则 (t-1) 棵树的叶结点和权重都已经确定,所以变成了常数。
如果在式(3-1)中考虑平方损失函数,则目标函数可以表示为:
(3-2)
上式中, 表示残差,即经过 (t-1) 棵树的预测之后与真实值之间的差距,与GBDT中的残差概念相同。
定义 、 分别为损失函数 的一阶导和二阶导,即: , 。而 表示的是前 (t-1) 次迭代的损失函数,对当前的第 t 次迭代来说已经是一个确定的常数了,可以省略。因此使用二阶泰勒展开式近似表示式(3-1)为:
(3-3)
接下来分析式(3-3)。首先定义集合 为树的第 j 个叶结点上的所有样本点的集合,即给定一棵树,所有按照决策规则被划分到第
j 个叶结点的样本集合,将复杂度惩罚项带入式(3-3),可得:
(3-4)
对上式求导,先令 ,有:
(3-5)
将式(3-5)代入式(3-4)中,得到:
(3-6)
令 , ,则将式(3-6)简化为: (3-7) 。
XGBoost根据式(3-7)作为损失函数判断的标准。
2、树的分裂查找算法
(1)XGBoost的特征选择和切分点选择指标
判断切分增益:
(3-8)
中括号里的三个式子依次表示:某个结点按条件切分后左结点、右结点、和切分前的得分。 表示切分后模型复杂度的增加量。Gain值越大,说明分裂后能使目标函数减少越多,就越好。现在有了判断增益的方法,就需要使用该方法去查找最优特征和最优切分点。
(2)分裂查找算法
XGBoost提供了两个算法,用来选取最优特征和最优切分点:精确贪心算法(Basic Exact Greedy Algorithm),近似算法(Approximate Algorithm)。
【精确贪心算法】通过遍历每个特征下的每个可能的切分点取值,计算切分后的增益,选择增益最大的特征及切分点。但因为精确贪心算法需要遍历所有特征和取值,当数据量非常大,无法将所有数据同时加载进内存时,该算法非常耗时。
【近似算法】对特征值进行了近似处理,即根据每个特征k的特征值分布,确定出候选切分点 ,即按特征分布将连续的特征值划分到 个候选点对应的桶中,并对每个桶中每个样本的 , 进行累加。划分好候选切分点后,按照精确贪心算法的步骤选择最优切分特征和最优切分点,不同的是切分点被上述候选切分点所代替。
提取候选切分点的方式有两种:global和local。global表示在生成树之前进行候选切分点的提取,即开始之前为整棵树做一次提取即可,在每次的结点划分时都是用已经提取好的候选切分点。而local则是在每次结点划分时才进行候选切分点的提取。 global方式进行候选切分点提取的次数少:因为只是在初始化阶段进行一次,以后的结点切分均使用同一个,而local方式是在每次结点切分时才进行,需要很多次提取。global方式需要更多的候选点(对候选点提取数量比local多):因为没有像local方式一样每次结点划分时,对当前结点的样本进行细化,local方式更适合树深度较大的情况。
(3)加权分为数略图(Weighted Quantile Sketch)
这是为了处理带权重的候选切分点的选取。加权分位数略图算法提出一种支持merge和prune操作的数据结构。
加权分位数略图法对候选点的选取方式:
设数据集 表示每个样本的第 k 个特征值()和二阶导数()的集合,定义排名函数 :
(3-9)
上式表示数据集中第 k 个特征值小于z 的样本所在比例(特征值小于z的样本的权重和,占所有样本权重总和的百分比)。
可以根据下式进行候选点的选取:,此式表示落在两个相邻的候选切分点之间的样本占比小于某个很小的常数 那么我们就有 个候选切分点。
3、其他优化方法
(1)稀疏值处理(Sparsity-aware Split Finding)
实际工程中一般会出现输入值稀疏的情况,如数据缺失、one-hot编码等。XGBoost的思想是:对于缺失数据让模型自动学习默认的划分方向。在该算法中,在每次切分中,让缺失值分别被切分到左、右结点中,通过计算得分值比较两种切分方法哪一个更优,则会对每个特征的缺失值都学到一个最优的默认切分方向。
(2)分块并行(Column Block for Parallel Learning)
在树生成过程中,需要花费大量的时间在特征选择和切分点选择上,并且这部分时间大部分又花费在对特征值排序上。XGBoost通过按特征进行分块并排序,在块里保存排序后的特征值及对应样本的引用,以便于获取样本的一阶二阶导数值。通过顺序访问排序后的块遍历样本特征的特征值,方便进行切分点的查找。分块存储后多个特征之间互不干涉,可以使用多线程同时对不同的特征进行切分点查找,即特征的并行化处理。
但在顺序访问特征值时,访问的是一块连续的内存空间,但通过特征值持有的索引(样本索引)访问样本获取一阶二阶导数时,这个访问操作访问的内存空间并不连续,这样可能造成CPU缓存命中率低,影响算法效率。有以下几种方法解决:
(a)缓存访问(Cache-aware Access):为了减小非连续内存的访问带来缓存命中率低的问题。解决思路是:既然是非连续内存访问带来问题,那么去掉非连续内存访问就可以解决。可以转非连续为连续——缓存预取,即提起将要访问的非连续内存空间中的梯度统计信息(一节二阶导数),放置到连续的内存空间中。具体的操作就是为每个线程在内存空间中分配一个连续的buffer缓存区,将需要的梯度统计信息存放到缓冲区中。这种方式对大数据量很有用,可以不用把所有样本都加入的内存中,仅动态地将相关信息加入到内存中。
(b)“核外”块计算(Blocks for Out-of-core-Computation):当数据量非常大时不能把所有的样本都加载到内存中,那么必须将一部分需要加载进内存的数据先存放在硬盘中。需要时再加载进内存。但硬盘的I/O操作速度远远低于内存的速度,那么会存在大量等待硬盘I/O的情况。针对这个问题,“核外”计算的操作为:将数据集分成多个块存放在硬盘中,使用一个独立的线程专门从硬盘读取数据加载到内存中,这样算法在内存中处理数据就可以和从硬盘读取数据同时进行。论文提出两种方法:块压缩(Block Compression)和块分区(Block Sharding)。前者是按列压缩,读取的时候用另外的线程解压,对行索引只保存第一个索引值,然后用16位的整数保存与该block第一个索引的差值。后者是将特征block分区存放在不同的硬盘上,以此来增加硬盘I/O的吞吐量。
(3)防止过拟合
XGBoost为了防止过拟合加入了两项惩罚项 和 。除此之外还可以用学习率和行列采样的方法防止过拟合:例如 中, 就是学习率;而XGBoost也和随机森林一样支持对样本及特征进行采样,取采样后的样本和特征作为训练数据,进一步防止过拟合。
参考:
[1]. 李航. 统计学习方法(第二版)
[2]. 周志华. 机器学习
[3]. 陈天奇. XGBoost: A Scalable Tree Boosting System. SIGKDD 2016
[4]. 集成学习之Xgboost - 博客园
[5]. 机器学习算法之XGBoost - 标点符
[6]. 对xgboost的理解 -知乎
[7]. XGBoost算法原理小结 - 博客园
[8]. xgboost - github
[9]. XGBoost调参详解 - 知乎
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开发工具: PyCharm,mysql5.7,微信开发者工具 技术说明: python django html 小程序 功能介绍: 用户端: 登录注册(含授权登录) 首页显示搜索图书,轮播图࿰…...
2024/5/7 0:32:47 - 电子学会C/C++编程等级考试2022年03月(一级)真题解析
C/C++等级考试(1~8级)全部真题・点这里 第1题:双精度浮点数的输入输出 输入一个双精度浮点数,保留8位小数,输出这个浮点数。 时间限制:1000 内存限制:65536输入 只有一行,一个双精度浮点数。输出 一行,保留8位小数的浮点数。样例输入 3.1415926535798932样例输出 3.1…...
2024/5/6 16:50:57 - 配置失败还原请勿关闭计算机,电脑开机屏幕上面显示,配置失败还原更改 请勿关闭计算机 开不了机 这个问题怎么办...
解析如下:1、长按电脑电源键直至关机,然后再按一次电源健重启电脑,按F8健进入安全模式2、安全模式下进入Windows系统桌面后,按住“winR”打开运行窗口,输入“services.msc”打开服务设置3、在服务界面,选中…...
2022/11/19 21:17:18 - 错误使用 reshape要执行 RESHAPE,请勿更改元素数目。
%读入6幅图像(每一幅图像的大小是564*564) f1 imread(WashingtonDC_Band1_564.tif); subplot(3,2,1),imshow(f1); f2 imread(WashingtonDC_Band2_564.tif); subplot(3,2,2),imshow(f2); f3 imread(WashingtonDC_Band3_564.tif); subplot(3,2,3),imsho…...
2022/11/19 21:17:16 - 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机...
win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”问题的解决方法在win7系统关机时如果有升级系统的或者其他需要会直接进入一个 等待界面,在等待界面中我们需要等待操作结束才能关机,虽然这比较麻烦,但是对系统进行配置和升级…...
2022/11/19 21:17:15 - 台式电脑显示配置100%请勿关闭计算机,“准备配置windows 请勿关闭计算机”的解决方法...
有不少用户在重装Win7系统或更新系统后会遇到“准备配置windows,请勿关闭计算机”的提示,要过很久才能进入系统,有的用户甚至几个小时也无法进入,下面就教大家这个问题的解决方法。第一种方法:我们首先在左下角的“开始…...
2022/11/19 21:17:14 - win7 正在配置 请勿关闭计算机,怎么办Win7开机显示正在配置Windows Update请勿关机...
置信有很多用户都跟小编一样遇到过这样的问题,电脑时发现开机屏幕显现“正在配置Windows Update,请勿关机”(如下图所示),而且还需求等大约5分钟才干进入系统。这是怎样回事呢?一切都是正常操作的,为什么开时机呈现“正…...
2022/11/19 21:17:13 - 准备配置windows 请勿关闭计算机 蓝屏,Win7开机总是出现提示“配置Windows请勿关机”...
Win7系统开机启动时总是出现“配置Windows请勿关机”的提示,没过几秒后电脑自动重启,每次开机都这样无法进入系统,此时碰到这种现象的用户就可以使用以下5种方法解决问题。方法一:开机按下F8,在出现的Windows高级启动选…...
2022/11/19 21:17:12 - 准备windows请勿关闭计算机要多久,windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机怎么办...
有不少windows10系统用户反映说碰到这样一个情况,就是电脑提示正在准备windows请勿关闭计算机,碰到这样的问题该怎么解决呢,现在小编就给大家分享一下windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机的具体第一种方法:1、2、依次…...
2022/11/19 21:17:11 - 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”的解决方法...
今天和大家分享一下win7系统重装了Win7旗舰版系统后,每次关机的时候桌面上都会显示一个“配置Windows Update的界面,提示请勿关闭计算机”,每次停留好几分钟才能正常关机,导致什么情况引起的呢?出现配置Windows Update…...
2022/11/19 21:17:10 - 电脑桌面一直是清理请关闭计算机,windows7一直卡在清理 请勿关闭计算机-win7清理请勿关机,win7配置更新35%不动...
只能是等着,别无他法。说是卡着如果你看硬盘灯应该在读写。如果从 Win 10 无法正常回滚,只能是考虑备份数据后重装系统了。解决来方案一:管理员运行cmd:net stop WuAuServcd %windir%ren SoftwareDistribution SDoldnet start WuA…...
2022/11/19 21:17:09 - 计算机配置更新不起,电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?
原标题:电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?win7系统中在开机与关闭的时候总是显示“配置windows update请勿关闭计算机”相信有不少朋友都曾遇到过一次两次还能忍但经常遇到就叫人感到心烦了遇到这种问题怎么办呢?一般的方…...
2022/11/19 21:17:08 - 计算机正在配置无法关机,关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机...
关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!关机提示 windows7 正在配…...
2022/11/19 21:17:05 - 钉钉提示请勿通过开发者调试模式_钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用...
钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用 更新时间:2020-04-20 22:24:19 浏览次数:729次 区域: 南阳 > 卧龙 列举网提醒您:为保障您的权益,请不要提前支付任何费用! 虚拟位置外设器!!轨迹模拟&虚拟位置外设神器 专业用于:钉钉,外勤365,红圈通,企业微信和…...
2022/11/19 21:17:05 - 配置失败还原请勿关闭计算机怎么办,win7系统出现“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”,长时间没反应,无法进入系统的解决方案...
前几天班里有位学生电脑(windows 7系统)出问题了,具体表现是开机时一直停留在“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”这个界面,长时间没反应,无法进入系统。这个问题原来帮其他同学也解决过,网上搜了不少资料&#x…...
2022/11/19 21:17:04 - 一个电脑无法关闭计算机你应该怎么办,电脑显示“清理请勿关闭计算机”怎么办?...
本文为你提供了3个有效解决电脑显示“清理请勿关闭计算机”问题的方法,并在最后教给你1种保护系统安全的好方法,一起来看看!电脑出现“清理请勿关闭计算机”在Windows 7(SP1)和Windows Server 2008 R2 SP1中,添加了1个新功能在“磁…...
2022/11/19 21:17:03 - 请勿关闭计算机还原更改要多久,电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机怎么办...
许多用户在长期不使用电脑的时候,开启电脑发现电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机。。.这要怎么办呢?下面小编就带着大家一起看看吧!如果能够正常进入系统,建议您暂时移…...
2022/11/19 21:17:02 - 还原更改请勿关闭计算机 要多久,配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以...
配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机&#x…...
2022/11/19 21:17:01 - 电脑配置中请勿关闭计算机怎么办,准备配置windows请勿关闭计算机一直显示怎么办【图解】...
不知道大家有没有遇到过这样的一个问题,就是我们的win7系统在关机的时候,总是喜欢显示“准备配置windows,请勿关机”这样的一个页面,没有什么大碍,但是如果一直等着的话就要两个小时甚至更久都关不了机,非常…...
2022/11/19 21:17:00 - 正在准备配置请勿关闭计算机,正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了解决教程...
当电脑出现正在准备配置windows请勿关闭计算机时,一般是您正对windows进行升级,但是这个要是长时间没有反应,我们不能再傻等下去了。可能是电脑出了别的问题了,来看看教程的说法。正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了方法一…...
2022/11/19 21:16:59 - 配置失败还原请勿关闭计算机,配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机...
我们使用电脑的过程中有时会遇到这种情况,当我们打开电脑之后,发现一直停留在一个界面:“配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机”,等了许久还是无法进入系统。如果我们遇到此类问题应该如何解决呢࿰…...
2022/11/19 21:16:58 - 如何在iPhone上关闭“请勿打扰”
Apple’s “Do Not Disturb While Driving” is a potentially lifesaving iPhone feature, but it doesn’t always turn on automatically at the appropriate time. For example, you might be a passenger in a moving car, but your iPhone may think you’re the one dri…...
2022/11/19 21:16:57