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关于决策树集成的一份介绍

article 2024/11/14 23:18:35

在这片文章中我将介绍决策树集成有关的东西，会主要分为两部分去讲，一部分是随机森林，另一部分是梯度提升决策树。

一、集成学习

集成学习（Ensemble Learning）是构造多个学习器来完成学习任务的方法。

在这个过程中，一般先生成一些个体学习器，然后通过某种策略将他们结合。其中的个体学习器一般是由现有的学习算法从训练数据中生成，如C4.5决策树、BP神经网络等。过程中，如果用全为同一种类型的个体学习器去集成，那么这样的集成就是“同质”的，如随机森林，神经网络集成等。反之则是“异质”。其中，同质的集成中的个体学习器可以称之为“基学习器”，而若是异质的话，则不如此称呼，而称为“组件学习器”，或直接就叫个体学习器。

在集成学习中，如果通过串行地生成个体学习器，并且后一个学习器专注于纠正前一个学习器的错误，那么可以使用Boosting方法，而在Boosting方法中最具代表的算法就是AdaBoost算法，它可以用于解决二分类问题；而如果是并行生成个体学习器，个体学习器间也并不存在较强的依赖关系，那么就可以使用Bagging方法，或随机森林算法等，而Bagging算法则不像Boosting算法族中的AdaBoost算法那样不能直接用于多分类或回归任务。

二、随机森林

我们知道，决策树的一大缺点就是它容易出现过拟合的问题，那么决策树就是解决这个问题的一个好方法。因为在随机森林中，每棵树都会对数据做出较好的预测，但也都会出现过拟合的问题，所以当我么构造许多棵决策树后，它们都能很好做出预测并都以不同方式发生过拟合，那么我们就可以将这些树的结果取均值，以此来降低过拟合。

在随机森林中，每棵树的随机化的方法有两种，一种是在数据点上进行随机，一种是在特征上随机。

2.1 构造

在我们构造随机森林的过程中，首先要对数据进行自助采样，也就是说会对有n个数据点有放回的重复随机选取一个样本，共n次。比如有['a','b','c','d']，我们对其进行自主采样，可能会得到一份采样入这样：['a','b','b','d']。如此，就是随机化方法的第一种，在数据点上随机。

接下来，我们将基于这个新创建的数据集来构造决策树。我们会在每个节点处，用算法随机选择特征的一个子集，并对其中一个特征寻找最佳测试。并且每个节点的特征子集的寻找是相互独立的。其中选择的特征个数由max_features参数来控制。那么，这个参数就十分重要了，如果它较大，那么随机森林的树将会十分相似，如果较小，那么树的差异会很大，而为了很好拟合数据，每棵树的深度就会变得很大。

2.2 代码实现

在这里，我用iris数据集的预测作为例子来展示下直接调用sklearn函数库去实现随机森林的python代码：

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score, classification_report


iris = load_iris()
X = iris.data
y = iris.target
# 划分
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=42)
# 实例化
clf = RandomForestClassifier(n_estimators=100, random_state=42)
# 拟合
clf.fit(X_train,y_train)
# 预测
y_pre = clf.predict(X_test)
# 计算
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pre)
print("The accuracy is: {}".format(accuracy))
report = classification_report(y_test, y_pre)
print("The report of clf is: {}".format(report))

结果如下：

The accuracy is: 1.0
The report of clf is: precision recall f1-score support

0 1.00 1.00 1.00 15
1 1.00 1.00 1.00 11
2 1.00 1.00 1.00 12

accuracy 1.00 38
macro avg 1.00 1.00 1.00 38
weighted avg 1.00 1.00 1.00 38

三、梯度提升决策树

梯度提升决策树（梯度提升机）既可以用于分类亦可以用于回归，当用于回归时，则可以将之称为梯度提升回归树。它与随机森林一样都是依靠决策树的集成，但不同的是，GBDT（梯度提升决策树）采用连续的方式构造树，每棵树都去试图纠正上一棵树的错误。在默认的情况下，它没有随机化，而是采用了强预剪枝。

在我之前所说的串行生成个体学习器时有提到的Boosting算法，而其实GBDT算法就是Boosting算法的进一步完善所得。

3.1 主要思想

GBDT的主要思想是合并许多的简单模型，它们也在这里可以叫作弱学习器（弱学习器是指一种能够从训练数据中学习到某些规则，但其性能略优于随机猜测的学习器）。每棵树都可以对部分树做出最好的预测，所以当添加的树渐渐变多时，整体的性能也可以得到提升。就像随机森林中的max_features一样，GBDT中也存在一个重要的参数，就是：learning_rate（学习率），它用于控制每棵树纠正前一棵树的错误强度，所以较高的学习率就意味着较强的修正。

3.2 代码实现

代码实现如下：

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score, classification_report


iris = load_iris()
X = iris.data
y = iris.target
# 划分
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=42)
# 实例化
clf = GradientBoostingClassifier(n_estimators=100, learning_rate=0.1, max_depth=3, random_state=42)
# 拟合
clf.fit(X_train,y_train)
# 预测
y_pre = clf.predict(X_test)
# 计算
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pre)
print("The accuracy is: {}".format(accuracy))
report = classification_report(y_test, y_pre)
print("The report of clf is: {}".format(report))

从中，我们不难发现它与随机森林的代码除了函数的名称不同外，还多了两个参数，分别是learning_rate与max_depth，这两个参数分别是算法迭代的步长与树的最大深度。

如下是它的输出结果：

The accuracy is: 1.0
The report of clf is: precision recall f1-score support

0 1.00 1.00 1.00 15
1 1.00 1.00 1.00 11
2 1.00 1.00 1.00 12

accuracy 1.00 38
macro avg 1.00 1.00 1.00 38
weighted avg 1.00 1.00 1.00 38