4.系统学习-集成学习

前言

比赛中集成学习，但要用好模型集成可能并不是那么简单，本文将讨论讨论：

1. 模型总体误差分解，过拟合，欠拟合
2. 为什么集成学习能降低总体误差
3. Blending
4. Stacking
5. Bagging
6. Boosting

Bias and Variance

假设有训练数据集 $D$，包含样本点 $(x_1,y_1),\dots ,(x_n,y_n)$，
存在一个带噪音的真实函数 $y=f(x)+ϵ$，噪音 $ϵ$ 均值为 $0$，方差为 ${\sigma }^2$，我们希望通过数据集 $D$ 训练模型 $\hat{f}(x;D)$ 尽可能逼近真实函数 $f$，使得任意训练数据集以外的样本误差最小化，即最小化误差函数 MSE：

$${\mathbb{E}}_{D,ϵ}\left[(y-\hat{f}(x;D){)}^2\right]={\left({\text{Bias}}_D\left[\hat{f}(x;D)\right]\right)}^2+{\text{Var}}_D\left[\hat{f}(x;D)\right]+{\sigma }^2$$

where 偏差 (bias) 部分：

$${\text{Bias}}_D\left[\hat{f}(x;D)\right]={\mathbb{E}}_D\left[\hat{f}(x;D)\right]-f(x)$$

and 方差 (variance) 部分：

$${\text{Var}}_D\left[\hat{f}(x;D)\right]={\mathbb{E}}_D\left[{\left({\mathbb{E}}_D[\hat{f}(x;D)]-\hat{f}(x;D)\right)}^2\right].$$
这里我们已经通过公式推导将目标函数分解成三项：

a) 偏差项 (bias) 是采用不同训练数据集 $D$ 时，模型预测和真值的偏差，可以看成由不同的模型假设带来的误差。比如真实函数是一个非线性函数 $f$，而我们采用线性回归模型 $\hat{f}$ 进行建模，由于这一假设，估计我们的线性模型 $\hat{f}$ 将存在误差。通常越复杂的模型偏差更小，复杂模型的假设空间更大，对真实函数逼近能力更强，偏差更小。

b) 方差项 (variance) 为采用不同训练数据集 $D$ 训练模型时，模型对同一个样本预测值的波动大小，通常越复杂的模型越敏感，这意味着采用不同数据训练的模型差异会很大，导致对同一个样本预测值的波动较大，即方差很大。

c) 为随机误差，无法预测。

过拟合（overfitting）与欠拟合（underfitting）

1. Overfitting，当我们的模型太复杂（比如很深的决策树、非常多的特征工程、大型深度学习网络等），模型偏差较低，方差较大；
2. Underfitting，当我们的模型太简单（线性回归、无特征工程、浅层感知机等），模型偏差较大，方差较小；过拟合和欠拟合都不是我们想要的模型状态，如下图所示，最好的状态时偏差和方差都处于比较小的均衡状态，这时候总体误差最小。
   

集成学习为什么有效？

集成学习指建模时训练多个基模型，预测时候融合多个模型预测结果，降低总体误差的学习方法。集成学习方法有很多，总体上可以分为三类：Stacking，Bagging 及 Boosting.

降低模型方差

可以看出不管是哪种模型集成方法，都有一个共同特点：融合多个模型预测结果。由统计知识可知，多个独立同分布随机变量满足：

设 $X_1,X_2,\dots ,X_n$ 是独立同分布的，满足 $E(X_i)=\mu ,D(X_i)={\sigma }^2,i=1,2,3,\dots ,n$

则随机变量 $\overline{X}=\frac{1}{n}{\sum }_{i=1}^n{X}_i$，满足 $E(\overline{X})=\mu ,D(\overline{X})=\frac{{\sigma }^2}{n}$。

下证：

$$E(\overline{X})=E\left(\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{X}_i\right)=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^{n}E(X_i)=\frac{1}{n}\cdot n\mu =\mu$$

$$D(\overline{X})=D\left(\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{X}_i\right)=\frac{1}{n^2}\sum _{i=1}^{n}D(X_i)=\frac{1}{n^2}\cdot n{\sigma }^2=\frac{{\sigma }^2}{n}$$

其中随机变量的简单算术平均可以看成模型融合结果，只要不同模型预测结果满足独立同分布，模型预测方差将从原本的 ${\sigma }^2$ 变为 $\frac{{\sigma }^2}{n}$，大幅度降低了总体误差中的方差部分。当然这是最理想情况了，一般来说模型间都存在一定的相关性，相关性越弱，融合后预测方差越低。

因此在集成学习中，构造模型间的差异化是重中之重。在 bagging 中，我们通过采用不同的训练数据构造差异化。

降低模型偏差
从上图可以看出，融合多个弱模型（相对概念，指复杂度比较低的模型），可以降低模型偏差，获得更高的模型精度。

Blending 模型集成

将数据划分为训练集和验证集

1. 在训练集上训练模型（m1, m2, m3, …）

2. 在验证集上预测，得到模型（m1, m2, m3, …）的预测结果

3. 使用模型验证集预测结果作为特征，训练分类（例如逻辑回归）或回归（例如线性回归）模型，也可以人工指定权重，对模型（m1, m2, m3, …）的预测结果进行加权平均。例如在分类问题中将（m1, m2, m3, …）的预测概率进行加权，权重和为1。

Stakcing 模型集成

Stacking 模型集成方法和 Blending 方法非常类似，通过一个 meta model 对不同类别的基模型预测结果进行集成。Stacking 采用的基模型通常是不同种类的，算法流程如下：

1. 将数据集划分成3部分：subset1, subset2, subset3。

2. 在 subset1 上训练不同种类的基模型（比如：逻辑回归、决策树等）。

3. 在 subset2 上，基模型进行预测。

4. 在 subset2 上，使用第3步中的预测结果作为输入，训练一个 meta 模型，通常 meta 模型我们尽量采用复杂度较低的简单模型，比如线性回归或逻辑回归，避免过拟合。

5. 在 subset3 上，基模型进行预测，预测结果输入到 meta 模型进行预测，得到最终预测结果，测试模型精度。

Stacking 简化变体 Average / Weighted

很多时候，为了简化 stacking 模型集成或降低过拟合，我们不需要训练 meta 模型，可以直接将基模型预测值进行平均或加权平均即可。这时候我们的工作流变成：

1. 将数据集划分成两部分：subset1 和 subset2。
2. 在 subset1 上训练不同种类的基模型（比如：逻辑回归、决策树等）。
3. 在 subset2 使用基模型进行预测，并对所有基模型预测的结果计算平均值（或进行加权平均）得到最终预测结果，测试模型精度。

如果采用加权平均，一般建议精度更高的模型更高的权重。例如有模型 A/B/C，精度模型 A > B > C，可以给予权重 A: 0.5, B: 0.3, C: 0.2。如果你不想调整权重而求最优权重，这时候可以等价于引入一个线性模型，在搜索线性模型参数时，来防止过拟合。这个时候建议采用完整 stacking 模型集成方案。

需要注意的是，在进行分类问题建模时通常进行概率融合。例如在使用逻辑回归进行分类时，使用 predict_proba 方法可以得到预测概率结果，预测结果为 N x 2 维度，2 为类别数量，分别代表输入样本和正确类别的概率。概率值融合后，使用 np.argmax(pred_result, axis=1) 即可得到每个样本最高概率的类别。

>>> from sklearn.datasets import load_iris
>>> from sklearn.linear_model import LogisticRegression
>>> X, y = load_iris(return_X_y=True)
>>> clf = LogisticRegression(random_state=0).fit(X, y)
>>> clf.predict(X[:2, :])
array([0, 0])
>>> clf.predict_proba(X[:2, :])
array([[9.8...e-01, 1.8...e-02, 1.4...e-08],
       [9.7...e-01, 2.8...e-02, 2.2...e-08]])
>>> clf.score(X, y)
0.97

Bagging模型集成

Bagging 模型集成算法流程：

1. 通过 放回抽样 得到多个训练集
2. 在不同的训练集上训练基模型（一般采用相同类型的模型）
3. 对模型预测结果进行融合

一般的，我们将使用决策树作为基模型的 Bagging 集成学习方法叫做 随机森林，同时由于决策树本身是一种拟合能力比较强的模型，为了最大化模型差异化，在训练每棵决策树时进行特征采样，使得不同子模型使用的数据集不仅样本不同，同时使用的特征也不完全一致。在 sklearn 库中已经有成熟的随机森林实现，可以直接调用。

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

RandomForestClassifier(
    n_estimators=100,
    max_depth=None,
    max_features='auto',
    max_leaf_nodes=None,
)

参数解释：

随机森林的特点：

1. 并行的集成框架，适合并行训练，训练速度快。
2. 特征随机采样使得在样本特征维度很高的时候，仍然能有效的训练模型。
3. 数据集随机采样 & 特征随机采样的引入，使得随机森林的基模型能构造较大的差异化，降低融合模型方差，提升泛化能力，避免过拟合。
4. 因为 Bagging 主要降低模型方差，因此一般选择偏差较小的大型决策树（深度较深，叶子节点数量高）作为基模型，来平衡偏差和方差。

Boosting模型集成

与Bagging相反，Boosting采用串行的集成框架，常见的算法流程如下图所示：

1. 从数据集中均匀采样一个子集
2. 在子集上训练模型并对整个数据集进行预测
3. 计算每个样本误差
4. 根据误差大小对数据集样本赋权（误差越大，权重越大），并使用新的权重对数据集进行采样，得到一个新的子集
5. 重复2～4，直到达到预设的迭代次数
   Boosting集成学习通过迭代训练，逐步降低模型偏差，因此我们一般采用比较简单的基模型（浅层决策树），
   避免过拟合发生。
   sklearn已经实现了Boosting集成学习方法，可以通过
   sklearn.ensemble.AdaBoostClassifier直接调用，使用方法和参数与随机森林类似。
   Boosting模型集成特点：
6. 串行集成方法，比较难并行化，速度较慢
7. 能有效降低偏差，适合采用简单的基模型

作业

1. 回答在进行平均融合时，基模型具有怎样的特点能够最大化提升模型性能？
2. 在链接: Kaggle泰坦尼克竞赛中使用逻辑回归、决策数、随机森林建模，对模型预测概率采用加权平均的方式进行模型融合，观察融合效果，是否较单模型有提升