Ensembling Methods Chinese Version

请注意: 本文是我翻译的一份学习资料，英文原版请点击Wei的学习笔记:Decision Trees 我将不断和原作者的英文笔记同步内容，定期更新和维护。

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模型融合/集成学习

简介

在决策树章节中，我们讨论了如何在回归和分类任务中应用决策树，以及如何构建决策树。正如决策树章节中所述，决策树模型能力有限，过拟合问题难以解决，我们很难训练一个在一般情况下表现良好的决策树。因此，该章节中提出了使用决策树的集成算法。简而言之，多个训练模型的表现比单个模型的表现会更好。

我们有n个独立同分布的随机变量$X_i$，其中$0 \leq i \leq n$，并假设所有$X_i$有$Var(X_i) = \sigma^2$。那么，我可以得到$X_i$均值的方差为：

$$Var(\bar{X}) = Var(\frac{1}{n}\sum\limits_i X_i) = \frac{\sigma^2}{n}$$

如果我们删除$X_i$独立的假设，则随机变量间是彼此相关的。

$$\begin{align} Var(\bar{X})&=Var(\frac{1}{n}\sum\limits_i X_i) \\ &= \frac{1}{n^2}\sum\limits_{i，j}Cov(X_i,X_j) \\ &= \frac{n\sigma^2}{n^2} + \frac{n(n-1)p\sigma^2}{n^2} \\ & = p\sigma^2 + \frac{1-p}{n}\sigma^2 \end{align}$$

其中p是皮尔逊相关系数 $p_{X,Y} = \frac{Cov(X,Y)}{\sigma_x\sigma_y}$。我们知道 Cov(X,X) = Var(X)。

数学： 以下证明有助于理解上述步骤。

$$\begin{align} Var(\frac{1}{n}\sum\limits_i X_i) &= \frac{1}{n^2} Var(\sum\limits_i X_i) \\ &= \mathbb{E}[(\sum\limits_i X_i)^2] - (\mathbb{E}[\sum\limits_i X_i])^2 \\ &=\mathbb{E}[\sum\limits_{i,j}X_i X_j] - (\mathbb{E}[\sum\limits_i X_i])^2 \\ &=\sum\limits_{i,j}\mathbb{E}[X_iX_j]- (\mathbb{E}[\sum\limits_i X_i])^2 \\ &= \sum\limits_{i,j}\mathbb{E}[X_iX_j] - \sum\limits_{i,j}\mathbb{E}[X_i] \mathbb{E}[X_j] \\ &= \sum\limits_{i,j} \mathbb{E}[X_iX_j] - \mathbb{E}[X_i] \mathbb{E}[X_j] \\ &= \sum\limits_{i,j} Cov(X_i,X_j) \end{align}$$

返回主题：现在，如果我们将每个随机变量视为一个训练模型的误差，我们可以通过以下方式减少此方差：

1, 增加随机变量（即模型数量）n的数量以式子后半部分变小

2，减少每个随机变量之间的相关性，使第一项变小，使其更靠近独立同分布状态

问题是，我们如何实现这些目标呢？在此章节中，我们将介绍Bagging和Boosting。

Bagging

Bootstrap

简单来讲，Bootstrap是一种重新采样技术，它可以用于改进数据的estimator。在该算法中，我们从数据的经验分布中不断采样，最后得到数据的统计值。

假设我们有一个经过训练的estimator E，这个estimator可以预测数据的中位数。我们想知道这个estimator估算的置信度有多高，以及它与真实数据的差异有多大。这里我们可以使用bootstrap来进行测评。在bootstrap算法中，我们可以：

1, Bootstrap样本$\mathbb{B}_1,\dots,\mathbb{B}_B$，其中$\mathbb{B}_b$，是通过从数据为n的数据集中有放回的抽取样本而生成的。

2, 得到每个Bootstrap $\mathbb{B}_b$的estimator为：

$$E_b = E(\mathbb{B}\_b)$$

3, 计算E的均值与方差：

$$\mu_B = \frac{1}{B}\sum\limits_{n=1}^B E_b, \sigma_B^2 = \frac{1}{B}\sum\limits_{b=1}^B (E_b - \mu_B)^2$$

这可以让我们了解estimator在估算数据中值时的表现如何。

Bagging

Bagging使用bootstrap的概念进行回归或分类，它代表着Bootstrap聚合。

算法如下：

对于$b=1,\dots,B$，

1, 从训练数据集中提取大小为n的bootstrap数据$\mathbb{B}_b$

2, 对bootstrap数据$\mathbb{B}_b$训练决策树分类器或决策树回归模型$f_b$。

要预测新数据点$x_0$，我们需要计算：

$$f(x_0) = \frac{1}{B} \sum\limits_{b=1}^B f_b(x_0)$$

对于回归问题，我们只需要计算出所有分类器的预测平均值即可。对于分类任务，我们可以使用投票机制来获得最终结果。

假设在二元分类中，有一个输入特征$x\in \mathbb{R}^5$。如下所示，我们可以使用bootstrap算法来训练多个分类器：

让我们回到等式：

$$Var(\bar{X}) = p\sigma^2 + \frac{1-p}{n}\sigma^2$$

正如我们所讨论的，减少误差的一种方法是使每个训练模型上的相关性变小。 Bagging可以通过对不同的数据集训练，实现这一目标。我们无法否认的是，由于每个bootstrp从原始数据集中只获取部分训练样本，这可能会使偏差加大。然而事实证明，由此带来的误差的减少将大于偏差的增加。此外，我们可以通过引入更多模型（即增加M或者在等式中的n）不断减少误差。这并不会导致过拟合，因为$p$对M不敏感，所以整体误差只会减少。

以下两点需要强调：

1, 用bagging时，每个决策树并不需要做到完美，OK就差不多了。

2, Bagging在非线性数据中表现更好。

Out-of-bag estimation

在每个bootstrap中，我们只选择原始数据集的一部分。让我们假设我们均匀分布中对其进行有放回采样。随着数据集大小为$n\rightarrow \infty$，对于某一个样本，它未被选择的概率为：

$$\begin{align} \lim\limits_{n\rightarrow \infty} (1-\frac{1}{n})^n &= \lim\limits_{n\rightarrow \infty} \exp(n\log(1-\frac{1}{n})) \\ &\approx \exp(-n\frac{1}{n}) \\ &= \exp(-1) \end{align}$$

这大约是三分之一，这意味着一个bootstrap中约有三分之一的原始数据未被选中进行训练。为了测试我们的bagging训练模型，对于第i个样本，我们可以用未经过该样本训练过的那些模型（大约M / 3模型）在此样本上进行预测。通过在整个数据集中执行此操作，我们可以获得out-of-bag（词如其名，bagging外的误差）误差估计。在$M\rightarrow\infty$的极端情况下，未对第i个样本进行训练的模型，对所有其他样本进行了训练，这个效果与交叉验证的留一法相同。

随机森林

不过Bagging也是存在缺点的。从bootstrap训练的决策树是彼此相关的，因为bootstrap之间是相关的。这是我们不想见到的，我们只希望减少相关性。这样的bagging将无法获得最佳性能。因此，有人就提出了随机森林，这种方法，修改虽小但却很有效。bagging是在所有维度上生长决策树，随机森林则是在随机选择的维度子集中生长决策树，详细为：

对 $b=1,\dots,B$,

1, 从训练数据集中提取大小为n的bootstrap$\mathbb{B}_b$

2, 对于每次训练，我们从d维度中随机选择m维($m \approx \sqrt(d)$)。对于每个bootstrap，我们有不同的维度m。

Boosting

我们现在知道了bagging是为了减少使用决策树时的方差，而Boosting则是为了减少偏差。在bagging中，我们生成bootstrap样本训练每个模型。在boosting中，我们在每次训练迭代后对bootstrap中的每个样本进行重新加权。如图所示：

定义上讲，Adaboost为：

1, 初始化 $w_i \leftarrow \frac{1}{N}$ 其中 $i=1,2,\dots,n$ 并且这是一个二元分类。

2, 对 m=0 到 M：

      根据分布$w_t(i)$对大小为n的bootstrap数据集$B_m$进行采样

      将bootstrap $B_t$与模型$F_m$进行拟合

      设 $\epsilon_m = \sum_{i=1}^n w_m(i) \mathbb{1}[y_i\neq F_m(x_i)] $ 并且 $\alpha_m = \frac{1}{2}\ln\frac{1-\epsilon_m}{\epsilon_m}$

      缩放 $\bar{w}_{m+1}(i) = w_m(i)\exp(-\alpha_m y_i F_m(x_i))$ 并且归一化 $w_{m+1}(i) = \frac{\bar{w}_{m+1}(i)}{\sum_j \bar{w}_{m+1}(j)}$

3, 分类所遵循的规则为 $f_{boost}(x_0) = sign(\sum_{m=1}^M \alpha_m)$

在每次迭代中，错误分类的样本的权重不断增加。最终预测由加权误差决定。计算求和的结构准许我们增加建模能力，但由于每个训练模型都是相关的，也会导致高方差的出现。因此，增加M也会增加方差。

Boosting分析

值得一谈的是Boosting训练的准确性。这部分是纯粹理论，如果你愿意可以跳过它。

定理： 使用AdaBoost算法，如果$\epsilon_m$是分类器$f_m$的加权误差，则最终分类为$f_{boost}(x_0)=sign(\sum_{m=1}^M \alpha_m f_m(x_0))$。那么训练误差可以被限制：

$$\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^n \mathbb{1}[y_i\neq f_{boost}(x_i)] \leq \exp(-2\sum\limits_{m=1}^M (\frac{1}{2}-\epsilon_m)^2)$$

即使每个$\epsilon_m$都只比随机猜测好一些，当M较大时M模型的总和（在指数位置）将会是一个很大的负值。因此，它有一个较小的上限。

证明：

为了证明这一点，我们希望借助一个中间值。如果我们知道 a < b 并且 b < c, 那么我就能确定 a < c。

回想：

$$\bar{w}\_{m+1}(i) = w_m (i) \exp(-\alpha_m y_i F_m(x_i))$$ $$w_{m+1}(i) = \frac{\bar{w}_{m+1}(i)}{\sum_j \bar{w}_{m+1}(j)}$$

我们可以定义：

$$Z_m = \sum_j \bar{w}\_{m+1}(j)$$

那么，我们可以将其改写：

$$w_{m+1}(i) = \frac{1}{Z_m} w_m(i)\exp(-\alpha_m y_i F_m(x_i))$$

利用上面的等式进一步改写为：

$$\begin{align} w_{M+1}(i) &= w_1(i)\frac{\exp(-\alpha_1 y_i F_1(x_i))}{Z_1} \times \frac{\exp(-\alpha_2 y_i F_2(x_i))}{Z_2} \\ &\dots\times \frac{\exp(-\alpha_M y_i F_M(x_i))}{Z_M} \end{align}$$

由于最开始的设定，所以我们知道 $w_1(i) = \frac{1}{n}$。 我们有：

$$w_{M+1}(i) = \frac{1}{n}\frac{\exp(-y_i\sum_{m=1}^M \alpha_m F_m(x_i))}{\prod_{m=1}^M Z_m} = \frac{1}{n}\frac{\exp(-y_i h_M(x_i))}{\prod_{m=1}^M Z_m}$$

其中我们定义 $h_M(x) = \sum_{m=1}^M \alpha_m F_m(x)$。b为 $\prod_{m=1}^M Z_m$。 接下来我们可以将权重改写为：

$$w_{T+1}(i) \prod_{m=1}^M Z_m = \frac{1}{n} \exp(-y_i h_M(x_i))$$

然后，我们将训练误差带回。注意，对于任何 $z_1 <0< z_2$，$0 < \exp(z_1), 1<\exp(z_2)$。所以：

$$\begin{align} \frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^n \mathbb{1}[y_i\neq f_{boost}] &\leq \frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^n \exp(-y_i h_M(x_i)) \\ &= \sum\limits_{i=1}^n w_{M+1}(i)\prod_{m=1}^M Z_m = \prod_{m=1}^M Z_m \end{align}$$

我们证明了，训练误差小于等于中间值“b”。接下来我们单独处理$Z_m$：

$$\begin{align} Z_m &= \sum\limits_{i=1}^n w_m(i)\exp(-y_i\alpha_m F_m(x_i)) \\ &= \sum\limits_{i：y_i=F_m(x_i)} \exp(-\alpha_m w_m(i) + \sum\limits_{i：y_i\neq F_m(x_i)} \exp(\alpha_m)w_m(i) \\ &= \exp(-\alpha_m)(1 - \epsilon_m) + \exp(\alpha_m)\epsilon_m \end{align}$$

其中 $\epsilon_m = \sum_{i：y_i\neq F_m(x_i)} w_m(i)$。如果我们对于$\alpha_m$，使$Z_m$最小化，我们可以得到：

$$\alpha_m = \frac{1}{2}\ln (\frac{1 - \epsilon_m}{\epsilon_m})$$

这正是我们在最开始时设定的。

我们可以将其带回并找出：

$$Z_m = 2\sqrt{\epsilon_m(1-\epsilon_m)} = \sqrt{1 - 4(\frac{1}{2} - \epsilon_m)^2}$$

我们知道 $1 - x \leq \exp(-x)$，所以我们可以说：

$$Z_m = (1 - 4(\frac{1}{2} - \epsilon_m)^2)^{\frac{1}{2}} \leq (\exp(-4(\frac{1}{2} - \epsilon_m)^2))^{\frac{1}{2}} = \exp(-2(\frac{1}{2} - \epsilon_m)^2)

对于所有$Z_m$，我们可以有：

$$\prod_{m=1}^M Z_m \leq \exp(-2\sum_{m=1}^M (\frac{1}{2}-\epsilon_m)^2)$$

前项逐步叠加模型

在讨论新的boosting算法之前，我们值得研究一下一般的集成框架。它被称为前项逐步叠加模型。详细来讲：

输入： 提供标签的训练数据 $(x_1,y_1),\dot,(x_N,y_N)$

输出： 集成分类器 f(x)

1, 初始化 $f_0(x) = 0$

2, 对于 m=1 到 M：

       计算 $(\beta_m,\gamma_m) = \arg\min_{\beta,\gamma}\sum_{i=1}^N L(y_i,f_{m-1}(x_i) + \beta G(x_i;\gamma))$

       设 $f_m(x) = f_{m-1}(x) + \beta_m G(x;\gamma_m)$

3, 输出 $f(x) = f_m(x)$

在每次迭代中，我们修正之前步骤中所有训练模型的权重和参数。G（x）是一个弱分类器，它的参数为$\gamma$。现在证明Adaboost是一种在二分类和指数损失中的特殊情况：

$$L(y,\bar{y}) = \exp(-y\bar{y})$$

此外，我们还可以证明，如果我们代入平方亏损（squared loss），那么：

$$L=\sum\limits_{i=1}^N (y_i-(f_{m-1}(x_i) + G(x_i)))^2 = ((y_i-f_{m-1}(x_i)) - G(x_i))^2$$

这意味着在这个推导中的平方损失的效果等于在对每一个残差 $(y_i-f_{m-1}(x_i))$拟合一个分类器。这只是对逐步叠加学习的一个简短介绍，如果你想了解更多相关知识，你应该去查阅一下课本等相关书籍。

梯度提升

Boosting的应用领域很广泛，它也是逐步叠加建模的一种。其核心思想是，在每次迭代后，我们都会得到一个弱分类器。也就是说，我们只需要每个分类器的分类效果稍强于随机猜测即可。在最后，我们可以汇集所有弱分类器，形成一个能力较强的分类器。在Adaboost中，对于每次迭代，我们希望新模型专注于重新加权过的数据样本。对于梯度提升，最重要的是我们希望新模型专注于有偏差预测的梯度。

步骤为：

1, 初始化 $f_0(x) = c$

2, 在第i次迭代, 对于样本 $j=1,\dots,N$, 计算：

$$g_{ij} = \frac{\partial L(y_i,f_{i-1}(x_i))}{\partial f_{i-1}(x_i)}$$

现在, 在第i次迭代中，我们有 $(x_1,g_{1i}),\dots,(x_N,g_{Ni})$

3, 在第i次迭代的，用$(x_1,g_{1i}),\dots,(x_N,g_{Ni})$拟合新的决策树或回归树：

$$\gamma_i = \arg\min_{\gamma}\sum\limits_{j=1}^N (g_j-G(x_j;\gamma))^2$$

4, 设

$$f_i(x) = f_{i+1}(x) + G(x;\gamma_i)$$

我们可以通过M次迭代来获得$f_M(X)$，这就是最终的模型了。

同样，这只是对梯度Boosting的简短介绍，更多内容请翻阅教科书。下面两个链接非常有用：

Tutorial from Northeastern University by Prof. Cheng Li

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