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04-05 提升树

时间:2019-10-16 17:40:32      阅读:106      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:梯度   最小化   tin   数据   相交   adaboost   了解   并行   经验   

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提升树

提升树(boosting tree)是以分类树或回归树作为弱学习器的强学习器。

提升树模型用的是加法模型,算法用的是前向分步算法,弱学习器是决策树的集成学习方法。

一、提升树学习目标

  1. 加法模型
  2. 前向分步算法
  3. 提升树与AdaBoost算法
  4. 回归提升树流程
  5. 提升树优缺点

二、提升树引入

假设Nick的年龄是25岁。

  1. 第1棵决策树

把Nick的年龄设置成初始值0岁去学习,如果第1棵决策树预测Nick的年龄是12岁,即残差值为$25-12=13$ 2. 第2课决策树 1. 把Nick的年龄设置成残差值13岁去学习,如果第2棵决策树能把Nick分到13岁的叶子节点,累加两棵决策树的预测值加和$12+13=25$,就是Nick的真实年龄25岁 2. 如果第2棵决策树的得到的是10岁,残差值为$25-12-10=3$ 3. 第3课决策树

把Nick的年龄设置成残差值3岁去学习…… 4. 继续重复上述过程学习,不断逼近Nick的真实年龄

三、提升树详解

3.1 加法模型

提升树模型可以表示为决策树的加法模型

\[ f_M(x)=\sum_{i=1}^MT(x;\theta_m) \]

其中$T(x;\theta_m)\(表示决策树;\)\theta_m$表示决策树的参数;$M$为树的个数。

3.2 前向分步算法

提升树模型使用的是前向分布算法,即假设初始提升树$f_0(x)=0$,第$m$步的模型是

\[ f_m(x)=f_{m-1}(x)+T(x;\theta_m) \]

其中$f_(x)\(为当前模型,通过经验风险极小化确定一下课决策树的参数\)\theta_m$

\[ \hat{\theta_m}=\underbrace{arg\,min}_{\theta_m}\sum_{i=1}^mL(y_i,f_{m-1}(x_i)+T(x_i;\theta_m)) \]

3.3 提升树与AdaBoost算法

AdaBoost算法使用的是前向分步算法,利用前一轮弱学习器的误差率更新训练数据的权重;提升树使用的也是前向分步算法,但是提升树如其名,他的弱学习器只能使用决策树,一般使用CART树,然后他的迭代思路也与AdaBoost算法不同

假设提升树在$t-1$轮的强学习器为$f_(x)$,目标函数是

\[ L(y,f_{m-1}(x)) \]

在第$t$轮的目标则是找到一个弱学习器(决策树)\(h_t(x)\),最小化第$t$轮的目标函数

\[ L(y,f_m(x))=L(y_i,f_{m-1}(x)+T(x;\theta_m)) \]

但是当AdaBoost算法中的弱学习器为二类分类树的时候,其实AdaBoost就是提升树,即可以说分类提升树算法是AdaBoost算法的一种特殊情况。

3.4 回归提升树

有$m$个数据$n$个特征的训练数据集$T={(x_,y_1),(x_2,y_2),\cdots,(x_m,y_m)}$,如果将输入空间划分为$k$互不相交的区域$R_1,R_2,\cdots,R_j$,并且在每个区域上确定输出的常量$c_j$,决策树可以表示为

\[ T(x;\theta)=\sum_{j=1}^Jc_jI(x\in{R_j}) \]

其中,$\theta={(R_1,c_1),(R_2,c_2),\cdots,(R_J,c_J)}表示树的区域划分和各区域上的常数,$J$是回归树的叶节点个数。

3.4.1 前向分步算法

\[ \begin{align} & f_0(x)=0 \& f_1(x)=f_0(x)+T(x;\theta_1) \& \cdots \& f_m(x)=f_{m-1}(x)+T(x,\theta_m),m=1,2,\cdots,M \& f_M(x)=\sum_{m=1}^MT(x;\theta_m) \end{align} \]

在第$m$步$f_m(x)=f_(x)+T(x,\theta_m)$的时候,给定了$f_(x)$,需要求解第$m$棵的参数$\hat{\theta_m}$

\[ \hat{\theta_m} = \underbrace{arg\,min}_{\theta_m}\sum_{i=1}^mL(y_i,f_{m-1}(x_i)+T(x_i;\theta_m)) \]

3.4.2 平方误差损失函数

对于第$m$棵树的参数$\hat{\theta_m}$,可以采用平方误差损失函数$L(y,f(x))=(y-f(x))^2$求解,树的损失变为

\[ \begin{align} L(y,f_{m-1}(x)+T(x;\theta_m)) & = [y-f_{m-1}(x)-T(x;\theta_m)]^2 \& = [r-T(x;\theta_m)]^2 \end{align} \]

其中$r=y-f_(x)$是当前模型拟合数据的残差。

对于回归提升树,只需简单地拟合当前模型的残差。

四、回归提升树流程

4.1 输入

有$m$个数据$n$个特征的训练数据集$T={(x_,y_1),(x_2,y_2),\cdots,(x_m,y_m)}$。

4.2 输出

回归提升树$f_M(x)$。

五、流程

  1. 初始化$f_0(x)=0$
  2. 对$m=1,2,\cdots,M$
    1. 计算残差$r_=y_i-f_(x_i),\quad$
    2. 拟合残差$r_$学习一个回归树,得到$T(x;\theta_m)$
    3. 更新$f_m(x)=f_(x)+T(x;\theta_m)$
  3. 得到回归提升树
\[ f_M(x)=\sum_{i=1}^MT(x;\theta_m) \]

六、提升树优缺点

6.1 优点

  1. 既可以解决分类问题,又可以解决回归问题

6.2 缺点

  1. 弱学习器之间存在依赖关系,难以并行训练
  2. 提升树只是简单的拟合模型的残差,并不准确

七、小结

提升树属于Boosting系列算法,他和AdaBoost有相似之处的,并且当AdaBoost算法中的弱学习器为二类分类树的时候,梯度提升树就是一种特殊的AdaBoost算法。

由于提升树是由简单的残差计算得到的,所以在某种程度上来说,提升树是有一定缺陷的,为了解决这个问题,一般会采用梯度提升树来弥补。

04-05 提升树

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