python数据分析——认识GBR梯度提升回归模型

GBR——Gradient boosting regression——梯度提升回归模型

目 录

1 Boosting

   集成学习，Boosting与Bagging的区别

2 Gradient Boosting算法

   算法思想，算法实现，残差与负梯度

 3 终极组合GBR

1 Boosting

Boosting是一种机器学习算法，常见的机器学习算法有：

决策树算法、朴素贝叶斯算法、支持向量机算法、随机森林算法、人工神经网络算法

Boosting与Bagging算法（回归算法）、关联规则算法、EM（期望最大化）算法、深度学习

1.1 集成学习

背景

我们希望训练得到的模型是一个各方面都稳定表现良好的模型，但是实际情况中得到的却是仅在某方面偏好的模型。集成学习则可以通过多个学习器相结合，来获得比单一学习器更优越的泛化性能。

原理

一般集成学习会通过重采样获得一定数量的样本，然后训练多个弱学习器，采用投票法，即“少数服从多数”原则来选择分类结果，当少数学习器出现错误时，也可以通过多数学习器来纠正结果。

分类

1）个体学习器之间存在较强的依赖性，必须串行生成学习器：boosting类算法；

2） 个体学习器之间不存在强依赖关系，可以并行生成学习器：Bagging类算法

1.2 Boosting与Bagging区别

Boosting

是一种通用的增强基础算法性能的回归分析算法。它可以将弱学习算法提高为强学习算法，可以应用到其它基础回归算法，如线性回归、神经网络等，来提高精度。

Boosting由于各基学习器之间存在强依赖关系，因此只能串行处理，也就是说Boosting实际上是个迭代学习的过程。

Boosting的工作机制为：

 Bagging

首先从数据集中采样出T个数据集，然后基于这T个数据集，每个训练出一个基分类器，再将这些基分类器进行组合做出预测。Bagging在做预测时，对于分类任务，使用简单的投票法。对于回归任务使用简单平均法。若分类预测时出现两个类票数一样时，则随机选择一个。Bagging非常适合并行处理。

2 Gradient Boosting算法

任何监督学习算法的目标是定义一个损失函数并将其最小化。

Gradient Boosting 的基本思想是：串行地生成多个弱学习器，每个弱学习器的目标是拟合先前累加模型的损失函数的负梯度，使加上该弱学习器后的累积模型损失往负梯度的方向减少。

举个简单的例子

假设有个样本真实值为 10，第一个弱学习器拟合结果为7，则残差为10-7=3；

使残差 3 作为下一个学习器的拟合目标，第二个弱学习其拟合结果为2；

则这两个弱学习器组合而成的 Boosting 模型对于样本的预测为7+2=9；

以此类推可以继续增加弱学习器以提高性能。

和其他boost方法一样，梯度提升方法也是通过迭代的方法联合弱”学习者”联合形成一个强学习者。

2.1 算法思想

2.2 算法实现

1）初始化模型函数：

2）For m = 1 to M:

使用损失函数的负梯度在当前模型 Fm-1(x)上的值近似代替残差：

使用基学习器 h(x)拟合近似的残差值：

计算最优的ɤ：

3）更新模型 ：

4）返回Fm(x)

2.3 残差与负梯度

 3 终极组合GBR

GBR就是弱学习器是回归算法。

常见的回归算法：

线性回归（Linear Regression）

逻辑回归（Logistic Regression）

多项式回归（Polynomial Regression）

逐步回归（Stepwise Regression）

岭回归（Ridge Regression）

套索回归（Lasso Regression）

弹性回归（ElasticNet Regression）

其他GB算法：

GBRT (Gradient BoostRegression Tree)

梯度提升回归树

GBDT (Gradient BoostDecision Tree)

梯度提升决策树