集成学习（二）XGBoost

XGBoost

特点

XGBoost相当于是GBDT的工程实现，其创新点有如下：

1、拟合残差利用了泰勒展开

2、加入正则项防止过拟合

3、每一轮用贪心方法分裂树，用分桶近似计算

4、每一个弱分类器都要乘以一个shrinkage（也叫step size）

5、特征抽样（列抽样）

泰勒展开

GBDT的做法是用负梯度方向去代替残差方向。

xgboost则利用了泰勒展开，加快推到速度。

图中$\Omega$是正则项，constant是常数项。

从目标函数可以看出，每一次迭代，都在现有树的基础上，增加一棵树（$f_{t}(x_{i})$）去拟合前面树的预测结果与真实值之间的残差，最终的目标函数只依赖于每个数据点在误差函数上的一阶导数和二阶导数。

正则项

在决策树的构建阶段加入了正则项：

$T$是树中叶子节点的个数，约束着每一棵树不要分裂的太多，避免过拟合。

$w_{j}$是叶子节点$j$的得分（可以理解为每个样本在这棵树中的预测结果），这是一个L2正则，约束着这棵树分出来的结果不要过于激进，如果分出很大的数就会被惩罚。这样可以保证增加的每一棵树只是前进一点点，避免过拟合。

树的生长

将正则项拆开并与损失函数合并到一起，得到

其中$I_{j}$定义为每个叶节点$j$上面样本下标的集合$I_{j}={ i|q(x_{i})=j }$，函数$q(x_{i})$是一个映射，负责控制将样本$x_{i}$映射到哪一个叶子节点

定义

则目标函数可以转化为

目标函数求最值，对自变量$w_{j}$求导。得到理想叶子分数

带入目标函数中，有

这个$Obj$叫做一颗树的结构分数，这个分数越小，代表这棵树的结构越好。这个分数用来评估决策树的好坏，是为了计算后面更广泛的目标函数而产生的中间过程。下面这个图可以阐释这一点。

树的生长是从一个节点不断分裂的过程，关键在于节点如何分裂？

理想情况下，每一次分裂都要计算所有特征的所有样本的切分所得到的结构分数，选择最好的特征做切分，然后每个叶子再重新完整计算一遍所有切分情况的结构分数，直到找到最优树结构，但是这样非常不现实，所以xgboost提出两种切分策略：贪心法和近似算法。

贪心法

先遍历所有特征，对特征下面的值进行排序，线性扫描确定最优的切分点，由Gain值来评估切分候选项。

近似算法

当数据量很大时，不可能将全部数据读到内存中，或者在分布式计算中无法预先排序，这时候需要近似算法。近似算法根据特征的统计分布的一些百分位点来作为分割点，连续的样本会被分到这些点切出来的桶中，最后汇总统计数据找到最佳分裂点。

关于找到分裂点还有两种方案，一种是全局的，在一开始就计算好所有的最优分割点，在后面树生长的时候就用这个已经计算好的相同的分割点；一种是局部的，是在每一次进行分割的时候都计算一遍最优的点。全局的计算量要比局部的计算量小，但是全局的通常需要分出更多的桶才能达到比较好的效果。局部的方式更适合更深的树。

分桶的策略可以使用梯度近似直方图实现（approximate histograms of gradient statistics）

加权分位数

在近似算法中的重要步骤是如何确定候选分裂点。通常特征值的百分位被用于生成候选分裂点。令集合

表示第k个特征的每个训练样本的二阶梯度统计。定义一个排序函数：

表示特征值k小于z的比例，目标是寻找候选分裂点集${ s_{k1},s_{k2},...,s_{kl} }$。因此

这里$\epsilon$是近似因子，这意味着有大概$\frac{1}{\epsilon}$个候选点。这里每个数据点的权重为$h_{i}$

稀疏感知分割

由于数据中有缺失值、0统计值和onehot，造成训练数据稀疏，xgboost用了一个default以便处理稀疏数据。它有两个缺省划分方向，通过从数据中学习来找到最优的缺省方向。

Shrinkage

shrinkage是为了防止过拟合的一个技巧。

每一轮树增长后，要乘以一个权重系数$\eta$，类似学习率的感觉，它缩减了每棵树的影响。

特征抽样

列抽样加速了并行算法的计算

效果比行抽样要好（样本抽样）

防止了过拟合

数据不平衡

1、使用过采样和下采样

2、数据集设置正负样本的weight

　　xgb.DMatrix(train_x, weight=[每个样本的权重], label=train_y)

3、xgboost接口提供了一个scale_pos_weight参数的设置

　　scale_pos_weight 的输入是负样本量与正样本量之比

　　底层原理：通过scale_pos_weight改变了正负样本的权重，进而改变了正负样本损失函数的大小，最终改变了样本的概率预测值 wi

4、自定义损失函数，将正样本的logloss设置为负样本的n倍

　　https://blog.csdn.net/weixin_42356307/article/details/112615598

5、使用max_delta_step

　　如果我们只在意模型的整表现，则使用AUC作为模型评估指标，使用scale_pos_weight来处理样本不平衡问题，如果我们在意预测出正确的概率，那我们就无法通过调节scale_pos_weight来减轻样本不平衡问题带来的影响，这种时候，我们需要考虑另一个参数：max_delta_step。这个参数被称之为是“树的权重估计中允许的单次最大增量”，既可以考虑成是影响估计的参数。如果我们在处理样本不均衡问题，并且十分在意得到正确的预测概率，则可以设置max_delta_step参数为一个有限的数（比如1）来帮助收敛。max_delta_step参数通常不进行使用，二分类下的样本不均衡问题时是这个参数唯一的用途。