集成学习与随机森林（二）Bagging与Pasting

Bagging 与Pasting

我们之前提到过，其中一个获取一组不同分类器的方法是使用完全不同的训练算法。另一个方法是为每个预测器使用同样的训练算法，但是在训练集的不同的随机子集上进行训练。在数据抽样时，如果是从数据中重复抽样（有放回），这种方法就叫bagging（bootstrap aggregating 的简称，引导聚合）。当抽样是数据不放回采样时，这个称为pasting。

换句话说，bagging与pasting都允许训练数据条目被多个预测器多次采样，但是仅有bagging允许训练数据条目被同一个预测器多次采样。在pasting中，每个预测器仅能对同一条训练数据条目采样一次。Bagging的采样与训练的过程如下图所示：

 

在所有预测器都训练好后，集成器可以对一条新数据做预测，它会简单地聚集所有预测器的预测值。这个聚集方法通常在分类问题中是一个统计模型（也就是说，使用出现最频繁的预测，与投票分类器中的硬投票类似），而在回归问题中是一个平均值。每个单独预测器的bias（偏差值）相对于他们在原始训练集上训练的bias会更高，不过集成会同时减少bias与variance（方差）。一般来说，集成的结果与单个模型，两者的bias值较为接近，但是集成的variance会更低。

在上图中我们也可以看到，模型可以并行进行训练，使用不同的CPU核或是不同的服务器。类似的，预测也可以并行完成。这也是为什么当今bagging与pasting如此令人受欢迎的原因之一：它们的扩展性非常好。

 

Sk-learn中的Bagging与Pasting

Sk-learn提供了一个简单的API用于bagging与pasting，BaggingClassifier类（或BaggingRegressor类做回归任务）。下面的代码训练一个由500棵决策树组成的集成：每个均在100条随机采样的训练数据条目上进行训练，且数据采样有放回（也就是bagging的例子，如果要用pasting，指定bootstrap=False即可）。n_jobs 参数指定sk-learn在训练与预测时使用的CPU核数（-1表示使用所有可用资源）：

from sklearn.ensemble import BaggingClassifier
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

bag_clf = BaggingClassifier(
    DecisionTreeClassifier(), n_estimators=500,
    max_samples=100, bootstrap=True, n_jobs=-1)

bag_clf.fit(X_train, y_train)
y_pred = bag_clf.predict(X_test)

 

在BaggingClassifier中，如果基于的基本分类器是可以估计类别概率的话（例如它包含predict_proba() 方法），则BaggingClassifier 会自动执行软投票（soft voting），而不是硬投票。在上面的例子中，基本分类器是决策树，所以它执行的是软投票。

下图对比了单个决策树的决策边界与bagging集成500棵树（上面的代码）的决策边界，两者均在moon数据集上进行训练。我们可以看到，集成预测的泛化性能会更好：集成与单个决策树的bias差不多，但是集成的variance更小。

 

Bootstraping在每个模型使用的训练子集中引入了更多的多样性，所以bagging最终的bias会稍高于pasting一些；但是额外的多样性也意味着最终模型之间的相关性会更小，所以集成的variance会减少。总之，bagging一般相对于pasting会产生更好的模型，这也是为什么我们一般倾向于使用bagging。不够如果有足够的时间和CPU的话，我们可以使用交叉验证来评估bagging与pasting的性能，并选择其中表现最好的那个。

 

Out-of-Bag评估

使用bagging时，有些数据条目可能会被任一模型采样多次，而其他数据条目可能从来都不会被采样。默认情况下，BaggingClassifier会以有放回（bootstrap=True）的方式采样m条训练数据，这里m为训练集的大小。也就是说，对每个模型来说，平均大约仅有63%的训练数据条目会被采样到。剩下大约37% 的（没有被采样的）训练数据条目称为out-of-bag（oob）实例。

由于模型在训练中并不会看到oob实例，所以可以使用这些实例对模型进行评估，而不需要使用额外的验证集。我们可以通过取每个模型的oob评估的平均，作为集成的评估。

在sk-learn 中，我们在创建BagginClassifier时可以设置 oob_score=True，这样可以在训练结束后

启用一个自动的oob评估。下面的代码是展示的这个例子，评估结果分数可以通过oob_score_变量获取：

bag_clf = BaggingClassifier(
    DecisionTreeClassifier(), n_estimators=500,
    bootstrap=True, n_jobs=-1, oob_score=True
)

bag_clf.fit(X_train, y_train)
bag_clf.oob_score_
>0.8986666666666666

 

根据oob的评估结果，这个BaggingClassfier可能会在测试集上达到89.8%的准确率，下面我们验证一下：

from sklearn.metrics import accuracy_score

y_pred = bag_clf.predict(X_test)
accuracy_score(y_test, y_pred)
>0.904

 

在测试集上的准确度为90.4%，结果比较接近。

对每条训练集的oob决策函数也可以通过oob_decision_funcsion_ 变量获取。在上面的这个例子中（由于base estimator 有 predict_proba() 方法），决策函数会对每条训练数据返回它属于某个类别的概率。例如，oob 评估第一条训练数据有58.6%的概率属于正类，41.4%的概率属于负类。

bag_clf.oob_decision_function_
>array([[0.41361257, 0.58638743],
       [0.37016575, 0.62983425],
       [1.        , 0.        ],
       [0.        , 1.        ],
    …