京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
基于R语言的梯度推进算法介绍
通常来说,我们可以从两个方面来提高一个预测模型的准确性:完善特征工程(feature engineering)或是直接使用Boosting算法。通过大量数据科学竞赛的试炼,我们可以发现人们更钟爱于Boosting算法,这是因为和其他方法相比,它在产生类似的结果时往往更加节约时间。
Boosting算法有很多种,比如梯度推进(Gradient Boosting)、XGBoost、AdaBoost、Gentle Boost等等。每一种算法都有自己不同的理论基础,通过对它们进行运用,算法之间细微的差别也能够被我们所察觉。如果你是一个新手,那么太好了,从现在开始,你可以用大约一周的时间来了解和学习这些知识。
在本文中,笔者将会向你介绍梯度推进算法的基本概念及其复杂性,此外,文中还分享了一个关于如何在R语言中对该算法进行实现的例子。
每当谈及Boosting算法,下列两个概念便会频繁的出现:Bagging和Boosting。那么,这两个概念是什么,它们之间究竟有什么区别呢?让我们快速简要地在这里解释一下:
Bagging:对数据进行随机抽样、建立学习算法并且通过简单平均来得到最终概率结论的一种方法。
Boosting:与Bagging类似,但在样本选择方面显得更为聪明一些——在算法进行过程中,对难以进行分类的观测值赋予了越来越大的权重。
我们知道你可能会在这方面产生疑问:什么叫做越来越大?我怎么知道我应该给一个被错分的观测值额外增加多少的权重呢?请保持冷静,我们将在接下来的章节里为你解答。
假设你有一个初始的预测模型M需要进行准确度的提高,你知道这个模型目前的准确度为80%(通过任何形式度量),那么接下来你应该怎么做呢?
有一个方法是,我们可以通过一组新的输入变量来构建一个全新的模型,然后对它们进行集成学习。但是,笔者在此要提出一个更简单的建议,如下所示:
Y = M(x) + error
如果我们能够观测到误差项并非白噪声,而是与我们的模型输出(Y)有着相同的相关性,那么我们为什么不通过这个误差项来对模型的准确度进行提升呢?比方说:
error = G(x) + error2
或许,你会发现模型的准确率提高到了一个更高的数字,比如84%。那么下一步让我们对error2进行回归。
error2 = H(x) + error3
然后我们将上述式子组合起来:
Y = M(x) + G(x) + H(x) + error3
这样的结果可能会让模型的准确度更进一步,超过84%。如果我们能像这样为三个学习算法找到一个最佳权重分配,
Y = alpha * M(x) + beta * G(x) + gamma * H(x) + error4
那么,我们可能就构建了一个更好的模型。
上面所述的便是Boosting算法的一个基本原则,当我初次接触到这一理论时,我的脑海中很快地冒出了这两个小问题:
1.我们如何判断回归/分类方程中的误差项是不是白噪声?如果无法判断,我们怎么能用这种算法呢?
2.如果这种算法真的这么强大,我们是不是可以做到接近100%的模型准确度?
接下来,我们将会对这些问题进行解答,但是需要明确的是,Boosting算法的目标对象通常都是一些弱算法,而这些弱算法都不具备只保留白噪声的能力;其次,Boosting有可能导致过度拟合,所以我们必须在合适的点上停止这个算法。
请看下图:
从最左侧的图开始看,那条垂直的线表示我们运用算法所构建的分类器,可以发现在这幅图中有3/10的观测值的分类情况是错误的。接着,我们给予那三个被误分的“+”型的观测值更高的权重,使得它们在构建分类器时的地位非常重要。这样一来,垂直线就直接移动到了接近图形右边界的位置。反复这样的过程之后,我们在通过合适的权重组合将所有的模型进行合并。
我们该如何分配观测值的权重呢?
通常来说,我们从一个均匀分布假设出发,我们把它称为D1,在这里,n个观测值分别被分配了1/n的权重。
步骤1:假设一个α(t);
步骤2:得到弱分类器h(t);
步骤3:更新总体分布,
其中,
步骤4:再次运用新的总体分布去得到下一个分类器;
觉得步骤3中的数学很可怕吗?让我们来一起击破这种恐惧。首先,我们简单看一下指数里的参数,α表示一种学习率,y是实际的回应值(+1或-1),而h(x)则是分类器所预测的类别。简单来说,如果分类器预测错了,这个指数的幂就变成了1 *α, 反之则是-1*α。也就是说,如果某观测值在上一次预测中被预测错误,那么它对应的权重可能会增加。那么,接下来该做什么呢?
步骤5:不断重复步骤1-步骤4,直到无法发现任何可以改进的地方;
步骤6:对所有在上面步骤中出现过的分类器或是学习算法进行加权平均,权重如下所示:
最近我参加了由Analytics Vidhya组织的在线hackathon活动。为了使变量变换变得容易,在complete_data中我们合并了测试集与训练集中的所有数据。我们将数据导入,并且进行抽样和分类。
library(caret)rm(list=ls())setwd("C:\\Users\\ts93856\\Desktop\\AV")library(Metrics)complete <- read.csv("complete_data.csv", stringsAsFactors = TRUE)train <- complete[complete$Train == 1,]score <- complete[complete$Train != 1,]set.seed(999)ind <- sample(2, nrow(train), replace=T, prob=c(0.60,0.40))trainData<-train[ind==1,]testData <- train[ind==2,]set.seed(999)ind1 <- sample(2, nrow(testData), replace=T, prob=c(0.50,0.50))trainData_ens1<-testData[ind1==1,]testData_ens1 <- testData[ind1==2,]table(testData_ens1$Disbursed)[2]/nrow(testData_ens1)#Response Rate of 9.052%
接下来,就是构建一个梯度推进模型(Gradient Boosting Model)所要做的:
fitControl <- trainControl(method = "repeatedcv", number = 4, repeats = 4)trainData$outcome1 <- ifelse(trainData$Disbursed == 1, "Yes","No")set.seed(33)gbmFit1 <- train(as.factor(outcome1) ~ ., data = trainData[,-26], method = "gbm", trControl = fitControl,verbose = FALSE)gbm_dev <- predict(gbmFit1, trainData,type= "prob")[,2]gbm_ITV1 <- predict(gbmFit1, trainData_ens1,type= "prob")[,2]gbm_ITV2 <- predict(gbmFit1, testData_ens1,type= "prob")[,2]auc(trainData$Disbursed,gbm_dev)auc(trainData_ens1$Disbursed,gbm_ITV1)auc(testData_ens1$Disbursed,gbm_ITV2)
在上述案例中,运行代码后所看到的所有AUC值将会非常接近0.84。我们随时欢迎你对这段代码进行进一步的完善。在这个领域,梯度推进模型(GBM)是最为广泛运用的方法,在未来的文章里,我们可能会对GXBoost等一些更加快捷的Boosting算法进行介绍。
笔者曾不止一次见识过Boosting算法的迅捷与高效,在Kaggle或是其他平台的竞赛中,它的得分能力从未令人失望,当然了,也许这要取决于你能够把特征工程(feature engineering)做得多好了。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在用户行为分析实践中,很多从业者会陷入一个核心误区:过度关注“当前数据的分析结果”,却忽视了结果的“泛化能力”——即分析 ...
2026-03-13在数字经济时代,用户的每一次点击、浏览、停留、转化,都在传递着真实的需求信号。用户行为分析,本质上是通过收集、整理、挖掘 ...
2026-03-13在金融、零售、互联网等数据密集型行业,量化策略已成为企业挖掘商业价值、提升决策效率、控制经营风险的核心工具。而CDA(Certi ...
2026-03-13在机器学习建模体系中,随机森林作为集成学习的经典算法,凭借高精度、抗过拟合、适配多场景、可解释性强的核心优势,成为分类、 ...
2026-03-12在机器学习建模过程中,“哪些特征对预测结果影响最大?”“如何筛选核心特征、剔除冗余信息?”是从业者最常面临的核心问题。随 ...
2026-03-12在数字化转型深度渗透的今天,企业管理已从“经验驱动”全面转向“数据驱动”,数据思维成为企业高质量发展的核心竞争力,而CDA ...
2026-03-12在数字经济飞速发展的今天,数据分析已从“辅助工具”升级为“核心竞争力”,渗透到商业、科技、民生、金融等各个领域。无论是全 ...
2026-03-11上市公司财务报表是反映企业经营状况、盈利能力、偿债能力的核心数据载体,是投资者决策、研究者分析、从业者复盘的重要依据。16 ...
2026-03-11数字化浪潮下,数据已成为企业生存发展的核心资产,而数据思维,正是CDA(Certified Data Analyst)数据分析师解锁数据价值、赋 ...
2026-03-11线性回归是数据分析中最常用的预测与关联分析方法,广泛应用于销售额预测、风险评估、趋势分析等场景(如前文销售额预测中的多元 ...
2026-03-10在SQL Server安装与配置的实操中,“服务名无效”是最令初学者头疼的高频问题之一。无论是在命令行执行net start启动服务、通过S ...
2026-03-10在数据驱动业务的当下,CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的核心价值,不仅在于解读数据,更在于搭建一套科学、可落地的 ...
2026-03-10在企业经营决策中,销售额预测是核心环节之一——无论是库存备货、营销预算制定、产能规划,还是战略布局,都需要基于精准的销售 ...
2026-03-09金融数据分析的核心价值,是通过挖掘数据规律、识别风险、捕捉机会,为投资决策、风险控制、业务优化提供精准支撑——而这一切的 ...
2026-03-09在数据驱动决策的时代,CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的核心工作,是通过数据解读业务、支撑决策,而指标与指标体系 ...
2026-03-09在数据处理的全流程中,数据呈现与数据分析是两个紧密关联却截然不同的核心环节。无论是科研数据整理、企业业务复盘,还是日常数 ...
2026-03-06在数据分析、数据预处理场景中,dat文件是一种常见的二进制或文本格式数据文件,广泛应用于科研数据、工程数据、传感器数据等领 ...
2026-03-06在数据驱动决策的时代,CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的核心价值,早已超越单纯的数据清洗与统计分析,而是通过数据 ...
2026-03-06在教学管理、培训数据统计、课程体系搭建等场景中,经常需要对课时数据进行排序并实现累加计算——比如,按课程章节排序,累加各 ...
2026-03-05在数据分析场景中,环比是衡量数据短期波动的核心指标——它通过对比“当前周期与上一个相邻周期”的数据,直观反映指标的月度、 ...
2026-03-05