你知道哪些集成学习?

64 阅读4分钟

本文正在参加「金石计划 . 瓜分6万现金大奖」 ” 大家好,我是小寒。

阅读原文

今天,我们来聊一下集成学习。

众所周知,传统的机器学习算法 (例如:线性回归、逻辑回归、决策树等) 的目标都是寻找一个最优模型,来尽可能的学习到数据中的信息。

集成学习是结合多个模型以获得更好的性能。它可以帮助你提高模型的稳健性和通用性。

简而言之,它结合了模型中的不同决策以提高性能。

下面我们来介绍几种常用的集成方法( 使用 Kaggle 的 心脏病发作分析和预测数据集)。

一、平均

导入数据包

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import roc_auc_score,accuracy_score
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

# machine learning
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.linear_model import LogisticRegression, SGDClassifier

#seed
seed = 40

简单平均

我们通过将所有模型的输出相加并除以模型总数来取一个简单的平均值。

  • 使用 pandas 加载 数据集 文件。
  • 目标是 "output" 特征。
  • 删除 "output" 特征,以创建训练特征。
  • 使用 StandardScaler () 进行特征缩放。
  • 将数据拆分为训练集和测试集。
  • 构建所有三个模型对象。我们使用的是 RandomForestClassifier、LogisticRegression 和 SGDClassifier。
  • 在训练集上训练模型并使用测试集预测输出。
  • 使用平均公式并将输出四舍五入以仅显示 1 和 0。
  • 显示准确性和 AUC 指标。
df = pd.read_csv("heart.csv")

#target
target = df["output"]

# getting scaled train data
train = df.drop("output", axis=1)
scaled_train = StandardScaler().fit_transform(train)

# Splitting the data into training and validation
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
    train, target, test_size=0.20, random_state=seed
)

# building the all models
model_1 = RandomForestClassifier(random_state=seed)
model_2 = LogisticRegression(random_state=seed, max_iter=1000)
model_3 = SGDClassifier(random_state=seed)

# training
model_1.fit(X_train, y_train)
model_2.fit(X_train, y_train)
model_3.fit(X_train, y_train)

# predicting
pred_1 = model_1.predict(X_test)
pred_2 = model_2.predict(X_test)
pred_3 = model_3.predict(X_test)

# averaging
pred_final = np.round((pred_1 + pred_2 + pred_3) / 3)

# evalution
accuracy = round(accuracy_score(y_test, pred_final) * 100, 3)
auc = round(roc_auc_score(y_test, pred_final), 3)

print(f" Accuracy: {accuracy}%")
print(f" AUC score: {auc}")
 Accuracy: 85.246%
 AUC score: 0.847

我们的模型在默认超参数上表现良好。

加权平均

在加权平均中,我们将最高权重分配给性能最佳的模型,并将最低权重分配给性能较差的模型,同时取平均值。

model_1model_2model_3
权重30%60%10%

Tips: 需要保证权重相加等于1。

下面的代码表明,通过给 **model_2更多的权重,**我们取得了更好的性能。

pred_final = np.round(0.3*pred_1 + 0.6*pred_2 + 0.1*pred_3)

# evalution
accuracy = round(accuracy_score(y_test, pred_final) * 100, 3)
auc = round(roc_auc_score(y_test, pred_final), 3)

print(f" Accuracy: {accuracy}%")
print(f" AUC score: {auc}")
 Accuracy: 90.164%
 AUC score: 0.89

二、投票

投票法通常用于分类问题。

在这种方法中,每个模型对每个样本进行预测和投票。

最终选择投票最高的类作为最终的预测类。

我们将使用 Scikit-Learn 的 VotingClassifier 并添加三个分类器:

RandomForestClassifier、LogisticRegression 和 KNeighborsClassifier。

from sklearn.ensemble import VotingClassifier
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

# building the model
model_4 = KNeighborsClassifier()

# voting classifier
final_model = VotingClassifier(
    estimators=[("rf", model_1), ("lr", model_2), ("knn", model_4)],
    voting="hard",
)

# training
final_model.fit(X_train, y_train)

# prediction
prediction = final_model.predict(X_test)

# evaluation
accuracy = round(accuracy_score(y_test, prediction) * 100, 3)
auc = round(roc_auc_score(y_test, prediction), 3)

print(f" Accuracy: {accuracy}%")
print(f" AUC score: {auc}")
 Accuracy: 90.164%
 AUC score: 0.89

正如我们所看到的,**我们得到了比简单平均更好的结果。 **

三、堆叠

堆叠 通过元模型(元分类器或元回归)组合多个基本模型。

基础模型在完整数据集上进行训练。元模型根据基础模型(输出)的特征进行训练。

基本模型和元模型通常是不同的。

**简而言之,元模型帮助基础模型找到有用的特征以实现高性能。 **

在示例中,我们将**使用 RandomForestClassifier、LogisticRegression 和 AdaBoost 分类器作为基础模型(估计器)和 GradientBoosting 分类器作为元模型(final_estimator)。 **

from sklearn.ensemble import StackingClassifier
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier
from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier

# building the model
model_5 = AdaBoostClassifier(random_state=seed)

estimators = [("rf", model_1), ("lr", model_2), ("ada", model_5)]

# building the model
final_estimator = GradientBoostingClassifier(random_state=seed)

# Stacking Classifier
clf = StackingClassifier(estimators=estimators, final_estimator=final_estimator)

# training
clf.fit(X_train, y_train)

# prediction
prediction = clf.predict(X_test)

# evaluation
accuracy = round(accuracy_score(y_test, prediction) * 100, 3)
auc = round(roc_auc_score(y_test, prediction), 3)

print(f" Accuracy: {accuracy}%")
print(f" AUC score: {auc}")
 Accuracy: 83.607%
 AUC score: 0.837

可以看到,堆叠模型并没有产生更好的结果。

四、Bagging

Bagging 是一种提高机器学习模型稳定性和准确性的集成方法。

它用于最小化方差和过拟合。一般应用于决策树方法。

Bagging 随机创建训练数据的子集,以获得整个数据集的公平分布并在其上训练模型。

**通过组合来自基本模型的所有输出来创建最终输出。 **

在我们的例子中,我们将使用一种模型并在各种训练数据子集上对其进行训练。

在示例中,我们使用 Scikit-learn 的 BaggingClassifier 并利用 Logistic 回归作为基本估计器。

from sklearn.ensemble import BaggingClassifier

# bagging
clf = BaggingClassifier(
    LogisticRegression(random_state=seed, max_iter=2000),
    n_estimators=20,
    random_state=seed,
)

# training
clf.fit(X_train, y_train)

# prediction
prediction = clf.predict(X_test)

# evaluation
accuracy = round(accuracy_score(y_test, prediction) * 100, 3)
auc = round(roc_auc_score(y_test, prediction), 3)

print(f" Accuracy: {accuracy}%")
print(f" AUC score: {auc}")

 Accuracy: 90.164%
 AUC score: 0.89

Bagging 算法产生了最好和可靠的结果。

五、Boosting

**Boosting 结合弱分类器来创建一个强分类器。它减少了偏差并提高了单个模型的性能。 **

你可以通过连续训练弱分类器来获得高性能。

第一个模型在训练数据上进行训练,然后对第二个模型进行训练以纠正第一个模型中存在的错误。

它是一种迭代算法,根据之前的模型调整权重。

在示例中,我们将使用 AdaBoost 分类器。

# boosting
clf = AdaBoostClassifier(random_state=seed)

# training
clf.fit(X_train, y_train)

# prediction
prediction = clf.predict(X_test)

# evaluation
accuracy = round(accuracy_score(y_test, prediction) * 100, 3)
auc = round(roc_auc_score(y_test, prediction), 3)

print(f" Accuracy: {accuracy}%")
print(f" AUC score: {auc}")
 Accuracy: 80.328%
 AUC score: 0.804