14款机器学习加权平均模型融合的火花

来源：素质云笔记

模型融合的方法很多，Voting、Averaging、Bagging 、Boosting、 Stacking，那么一些kaggle比赛中选手会选用各种方法进行融合，其中岭回归就是一类轻巧且非常有效的方法，当然现在还有很多更有逼格的方法。本文是受快照集成的启发，把 titu1994/Snapshot-Ensembles 项目中，比较有意思的加权平均集成的内容抽取出来，单独应用。

练习案例简单易懂，无需外部调用数据，

code更新于：https://github.com/mattzheng/WA-ModelEnsemble

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1 快照集成 Snapshot Ensembles

因为受其启发，所以在这提一下，快照集成是一种无需额外训练代价的多神经网络集成方法。 通过使单个神经网络沿它的优化路径进行多个局部最小化，保存模型参数。 利用多重学习速率退火循环实现了重复的快速收敛。

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比较有意思的做法

作者在训练相同网络时使用权重快照，在训练结束后用这些结构相同但权重不同的模型创建一个集成模型。这种方法使测试集效果提升，而且这也是一种非常简单的方法，因为你只需要训练一次模型，将每一时刻的权重保存下来就可以了。

也就是，同一款模型，在学习率稍微调高，训练中得到的不同阶段的模型文件都保存并拿来做最后的模型融合。

长学习率循环的思想 在于能够在权重空间找到足够多不同的模型。如果模型相似度太高，集合中各网络的预测就会太接近，而体现不出集成带来的好处.

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权重的解决方案

对于一个给定的网络结构，每一种不同的权重组合将得到不同的模型。因为所有模型结构都有无限多种权重组合，所以将有无限多种组合方法。

训练神经网络的目标是找到一个特别的解决方案（权重空间中的点），从而使训练集和测试集上的损失函数的值达到很小。

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相关实现：cifar100 图像分类任务

可参考项目：titu1994/Snapshot-Ensembles 该项目用keras1.1 做了cifar_10、cifar_100两套练习，使用的是比较有意思的图像框架： Wide Residual Net (16-4)。作者已经预先给定了5款训练快照，拿着5套模型的预测结果做模型集成，使使训练集和测试集上的损失函数的值达到很小。

2、14款常规机器学习模型

sklearn官方案例中就有非常多的机器学习算法示例，本着实验的精神笔者借鉴了其中几个。

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特征重要性

在本次10+机器学习案例之中，可以看到，可以输出重要性的模型有：

• 随机森林 rf.feature_importances_
• GBT grd.feature_importances_
• Decision Tree decision.feature_importances_
• AdaBoost AdaBoost.feature_importances_

可以计算系数的有：线性模型，lm.coef_ 、 SVM svm.coef_

Naive Bayes得到的是：NaiveBayes.sigma_

解释为：variance of each feature per class

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机器学习算法输出

算法输出主要有：重要指标（本案例中提到的是acc/recall）、ROC值的计算与plot、校准曲线（Calibration curves）

Calibration curves may also be referred to as reliability diagrams.

3、权重空间优化 Optimize

主要是从titu1994/Snapshot-Ensembles抽取出来的。简单看看逻辑:

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简述权重空间优化逻辑

先定义loss函数：log_loss(testY_cat, final_prediction)

testY_cat为正确预测标签， final_prediction为多款模型预测概率组合。

迭代策略：minimize(log_loss_func, prediction_weights, method='SLSQP')

SciPy的optimize模块提供了许多数值优化算法，minimize就是其中一种。

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实践

具体code笔者会上传至笔者的github之上了。 步骤为：

• 1、随机准备数据make_classification
• 2、两套模型的训练与基本信息准备
• 3、观察14套模型的准确率与召回率
• 4、刻画14套模型的calibration plots校准曲线
• 5、14套模型的重要性输出
• 6、14套模型的ROC值计算与plot
• 7、加权模型融合数据准备
• 8、基准优化策略：14套模型融合——平均
• 9、加权平均优化策略：14套模型融合——加权平均优化

可以观察到基准优化策略：14套模型融合——平均的结果为：

>>> Accuracy : 79.7

>>> Recall : 0.7043390514631686

弱分类器的性能拉低了整个集成模型的结论。

加权平均优化策略：14套模型融合——加权平均优化

>>> Best Accuracy : 90.4

>>> Best Weights : [1.57919854e-02 2.25437178e-02 1.60078948e-01 1.37993631e-01 1.60363024e-03 1.91105368e-01 2.34578651e-02 1.24696769e-02 3.18793907e-03 1.29753377e-02 1.12151337e-01 7.62845967e-04 3.05643629e-01 2.34089531e-04]

>>> Accuracy : 90.4

>>> Recall : 0.9112008072653885

在迭代了20次之后，通过加权求得的综合预测水平，要高于平均水平很多。不过，跟一些比较出众的机器学习模型差异不大。