《机器学习》学习笔记（七）——集成学习

荣仔_最靓的仔

发布于 2021-02-02 17:48:32

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发布于 2021-02-02 17:48:32

机器学习(Machine Learning)是一门多学科交叉专业，涵盖概率论知识，统计学知识以及复杂算法知识，使用计算机作为工具并致力于真实实时的模拟人类学习方式，并将现有内容进行知识结构划分来有效提高学习效率。本专栏将以学习笔记形式对《机器学习》的重点基础知识进行总结整理，欢迎大家一起学习交流！ 专栏链接：《机器学习》学习笔记

个体与集成

集成学习(ensemble learning)通过构建并结合多个学习器来提升性能。

考虑一个简单的例子，在二分类问题中，假定3个分类器在三个样本中的表现如下图所示，其中√ 表示分类正确，X 号表示分类错误，集成的结果通过投票产生。

集成个体应：好而不同

考虑二分类问题，假设基分类器的错误率为：

假设继承通过简单投票法结合T个分类器，若有超过半数的基分类器正确则分类就正确

假设基分类器的错误率相互独立，则由Hoeffding不等式可得集成的错误率为：

上式显示，在一定条件下，随着集成分类器数目的增加，集成得到错误率将指数级下降，最终趋向于0.

上面的分析有一个关键假设：基学习器的误差相互独立
现实任务中，个体学习器是为解决同一个问题训练出来的，显然不可能互相独立
事实上，个体学习器的“准确性”和“多样性”本身就存在冲突
如何产生“好而不同”的个体学习器是集成学习研究的核心
集成学习大致可分为两大类：Boosting 和 Adaboost

Boosting

个体学习器存在强依赖关系
串行生成
每次调整训练数据的样本分布

Boosting算法

Adaboost

AdaBoost算法

AdaBoost，是英文“Adaptive Boosting”（自适应增强）的缩写，由Yoav Freund和Robert Schapire在1995年提出。Adaboost是一种迭代算法，其核心思想是针对同一个训练集训练不同的分类器(弱分类器)，然后把这些Adaboost弱分类器集合起来，构成一个更强的最终分类器(强分类器)。其算法本身是通过改变数据分布来实现的，它根据每次训练集之中每个样本的分类是否正确，以及上次的总体分类的准确率，来确定每个样本的权值。将修改过权值的新数据集送给下层分类器进行训练，最后将每次训练得到的分类器最后融合起来，作为最后的决策分类器。使用adaboost分类器可以排除一些不必要的训练数据特征，并将关键放在关键的训练数据上面。

目前，对adaBoost算法的研究以及应用大多集中于分类问题，同时近年也出现了一些在回归问题上的应用。就其应用adaBoost系列主要解决了: 两类问题、多类单标签问题、多类多标签问题、大类单标签问题，回归问题。它用全部的训练样本进行学习。

该算法其实是一个简单的弱分类算法提升过程，这个过程通过不断的训练，可以提高对数据的分类能力。整个过程如下所示：

先通过对N个训练样本的学习得到第一个弱分类器；
将分错的样本和其他的新数据一起构成一个新的N个的训练样本，通过对这个样本的学习得到第二个弱分类器；
将1和2都分错了的样本加上其他的新样本构成另一个新的N个的训练样本，通过对这个样本的学习得到第三个弱分类器；
最终经过提升的强分类器。即某个数据被分为哪一类要通过， ……的多数表决。

Adaboost的自适应在于：前一个基本分类器分错的样本会得到加强，加权后的全体样本再次被用来训练下一个基本分类器。同时，在每一轮中加入一个新的弱分类器，直到达到某个预定的足够小的错误率或达到预先指定的最大迭代次数。

具体说来，整个Adaboost 迭代算法就3步：

初始化训练数据的权值分布。如果有N个样本，则每一个训练样本最开始时都被赋予相同的权重：1/N。
训练弱分类器。具体训练过程中，如果某个样本点已经被准确地分类，那么在构造下一个训练集中，它的权重就被降低；相反，如果某个样本点没有被准确地分类，那么它的权重就得到提高。然后，权重更新过的样本集被用于训练下一个分类器，整个训练过程如此迭代地进行下去。
将各个训练得到的弱分类器组合成强分类器。各个弱分类器的训练过程结束后，加大分类误差率小的弱分类器的权重，使其在最终的分类函数中起着较大的决定作用，而降低分类误差率大的弱分类器的权重，使其在最终的分类函数中起着较小的决定作用。换言之，误差率低的弱分类器在最终分类器中占的权重较大，否则较小。

Adaboost的算法流程

对于这个算法需要介绍的是：

算法开始前，需要将每个样本的权重初始化为1/m,这样一开始每个样本都是等概率的分布，每个分类器都会公正对待。
开始迭代后，需要计算每个弱分类器的分类错误的误差，误差等于各个分错样本的权重和，这里就体现了样本权重的作用。如果一个分类器正确分类了一个权重大的样本，那么这个分类器的误差就会小，否则就会大。这样就对分类错误的样本更大的关注。
获取最优分类器后，需要计算这个分类器的权重，然后再更新各个样本的权重，然后再归一化。
算法迭代的次数一般不超过弱分类器的个数，如果弱分类器的个数非常之多，那么可以权衡自己性价比来折中选择。
迭代完成后，最后的分类器是由迭代过程中选择的弱分类器线性加权得到的。

Adaboost的例子

求解过程：

初始化训练数据的权值分布，令每个权值W1i = 1/N = 0.1，其中，N = 10，i = 1,2, ..., 10，然后分别对于m = 1,2,3, ...等值进行迭代。
拿到这10个数据的训练样本后，根据 X 和 Y 的对应关系，要把这10个数据分为两类，一类是“1”，一类是“-1”，根据数据的特点发现：“0 1 2”这3个数据对应的类是“1”，“3 4 5”这3个数据对应的类是“-1”，“6 7 8”这3个数据对应的类是“1”，9是比较孤独的，对应类“-1”。
抛开孤独的9不讲，“0 1 2”、“3 4 5”、“6 7 8”这是3类不同的数据，分别对应的类是1、-1、1，直观上推测可知，可以找到对应的数据分界点，比如2.5、5.5、8.5 将那几类数据分成两类。当然，这只是主观臆测，下面实际计算下这个过程。

解：初始化数据权值分布

D_{1}=(\omega _{11},\omega _{12},...,\omega _{110})

对

, 在权值分布为

的训练数据上，阈值v取2.5时分类误差率最低，故基本分类器为

G_{1}(x)=\left\{\begin{matrix} 1,x<2.5\\ -1,x>2.5 \end{matrix}\right.

对于m=1，在权值分布为D1（10个数据，每个数据的权值皆初始化为0.1）的训练数据上，经过计算可得：阈值v取2.5时误差率为0.3（x < 2.5时取1，x > 2.5时取-1，则6 7 8分错，误差率为0.3）阈值v取5.5时误差率最低为0.4（x < 5.5时取1，x > 5.5时取-1，则3 4 5 6 7 8皆分错，误差率0.6大于0.5，不可取。故令x > 5.5时取1，x < 5.5时取-1，则0 1 2 9分错，误差率为0.4）阈值v取8.5时误差率为0.3（x < 8.5时取1，x > 8.5时取-1，则3 4 5分错，误差率为0.3）。所以无论阈值v取2.5，还是8.5，总得分错3个样本，故可任取其中任意一个如2.5，弄成第一个基本分类器为：上面说阈值v取2.5时则6 7 8分错，所以误差率为0.3，更加详细的解释是：因为样本集中 : 0 1 2对应的类（Y）是1，因它们本身都小于2.5，所以被G1(x)分在了相应的类“1”中，分对了。 3 4 5本身对应的类（Y）是-1，因它们本身都大于2.5，所以被G1(x)分在了相应的类“-1”中，分对了。但6 7 8本身对应类（Y）是1，却因它们本身大于2.5而被G1(x)分在了类"-1"中，所以这3个样本被分错了。 9本身对应的类（Y）是-1，因它本身大于2.5，所以被G1(x)分在了相应的类“-1”中，分对了。从而得到G1(x)在训练数据集上的误差率（被G1(x)误分类样本“6 7 8”的权值之和）e1=P(G1(xi)≠yi) = 3*0.1 = 0.3。然后根据误差率e1计算G1对的系数：

\alpha _{1}=\frac{1}{2}log\frac{1-e_{1}}{e_{1}}=0.4236

这个a1代表G1(x)在最终的分类函数中所占的权重，为0.4236.接着更新徐念数据的权值分布，用于下一轮你迭代：

值得一提的是，由权值更新的公式可知，每个样本的新权值是变大还是变小，取决于它是被分错还是被分正确。即如果某个样本被分错了，则yi * Gm(xi)为负，负负等正，结果使得整个式子变大（样本权值变大），否则变小。第一轮迭代后,最后得到各个数据新的权值分布D2 = (0.0715, 0.0715, 0.0715, 0.0715, 0.0715, 0.0715, 0.1666, 0.1666, 0.1666, 0.0715)。由此可以看出，因为样本中是数据“6 7 8”被G1(x)分错了，所以它们的权值由之前的0.1增大到0.1666，反之，其它数据皆被分正确，所以它们的权值皆由之前的0.1减小到0.0715。分类函数f1(x)= a1*G1(x) = 0.4236G1(x)。此时，得到的第一个基本分类器sign(f1(x))在训练数据集上有3个误分类点（即6 7 8）。从上述第一轮的整个迭代过程可以看出：被误分类样本的权值之和影响误差率，误差率影响基本分类器在最终分类器中所占的权重。迭代过程2: 对于m=2，在权值分布为D2 = (0.0715, 0.0715, 0.0715, 0.0715, 0.0715, 0.0715, 0.1666, 0.1666, 0.1666, 0.0715)的训练数据上，经过计算可得：阈值v取2.5时误差率为0.1666*3（x < 2.5时取1，x > 2.5时取-1，则6 7 8分错，误差率为0.1666*3），阈值v取5.5时误差率最低为0.0715*4（x > 5.5时取1，x < 5.5时取-1，则0 1 2 9分错，误差率为0.0715*3 + 0.0715），阈值v取8.5时误差率为0.0715*3（x < 8.5时取1，x > 8.5时取-1，则3 4 5分错，误差率为0.0715*3）。