「強基固本，行穩致遠」，科學研究離不開理論基礎，人工智能學科更是需要數學、物理、神經科學等基礎學科提供有力支撐，為了緊扣時代脈搏，我們推出「強基固本」專欄，講解AI領域的基礎知識，為你的科研學習提供助力，夯實理論基礎，提升原始創新能力，敬請關注。
來源：偶數科技
我們在生活中做出的許多決定都是基於其他人的意見，而通常情況下由一群人做出的決策比由該群體中的任何一個成員做出的決策會產生更好的結果，這被稱為群體的智慧。集成學習（Ensemble Learning）類似於這種思想，集成學習結合了來自多個模型的預測，旨在比集成該學習器的任何成員表現得更好，從而提升預測性能（模型的準確率），預測性能也是許多分類和回歸問題的最重要的關注點。
集成學習（Ensemble Learning）是將若干個弱分類器（也可以是回歸器）組合從而產生一個新的分類器。（弱分類器是指分類準確率略好於隨機猜想的分類器，即error rate < 0.5)。
集成機器學習涉及結合來自多個熟練模型的預測，該算法的成功在於保證弱分類器的多樣性。而且集成不穩定的算法也能夠得到一個比較明顯的性能提升。集成學習是一種思想。當預測建模項目的最佳性能是最重要的結果時，集成學習方法很受歡迎，通常是首選技術。
01
(1)性能更好：與任何單個模型的貢獻相比，集成可以做出更好的預測並獲得更好的性能；
(2)魯棒性更強：集成減少了預測和模型性能的傳播或分散，平滑了模型的預期性能。
(3)更加合理的邊界：弱分類器間存在一定差異性，導致分類的邊界不同。多個弱分類器合併後，就可以得到更加合理的邊界，減少整體的錯誤率，實現更好的效果；
(4)適應不同樣本體量：對於樣本的過大或者過小，可分別進行劃分和有放回的操作產生不同的樣本子集，再使用樣本子集訓練不同的分類器，最後進行合併；
(5)易於融合：對於多個異構特徵數據集，很難進行融合，可以對每個數據集進行建模，再進行模型融合。
02
機器學習模型產生的錯誤通常用兩個屬性來描述：偏差和方差。
偏差是衡量模型可以捕獲輸入和輸出之間的映射函數的接近程度。它捕獲了模型的剛性：模型對輸入和輸出之間映射的函數形式的假設強度。
模型的方差是模型在擬合不同訓練數據時的性能變化量。它捕獲數據的細節對模型的影響。
理想情況下，我們更喜歡低偏差和低方差的模型，事實上，這也是針對給定的預測建模問題應用機器學習的目標。模型性能的偏差和方差是相關的，減少偏差通常可以通過增加方差來輕鬆實現。相反，通過增加偏差可以很容易地減少方差。
與單個預測模型相比，集成用在預測建模問題上實現更好的預測性能。實現這一點的方式可以理解為模型通過添加偏差來減少預測誤差的方差分量（即權衡偏差-方差的情況下）。
03
Bagging又稱自舉匯聚法（Bootstrap Aggregating），涉及在同一數據集的不同樣本上擬合許多學習器並對預測進行平均，通過改變訓練數據來尋找多樣化的集成成員。
Bagging思想就是在原始數據集上通過有放回的抽樣，重新選擇出N個新數據集來分別訓練N個分類器的集成技術。模型訓練數據中允許存在重複數據。
使用Bagging方法訓練出來的模型在預測新樣本分類的時候，會使用多數投票或者取平均值的策略來統計最終的分類結果。
基於Bagging的弱學習器（分類器/回歸器）可以是基本的算法模型，如Linear、Ridge、Lasso、Logistic、Softmax、ID3、C4.5、CART、SVM、KNN、Naive Bayes等。
04
隨機森林算法原理
隨機森林是在Bagging策略的基礎上進行修改後的一種算法，方法如下：
(1)使用Bootstrap策略從樣本集中進行數據採樣；
(2)從所有特徵中隨機選擇K個特徵，構建正常決策樹；
(3)重複1，2多次，構建多棵決策樹；
(4)集成多棵決策樹，形成隨機森林，通過投票表決或取平均值對數據進行決策。
隨機森林OOB Error
在隨機森林中可以發現Bootstrap採樣每次約有1/3的樣本不會出現在Bootstrap所採樣的樣本集合中，當然也沒有參加決策樹的建立，而這部分數據稱之為袋外數據OOB（out of bag),它可以用於取代測試集誤差估計方法。
對於已經生成的隨機森林，用袋外數據測試其性能，假設袋外數據總數為O，用這O個袋外數據作為輸入，帶進之前已經生成的隨機森林分類器，分類器會給出O個數據相應的分類，因為這O條數據的類型是已知的，則用正確的分類與隨機森林分類器的結果進行比較，統計隨機森林分類器分類錯誤的數目，設為X，則袋外數據誤差大小為X/O。
優點：這已經經過證明是無偏估計的，所以在隨機森林算法中不需要再進行交叉驗證或者單獨的測試集來獲取測試集誤差的無偏估計。
缺點：當數據量較小時，Bootstrap採樣產生的數據集改變了初始數據集的分布，這會引入估計偏差。
05
RF算法在實際應用中具有比較好的特性，應用也比較廣泛，主要應用在：分類、歸回、特徵轉換、異常點檢測等。以下為常見的RF變種算法：
·Extra Trees(ET)
·Totally Random Trees Embedding (TRTE)
·Isolation Forest (IForest)
Extra Trees(ET)
Extra-Trees（Extremely randomized trees，極端隨機樹）是由Pierre Geurts等人於2006年提出。是RF的一個變種，原理基本和RF一樣。但該算法與隨機森林有兩點主要的區別：
(1)隨機森林會使用Bootstrap進行隨機採樣，作為子決策樹的訓練集，應用的是Bagging模型；而ET使用所有的訓練樣本對每棵子樹進行訓練，也就是ET的每個子決策樹採用原始樣本訓練；
(2)隨機森林在選擇劃分特徵點的時候會和傳統決策樹一樣（基於信息增益、信息增益率、基尼係數、均方差等），而ET是完全隨機的選擇劃分特徵來劃分決策樹。
對於某棵決策樹，由於它的最佳劃分特徵是隨機選擇的，因此它的預測結果往往是不準確的，但是多棵決策樹組合在一起，就可以達到很好的預測效果。
當ET構建完成，我們也可以應用全部訓練樣本得到該ET的誤差。因為儘管構建決策樹和預測應用的都是同一個訓練樣本集，但由於最佳劃分屬性是隨機選擇的，所以我們仍然會得到完全不同的預測結果，用該預測結果就可以與樣本的真實響應值比較，從而得到預測誤差。如果與隨機森林相類比的話，在ET中，全部訓練樣本都是OOB樣本，所以計算ET的預測誤差，也就是計算這個OOB誤差。
由於Extra Trees是隨機選擇特徵值的劃分點，會導致決策樹的規模一般大於RF所生成的決策樹。也就是說Extra Trees模型的方差相對於RF進一步減少。在某些情況下，ET具有比隨機森林更強的泛化能力。
Totally Random Trees Embedding(TRTE)
TRTE是一種非監督學習的數據轉化方式。它將低維的數據映射到高維，從而讓映射到高維的數據更好的應用於分類回歸模型。
TRTE算法的轉換過程類似RF算法的方法，建立T個決策樹來擬合數據。當決策樹構建完成後，數據集裡的每個數據在T個決策子樹中葉子節點的位置就定下來了，將位置信息轉換為向量就完成了特徵轉換操作。
例如，有3棵決策樹，每棵決策樹有5個葉子節點，某個數據特徵x劃分到第一個決策樹的第3個葉子節點，第二個決策樹的第1個葉子節點，第三個決策樹的第5個葉子節點。則x映射後的特徵編碼為（0,0,1,0,0 1,0,0,0,00,0,0,0,1),有15維的高維特徵。特徵映射到高維之後，就可以進一步進行監督學習。
Isolation Forest(IForest)
IForest是一種異常點檢測算法，使用類似RF的方式來檢測異常點；IForest算法和RF算法的區別在於：
(1)在隨機採樣的過程中，一般只需要少量數據即可；
(2)在進行決策樹構建過程中，IForest算法會隨機選擇一個劃分特徵，並對劃分特徵隨機選擇一個劃分閾值；
(3) IForest算法構建的決策樹一般深度max_depth是比較小的。
IForest的目的是異常點檢測，所以只要能夠區分異常數據即可，不需要大量數據；另外在異常點檢測的過程中，一般不需要太大規模的決策樹。
對於異常點的判斷，則是將測試樣本x擬合到T棵決策樹上。計算在每棵樹上該樣本的葉子結點的深度ht(x)。從而計算出平均深度h(x)；然後就可以使用下列公式計算樣本點x的異常概率值，p(s,m)的取值範圍為[0,1]，越接近於1，則是異常點的概率越大。
m為樣本個數，ξ為歐拉常數
06
本期AI小課堂我們一起了解了Bagging思想及其原理，以及基於Bagging的隨機森林相關知識。最後，讓我們一起總結下隨機森林的優缺點：
優點
(1)訓練可以並行化，對於大規模樣本的訓練具有速度的優勢；
(2)由於進行隨機選擇決策樹劃分特徵列表，這樣在樣本維度比較高的時候，仍然具有比較好的訓練性能；
(3)由於存在隨機抽樣，訓練出來的模型方差小，泛化能力強；
(4)實現簡單；
(5)對於部分特徵缺失不敏感；
(6)可以衡量特徵的重要性。
缺點
(1)在某些噪聲比較大的特徵上，易過擬合；
(2)取值比較多的劃分特徵對RF的決策會產生更大的影響，從而有可能影響模型的效果。
「強基固本」歷史文章
分享、點讚、在看，給個三連擊唄！
留言列表