R统计实战：详解机器学习Adaboost的操作步骤与应用

news2024/12/23 10:35:37

一、引言

机器学习是人工智能的核心领域之一，其重要性体现在其能够从数据中自动学习并改进的能力上。在实际问题中，机器学习已经被广泛应用于各个领域，包括但不限于金融、医疗、电子商务、社交网络等。例如，在金融领域，机器学习被用于风险评估、交易预测等；在医疗领域，机器学习可用于疾病诊断、药物研发等。这些应用不仅提高了工作效率，还为决策提供了数据支持，促进了各行业的发展与进步。

本文将探讨两个在机器学习领域中备受关注的主题：Adaboost。Adaboost是一种集成学习算法，通过组合多个弱分类器来构建一个强分类器，具有很高的预测准确性和泛化能力。本文旨在帮助读者更好地理解和应用机器学习技术，从而在实际问题中取得更好的应用效果。

二、Adaboost算法的介绍

2.1 Adaboost基本原理和工作方式

Adaboost（Adaptive Boosting）是一种集成学习算法，通过串行训练多个弱分类器并将它们组合成一个强分类器。其基本原理如下：

初始化权重：给每个训练样本赋予相等的权重
迭代训练：对于每一轮迭代：
- 使用当前样本权重训练一个弱分类器（例如，决策树、支持向量机等）
- 计算弱分类器的错误率以及其在总体分类中的权重
- 更新样本权重，增加被错误分类的样本的权重，减少被正确分类的样本的权重
组合弱分类器：根据每个弱分类器的权重，将它们组合成一个强分类器。
输出结果：通过组合的强分类器进行预测。

Adaboost的核心思想是每一轮迭代都关注被前一轮分类错误的样本，通过提高它们的权重来改进分类器。这种逐步迭代的方式能够聚焦于难以分类的样本，最终构建出一个在整个数据集上表现很好的强分类器。

2.2 Adaboost的优缺点以及适用场景

「优点」：
- Adaboost能够在相对简单的弱分类器基础上构建出高准确率的强分类器。
- 对于处理大量数据集和高维特征的问题，Adaboost表现出色。
- 由于每个弱分类器的权重与其性能相关，Adaboost对于异常值和噪声数据具有一定的鲁棒性。
「缺点」：
- Adaboost对噪声数据和过拟合敏感，容易受到异常值的影响。
- 对于数据分布不均匀或存在类别不平衡的情况，Adaboost的效果可能不佳。
- 训练过程中每一轮都需要重新计算样本权重，计算量较大。
「适用场景」：
- 二分类或多分类问题中，适用于处理大规模数据集和高维特征。
- 数据集相对均匀，类别平衡或能够通过数据重采样等方式处理类别不平衡问题时。
- 适用于需要较高分类准确率的应用场景，如人脸识别、文本分类等。

Adaboost是一种强大的分类器，但在实际应用中需要考虑数据质量、异常值处理等因素，以充分发挥其优势。

三、Adaboost操作步骤

数据准备
- 加载数据集
- 数据预处理和特征工程
模型训练
- 使用adabag包中的adaboost函数训练Adaboost模型
- 设置参数并进行模型训练
模型评估
- 对模型进行交叉验证或者使用测试集进行评估
- 分析模型的性能指标，如准确率、召回率等
模型优化与调参
- 调整参数以优化模型性能
- 使用网格搜索或其他方法进行参数调优

四、示例演示

「数据集准备」

library(survival)
head(gbsg)

结果展示：

   pid age meno size grade nodes pgr er hormon rfstime status
1  132  49    0   18     2     2   0  0      0    1838      0
2 1575  55    1   20     3    16   0  0      0     403      1
3 1140  56    1   40     3     3   0  0      0    1603      0
4  769  45    0   25     3     1   0  4      0     177      0
5  130  65    1   30     2     5   0 36      1    1855      0
6 1642  48    0   52     2    11   0  0      0     842      1

「示例数据集介绍」

> str(gbsg)
'data.frame':   686 obs. of  10 variables:
 $ age    : int  49 55 56 45 65 48 48 37 67 45 ...
 $ meno   : int  0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 ...
 $ size   : int  18 20 40 25 30 52 21 20 20 30 ...
 $ grade  : int  2 3 3 3 2 2 3 2 2 2 ...
 $ nodes  : int  2 16 3 1 5 11 8 9 1 1 ...
 $ pgr    : int  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
 $ er     : int  0 0 0 4 36 0 0 0 0 0 ...
 $ hormon : int  0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 ...
 $ rfstime: int  1838 403 1603 177 1855 842 293 42 564 1093 ...
 $ status : Factor w/ 2 levels "0","1": 1 2 1 1 1 2 2 1 2 2 ...

age：患者年龄
meno：更年期状态（0表示未更年期，1表示已更年期）
size：肿瘤大小
grade：肿瘤分级
nodes：受累淋巴结数量
pgr：孕激素受体表达水平
er：雌激素受体表达水平
hormon：激素治疗（0表示否，1表示是）
rfstime：复发或死亡时间（以天为单位）
status：事件状态（0表示被截尾，1表示事件发生）

「划分训练集和测试集」

# 划分训练集和测试集
data <- gbsg[,c(-1)]

library(h2o)

h2o.init()
# 转换成h2o需要的数据格式
data <- as.h2o(data)
data$status <- h2o.asfactor(data$status)
data$meno <- h2o.asfactor(data$meno)
data$grade <- h2o.asfactor(data$grade)
data$hormon <- h2o.asfactor(data$hormon)

y <- "status"
x <- setdiff(names(data),y)

# 划分数据集为训练集和测试集
splits <- h2o.splitFrame(data, ratios = c(0.65, 0.3), seed = 123)
train <- splits[[1]]
test <- splits[[2]]

「模型拟合」

adaboost_model <- h2o.adaBoost(nlearners=50,
                               learn_rate = 0.5,
                               weak_learner = "DRF",
                               x = x,
                               y = y,
                               training_frame = train)
# 预测
pred <- h2o.predict(adaboost_model, train)

结果展示：

> h2o.predict(adaboost_model, train)
|===================================================================| 100%
  predict        p0        p1
1       0 0.8945913 0.1054087
2       1 0.1208220 0.8791780
3       0 0.6866856 0.3133144
4       0 0.7532780 0.2467220
5       1 0.1807224 0.8192776
6       1 0.2444292 0.7555708

[434 rows x 3 columns]

「模型评估」

perf <- h2o.performance(adaboost_model, test)
perf

h2o.auc(perf)
plot(perf)

结果展示：

H2OBinomialMetrics: adaboost

MSE:  0.2061091
RMSE:  0.4539924
LogLoss:  0.6077034
Mean Per-Class Error:  0.2895257
AUC:  0.7400362
AUCPR:  0.6404273
Gini:  0.4800725

Confusion Matrix (vertical: actual; across: predicted) for F1-optimal threshold:
         0   1    Error     Rate
0       90  42 0.318182  =42/132
1       24  68 0.260870   =24/92
Totals 114 110 0.294643  =66/224

Maximum Metrics: Maximum metrics at their respective thresholds
                        metric threshold      value idx
1                       max f1  0.349462   0.673267  92
2                       max f2  0.072062   0.798246 174
3                 max f0point5  0.465848   0.651709  79
4                 max accuracy  0.465848   0.714286  79
5                max precision  0.951895   1.000000   0
6                   max recall  0.039011   1.000000 189
7              max specificity  0.951895   1.000000   0
8             max absolute_mcc  0.349462   0.414249  92
9   max min_per_class_accuracy  0.385054   0.695652  86
10 max mean_per_class_accuracy  0.349462   0.710474  92
11                     max tns  0.951895 132.000000   0
12                     max fns  0.951895  91.000000   0
13                     max fps  0.022880 132.000000 194
14                     max tps  0.039011  92.000000 189
15                     max tnr  0.951895   1.000000   0
16                     max fnr  0.951895   0.989130   0
17                     max fpr  0.022880   1.000000 194
18                     max tpr  0.039011   1.000000 189

Gains/Lift Table: Extract with `h2o.gainsLift(<model>, <data>)` or `h2o.gainsLift(<model>, valid=<T/F>, xval=<T/F>)`