机器学习：梯度提升树（GBDT）——基于决策树的树形模型

news2024/11/24 17:41:12

梯度提升树（Gradient Boosting Decision Trees，GBDT）是一种强大的机器学习方法，广泛用于回归和分类任务。它通过构建一系列决策树来优化模型的预测能力，基于梯度提升框架，使得每一棵树都试图纠正前一棵树的错误。

注：文章中的 x = （f1，f2，...，fn）是一个特征向量，fn 为 x 的一个特征。

GBDT基本原理

GBDT 的基本思想是：GBDT通过一棵棵新增的树来修正前面模型的误差。在每一轮迭代中，GBDT会构建一棵新树，这棵树的作用是拟合当前模型在训练数据上的残差（即预测值和真实值之间的误差），逐步改进模型的预测能力。它是一个集成学习方法，采用了“加法模型”和“梯度下降”思想。

1、加法模型

GBDT 是一种加法模型，即每一轮迭代都会新增一棵决策树，通过将新的树加到现有模型 F(x)中来改善预测。假设我们要构建的模型为 F(x)，每一轮迭代的目标是通过拟合残差来更新模型。

2、构建初始模型

对于分类问题（以二分类问题为例），初始模型为对数几率：

$F(x) = {F_{0}}(x) = log(\frac{p}{1-p})$

其中p为样本中类别1的概率。

对于回归问题，初始模型一般为训练集目标值的均值：

$F(x) = {F_{0}}(x) = \frac{1}{N}\sum yi$

3、GBDT迭代过程

3.1 假设模型的预测值（即所求模型，待优化）为：

上述说的步长γM是一个学习率，控制树的贡献大小，通常通过交叉验证等方法选择合适的值。

3.3 目标损失函数L

对于回归任务，常用的损失函数是均方误差（MSE）:

对于二分类任务，常用的损失函数是对数损失函数：

对于多分类任务，常用的损失函数是交叉熵损失函数：

3.4 计算梯度

计算负梯度：在第 M 轮迭代时，计算损失函数L相对于 ${F_{M-1}}(x)$ 预测值的负梯度（即求损失函数在xi处的一阶导数值，再取负）。

（以MSE损失函数为例）对于样本i，负梯度 ${g_{i}}^{(m)}$ 计算公式为：

3.5 训练新树拟合误差（负梯度）

每一轮迭代的目标是训练一棵决策树 $h_{M}(x)$ ，使这棵决策树的预测值尽可能接近模型 ${F_{M-1}}(x)$ 的误差（或者叫残差）。 ${F_{M-1}}(x)$ 加上这一近似误差，就修正了部分 ${F_{M-1}}(x)$ 预测的误差，得到了预测误差更小的模型 ${F_{M}}$ （对照3.1的公式）。这是一个重复M次迭代的过程。

上面的论述中，为什么要 ${F_{M-1}}(x)$ 加上这一近似误差，而不是减呢？我们往下看。
讲一下梯度下降思想：沿负梯度方向修正误差

GBDT优化的核心思想之一是梯度下降。在每一轮迭代中，我们希望模型能沿着损失函数的负梯度方向进行优化。梯度等同于模型的误差或残差。这么理解，损失函数的损失方向是正方向，那么其反方向就是修正损失的方向，再俗一点讲，修正误差就是误差（梯度）的相反数，修正误差就是损失函数的负梯度。因此， ${F_{M-1}}(x)$ 加上的误差，实际上应该是加上误差的相反数（即负梯度或修正误差），要用加号。

那怎么训练这颗决策树呢？

1、首先，通过计算负梯度，我们得到了每个样本 i 的修正误差

2、接着，修正误差与特征向量x结合，我们得到一个新数据集（x1,g1)，... ，(xn，gn)，

其中，每个数据集的xi是特征向量，修正误差gi为目标变量

3、根据这个新数据集训练决策树 $h_{M}(x)$ ，使得对于一个未知的x，我们能预测出修正误差

（决策树的具体训练过程参考另一篇文章：A）

3. 5 更新模型预测值

训练一棵决策树 $h_{M}(x)$ 后，我们再结合学习率，更新模型

3.6 迭代M次，不断优化模型 ${F_{M}}$ （M是一个超参数，通常由交叉验证等方法来选择合适的值）

4、最终模型

经过 M 次迭代，最终模型的预测结果是所有决策树的加权和，即：

步骤总结

初始模型：建立一个初始预测模型。
残差计算：在每一轮迭代中，计算上一个模型的预测误差（纠正误差/残差）。
拟合残差：通过训练一个新的决策树（弱学习器）来拟合这些残差。新模型的目的是减少之前模型在数据上的误差。
更新模型：将新训练的决策树加入到当前模型中，通常通过一个学习率参数来调节新模型的贡献。这一步就是提升的过程，即逐步优化模型以减小误差。
重复迭代：通过多个迭代，不断引入新的决策树，每次迭代都尽量减少当前模型的损失，逐步逼近最优解。

GBDT的优点

适合处理非线性数据：GBDT 通过构建多棵决策树的方式，能够灵活地拟合数据中的非线性特征。
对数据预处理要求较低：GBDT 不需要对数据进行严格的标准化或正则化处理，能够自动处理不同的特征尺度。此外，它对缺失值也比较鲁棒。
处理多种数据类型：GBDT 适合处理类别特征和数值特征，且对类别特征不需要特别的编码（如独热编码），直接输入即可。（特征编码可以参考文章：B）
鲁棒性高，抗过拟合能力强：GBDT在处理异常值和噪声数据时表现较好。由于它采用集成学习的方式，并通过提升（boosting）算法逐步修正错误，模型对数据中的噪声不敏感，具有较好的鲁棒性。。
灵活性和扩展性：GBDT不仅适用于回归和分类任务，还可以扩展到排序、异常检测等任务。GBDT可以根据任务的不同，选择不同的损失函数，比如平方损失、对数损失等，从而适应多种不同类型的问题。
高准确性和强泛化能力：GBDT结合了多个弱学习器的预测结果，能够有效地降低误差，具有较强的泛化能力。它在许多实际应用中表现出色，尤其是在复杂的非线性问题中能够获得高准确度。
强大的特征选择能力：由于GBDT也基于决策树，构建过程中会不断选择分裂特征来最大化信息增益，因此它天然具备特征选择的功能。GBDT可以对特征的重要性进行排序，从而帮助我们识别哪些特征对预测结果最为重要。

GBDT的缺点

计算效率较低，训练速度慢：GBDT模型的训练过程是串行的，每棵树都依赖于前一棵树的结果，因此无法并行化。随着树的数量增加，训练时间会显著增长，特别是在大数据集上的表现不够理想。此外，由于每棵树的构建都需要多次计算分裂点，所以计算成本较高。
容易过拟合：由于GBDT会逐步叠加新的树来减少训练误差，在数据量较小或特征过多的情况下，模型可能会学习到噪声数据，从而导致过拟合。尽管可以通过设置学习率、树的最大深度、树的数量等参数来进行控制，但仍然难以完全避免过拟合。
对参数敏感，调参复杂：GBDT有多个超参数需要调节，比如学习率、树的数量、最大深度、叶子节点数等。不同数据集可能需要不同的参数组合，参数调优过程较为复杂且耗时，特别是在大数据集上，调参成本会进一步增加。
对缺失值敏感：传统GBDT无法直接处理缺失值。与XGBoost等改进版本不同，GBDT通常要求在数据预处理阶段处理缺失值，比如填补或删除缺失值，否则可能会影响模型的性能。
内存占用较大：随着树的数量增加，GBDT的内存占用会迅速增大。尤其在大规模数据上，GBDT可能占用大量的内存资源，对于计算资源要求较高。
不适合高维稀疏数据：GBDT在处理高维稀疏数据（如文本数据或其他表示方式稀疏的特征）时表现较差。由于决策树的分裂过程依赖于特征的具体数值，GBDT在这类数据上效率较低。相比之下，线性模型或者神经网络在稀疏数据上的表现可能更好。