【机器学习算法】集成学习-1 强学习器的融合学习

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目前进度：第四部分【机器学习算法】

集成学习*

前言引入：

我们购买新车的时候会走进一家汽车店，然后按照经销商的建议购买吗？这应该不大可能。

更多的时候是浏览一些网站，比较不同的车型，功能，和价格，也可能问问朋友和同事，。我们下结论都是考虑他人的意见，然后下决定

机器学习中的集成学习模型就是类似的想法。

他们将多个模型的决策结合起来，提高预测结果。

案例：

假如你是一个电影的导演，你已经创作了一部非常重要且有趣的话题电影，你现在希望得到他人对电影的评价，反馈。你有什么方法呢

让一位好朋友给你评分。

你的好朋友可能会考虑到你们的关系，不会给你糟糕的电影提供1星评分刺伤你的心。

你可以让5位同事评价电影。

这应该是比上一个选择好许多的方法，可以更好了解电影的评级，比较诚实的评级。但是这5个人里面不一定是最佳的裁判

你可以让50个人评价你的电影。

有一些人是你的朋友，有一些人可能是你的同事，一些可能是完全陌生的。这种情况的回答普遍会更加的多元化，因为你拥有不同技能的人，事实证明，这是获得最佳评价的方法。

多个决策者比一个决策者可能会做出更好的决策，各种模型的整合也是如此，机器学习这种多样化就是通过集成学习的技术实现的

集成学习模型通过将多个学习器进行组合，常可获取比单一学习器更好的泛化能力

集成学习的方法在全球各大机器学习、数据挖掘竞赛中使用的非常广泛，其概念和思想也是风靡学术界和工业界。

如果要对其进行分类，可以大致划分为：

模型融合

机器学习元算法

模型融合是一个再学习的过程，将训练出的强学习器（比如把朴素贝叶斯，神经网络，SVM，逻辑回归，这些算法都竭尽所能的把数据进行分类。）组合起来进一步提高性能，也就是把不同的专家意见组合起来继续预测。

机器学习元算法，是属于弱学习器的算法。可能算法只有一种，通过不同的训练数据，用相同的算法（一种算法），进行预测结果的组合，当做我们的预测模型。从原始数据抽样模型的。

集成学习概述

集成学习的种类。

模型融合（强学习器）

多数法，平均法，加权平均法（前3个比较简单），堆叠法（stacking），混合法（Blending）

机器学习元算法（弱学习器）：

袋装法：（bagging）

袋装通用法

随机森林

提升法

ADAboost

XGBoost

Gradient Boost

模型融合（强学习器融合）概述

模型融合的思想也很符合大多数人的直觉

训练出多个功能强大的学习器

为了提高学习器的能力，把几个学习器组合起来。

模型融合的

好处：增强了模型的预测以及泛化能力

坏处：多模型的学习加上再学习会显著的增加计算的代价（也就是耗费时间）

我们在训练数据得到的模型进行融合，如果它们好坏参差不齐，那么集成模型的性能可能会比好的坏一些，坏的好一些

不过在测试数据中，泛化能力比较好。也就是稳定性比较高。

所以我们什么时候才能让它得到泛化能力最好，我们需要每个“学习器”好而不同。

好而不同是什么：就是比如现在要把10笔数据进行分堆，可能naïve bayes分对了5个，神经网络分对了后5个，就是分错的数据不要是同一堆，一致的话融合就没有用，分错的数据不一致，还准确率都还不错，那么合并起来之后。如果每个学习器都好，而且准确率都不错的前提下，我们会取概率大的来猜，那么模型融合就可以做到更好，决策的更精准。

好是代表性能好，不同是代表模型分类类别不同。

模型融合方法：

多数法

多数法使用在分类问题，

使用多个模型对数据进行预测，每个模型的预测视为投票。

大多数模型得到的票，作为预测结果

例如我们现在让5位同事评价你的电影，2个5分，3个4分，所以最终认为取结果众数。

平均法：

和多少法类似，不过采用的是所以模型的平均值来作为预测结果。

平均法既可以用于分类问题也可以用于回归问题，分类问题可以吧结果的概率输出，用概率来平均。（平均要用数字平均）

所以这部影片的评分为4.4.

加权平均法。

这是上面平均法的扩展，根据模型的重要性分配不同的权重。

比如你的两个同事是评价专业者，其他同事则没有这个经验。那么这两个同事的评价就相对重要些。

如图，我们给前两个同事0.23的权重。其他只有0.18的权重值。

另外我们加权平均法的权重一般要为1.0。

最后的结果就是4.41，累乘后求和。

堆叠法：

利用多个模型比如（SVM，KNN，决策树）来预测构建新模型。因为方法比较复杂我们拿案例来说明。

这里有训练数据和测试数据，训练数据用的是4个交叉验证。把训练数据切成4份。测试数据就不用

第一部分我们采用决策树

用前3个部分的数据来训练决策树模型，然后用决策树模型来预测第4个模型。

第二部分我们用决策树

使用flod134来训练决策树模型，用模型来预测fold2

第二部分我们用决策树

使用flod234来训练决策树模型，用模型来预测fold1

…

最后得到右边的预测结果图。

如果我们需要3个模型，右边的预测结果图就会有3条

然后我们用第一个模型对测试数据进行预测

其他的2个模型都是这么做

于是我们得到结果图

第二个图是模型对训练数据的预测结果，第4个图是3个模型对测试数据的预测结果

我们把第二个图用逻辑回归模型进行训练。再用逻辑回归去预测测试数据集的结果。

这个逻辑回归模型就是我们的预测模型了

它比较特别的地方是，它不是那全部的训练数据来训练模型，而是取其中的大部分用于训练，小部分的数据用于测试

那么我们就可以得到这个模式对每一笔数据的预测概率值，这一整个训练数据的含金量就相当于测试数据。但是它参与的模型的建构，所以还是需要测试数据用于训练。

我们把各个模型训练出的结果当成新特征来训练新模型，预测测试数据

这个堆叠法的名称大家应该立即了，就是在模型的头上堆叠模型。

这个是比较复杂的模型（stacking），因为效果还不错，所以大家也喜欢用。但是过程相对复杂。

最后测试数据在喂到新特征建立的模型来测试

混合法：

Blending与堆叠法类似，但是混合法只使用验证集来重新建模并进行预测。

Blending相当于少了交叉验证的部分，

案例：

首先我们把数据分为2部分，训练数据集合测试数据集，训练数据集再分为两个部分，base_train_data 和holdout set

我们拿base_train_data来进行建立需要的多个模型holdout set用多个模型预测结果

然后再用多个模型预测测试集结果。然后再拿训练数据中的holdout set预测数据作为新特征来建立模型，用这个模型再预测测试集结果

总结：

什么强学习器的融合方法说明了5种，前3种是比较简单。后两种方法比较复杂，是模型上再套模型的方法来做融合。Stacking还更复杂些

明天我们说弱学习器的机器学习元算法，它的效果经常要比强学习器效果好很多。