集成学习

Boosting

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从图中可以看出,Boosting算法的工作机制是首先从训练集用初始权重训练出一个弱学习器1,根据弱学习的学习误差率表现来更新训练样本的权重,通过之前弱学习器1学习误差率高的训练样本点的权重变高的方法,使得这些误差率高的点在后面的弱学习器2中得到更多的重视。然后基于调整权重后的训练集来训练弱学习器2.,如此重复进行,直到弱学习器数达到事先指定的数目T,最终将这T个弱学习器通过集合策略进行整合,得到最终的强学习器。

Bagging

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从上图可以看出,bagging的个体弱学习器的训练集是通过随机采样得到的。通过T次的随机采样,我们就可以得到T个采样集,对于这T个采样集,我们可以分别独立的训练出T个弱学习器,再对这T个弱学习器通过集合策略来得到最终的强学习器。

    对于这里的随机采样有必要做进一步的介绍,这里一般采用的是自助采样法(Bootstrap sampling),即对于m个样本的原始训练集,我们每次先随机采集一个样本放入采样集,接着把该样本放回,也就是说下次采样时该样本仍有可能被采集到,这样采集m次,最终可以得到m个样本的采样集,由于是随机采样,这样每次的采样集是和原始训练集不同的,和其他采样集也是不同的,这样得到多个不同的弱学习器。

集成学习之结合策略

平均法

对于数值类的回归预测问题,通常使用的结合策略是平均法,也就是说,对于若干个弱学习器的输出进行平均得到最终的预测输出。
最简单的平均是算术平均,也就是说最终预测是

如果每个个体学习器有一个权重w,则最终预测是

其中$w_{i}$是个体学习器$h_{i}$的权重,通常有$w_{i} \geq 0, \quad \sum_{i=1}^{T} w_{i}=1$

投票法

对于分类问题的预测,我们通常使用的是投票法。假设我们的预测类别是$\left\{c_{1}, c_{2}, \ldots c_{K}\right\}$,对于任意一个预测样本x,我们的T个弱学习器的预测结果分别是$\left(h_{1}(x), h_{2}(x) \ldots h_{T}(x)\right)$
最简单的投票法是相对多数投票法,也就是我们常说的少数服从多数,也就是T个弱学习器的对样本x的预测结果中,数量最多的类别$c_{i}$为最终的分类类别。如果不止一个类别获得最高票,则随机选择一个做最终类别。

    稍微复杂的投票法是绝对多数投票法,也就是我们常说的要票过半数。在相对多数投票法的基础上,不光要求获得最高票,还要求票过半数。否则会拒绝预测。

    更加复杂的是加权投票法,和加权平均法一样,每个弱学习器的分类票数要乘以一个权重,最终将各个类别的加权票数求和,最大的值对应的类别为最终类别。

学习法

上两节的方法都是对弱学习器的结果做平均或者投票,相对比较简单,但是可能学习误差较大,于是就有了学习法这种方法,对于学习法,代表方法是stacking,当使用stacking的结合策略时, 我们不是对弱学习器的结果做简单的逻辑处理,而是再加上一层学习器,也就是说,我们将训练集弱学习器的学习结果作为输入,将训练集的输出作为输出,重新训练一个学习器来得到最终结果。

    在这种情况下,我们将弱学习器称为初级学习器,将用于结合的学习器称为次级学习器。对于测试集,我们首先用初级学习器预测一次,得到次级学习器的输入样本,再用次级学习器预测一次,得到最终的预测结果。

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