LESSON 9.4 集成算法的参数空间与网格优化
四 集成算法的参数空间与网格优化
如随机森林中所展示的,集成算法的超参数种类繁多、取值丰富,且参数之间会相互影响、共同作用于算法的最终结果,因此集成算法的调参是一个难度很高的过程。在超参数优化还未盛行的时候,随机森林的调参是基于方差-偏差理论(variance-bias trade-off)和学习曲线完成的,而现在我们可以依赖于网格搜索来完成自动优化。在对任意算法进行网格搜索时,我们需要明确两个基本事实
1、参数对算法结果的影响力大小
2、用于进行搜索的参数空间
对随机森林来说,我们可以大致如下排列各个参数对算法的影响:
随机森林在剪枝方面的空间总是很大的,因为默认参数下树的结构基本没有被影响(也就是几乎没有剪枝),因此当随机森林过拟合的时候,我们可以尝试粗、精、随机等各种方式来影响随机森林。通常在网格搜索当中,我们会考虑所有有巨大影响力的参数、以及1、2个影响力不明显的参数。
虽然随机森林调参的空间较大,大部分人在调参过程中依然难以突破,因为树的集成模型的参数空间非常难以确定。当没有数据支撑时,人们很难通过感觉或经验来找到正确的参数范围。举例来说,我们也很难直接判断究竟多少棵树对于当前的模型最有效,同时,我们也很难判断不剪枝时一棵决策树究竟有多深、有多少叶子、或者一片叶子上究竟有多少个样本,更不要谈凭经验判断树模型整体的不纯度情况了。可以说,当森林建好之后,我们简直是对森林一无所知。对于网格搜索来说,新增一个潜在的参数可选值,计算量就会指数级增长,因此找到有效的参数空间非常重要。此时我们就要引入两个工具来帮助我们:
1、学习曲线
2、决策树对象Tree的属性
- 学习曲线
学习曲线是以参数的不同取值为横坐标,模型的结果为纵坐标的曲线。当模型的参数较少、且参数之间的相互作用较小时,我们可以直接使用学习曲线进行调参。但对于集成算法来说,学习曲线更多是我们探索参数与模型关系的关键手段。许多参数对模型的影响是确定且单调的,例如`n_estimators`,树越多模型的学习能力越强,再比如`ccp_alpha`,该参数值越大模型抗过拟合能力越强,因此我们可能通过学习曲线找到这些参数对模型影响的极限。我们会围绕这些极限点来构筑我们的参数空间。
先来看看n_estimators的学习曲线:
#参数潜在取值,由于现在我们只调整一个参数,因此参数的范围可以取大一些、取值也可以更密集
Option = [1,*range(5,101,5)]#生成保存模型结果的arrays
trainRMSE = np.array([])
testRMSE = np.array([])
trainSTD = np.array([])
testSTD = np.array([])#在参数取值中进行循环
for n_estimators in Option:#按照当下的参数,实例化模型reg_f = RFR(n_estimators=n_estimators,random_state=1412)#实例化交叉验证方式,输出交叉验证结果cv = KFold(n_splits=5,shuffle=True,random_state=1412)result_f = cross_validate(reg_f,X,y,cv=cv,scoring="neg_mean_squared_error",return_train_score=True,n_jobs=-1)#根据输出的MSE进行RMSE计算train = abs(result_f["train_score"])**0.5test = abs(result_f["test_score"])**0.5#将本次交叉验证中RMSE的均值、标准差添加到arrays中进行保存trainRMSE = np.append(trainRMSE,train.mean()) #效果越好testRMSE = np.append(testRMSE,test.mean())trainSTD = np.append(trainSTD,train.std()) #模型越稳定testSTD = np.append(testSTD,test.std())def plotCVresult(Option,trainRMSE,testRMSE,trainSTD,testSTD):#一次交叉验证下,RMSE的均值与std的绘图xaxis = Optionplt.figure(figsize=(8,6),dpi=80)#RMSEplt.plot(xaxis,trainRMSE,color="k",label = "RandomForestTrain")plt.plot(xaxis,testRMSE,color="red",label = "RandomForestTest")#标准差 - 围绕在RMSE旁形成一个区间plt.plot(xaxis,trainRMSE+trainSTD,color="k",linestyle="dotted")plt.plot(xaxis,trainRMSE-trainSTD,color="k",linestyle="dotted")plt.plot(xaxis,testRMSE+testSTD,color="red",linestyle="dotted")plt.plot(xaxis,testRMSE-testSTD,color="red",linestyle="dotted")plt.xticks([*xaxis])plt.legend(loc=1)plt.show()plotCVresult(Option,trainRMSE,testRMSE,trainSTD,testSTD)
当绘制学习曲线时,我们可以很容易找到泛化误差开始上升、或转变为平稳趋势的转折点。因此我们可以选择转折点或转折点附近的n_estimators取值,例如20。然而,n_estimators会受到其他参数的影响,例如:
- 单棵决策树的结构更简单时(依赖剪枝时),可能需要更多的树
- 单棵决策树训练的数据更简单时(依赖随机性时),可能需要更多的树
因此n_estimators的参数空间可以被确定为range(20,100,5),如果你比较保守,甚至可以确认为是range(15,25,5)。
- 决策树对象Tree
在sklearn中,树模型是单独的一类对象,每个树模型背后都有一套完整的属性供我们调用,包括树的结构、树的规模等众多细节。在之前的课程中,我们曾经使用过树模型的绘图功能plot_tree,除此之外树还有许多有用的属性。随机森林是树组成的算法,因此也可以调用这些属性。我们来举例说明:
reg_f = RFR(n_estimators=10,random_state=1412)
reg_f = reg_f.fit(X,y) #训练一个随机森林
属性
.estimators_
,查看森林中所有的树
reg_f.estimators_ #一片随机森林中所有的树
# [DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=1630984966),
# DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=472863509),
# DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=1082704530),
# DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=1930362544),
# DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=273973624),
# DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=21991934),
# DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=1886585710),
# DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=63725675),
# DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=1374343434),
# DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=1078007175)]#可以用索引单独提取一棵树
reg_f.estimators_[0]
#DecisionTreeRegressor(max_features='auto', random_state=1630984966)#调用这棵树的底层结构
reg_f.estimators_[0].tree_
#<sklearn.tree._tree.Tree at 0x1c070d8e340>
属性
.max_depth
,查看当前树的实际深度
reg_f.estimators_[0].tree_.max_depth #max_depth=None
#19#对森林中所有树查看实际深度
for t in reg_f.estimators_:print(t.tree_.max_depth)
#19
#25
#27
#20
#23
#22
#22
#20
#22
#24#如果树的数量较多,也可以查看平均或分布
reg_f = RFR(n_estimators=100,random_state=1412)
reg_f = reg_f.fit(X,y) #训练一个随机森林
d = pd.Series([],dtype="int64")
for idx,t in enumerate(reg_f.estimators_):d[idx] = t.tree_.max_depthd.mean()
#22.25d.describe()
#count 100.000000
#mean 22.250000
#std 1.955954
#min 19.000000
#25% 21.000000
#50% 22.000000
#75% 23.000000
#max 30.000000
#dtype: float64
假设现在你的随机森林过拟合,max_depth的最大深度范围设置在[15,25]之间就会比较有效,如果我们希望激烈地剪枝,则可以设置在[10,15]之间。
相似的,我们也可以调用其他属性来辅助我们调参:
#一棵树上的总叶子量
reg_f.estimators_[0].tree_.node_count
#1807#所有树上的总叶子量
for t in reg_f.estimators_:print(t.tree_.node_count)
#1807
#1777
#1763
#1821
#1777
#1781
#1811
#1771
#1753
#1779
根据经验,当决策树不减枝且在训练集上的预测结果不错时,一棵树上的叶子量常常与样本量相当或比样本量更多,算法结果越糟糕,叶子量越少,如果RMSE很高或者R2很低,则可以考虑使用样本量的一半或3/4作为不减枝时的叶子量的参考。
#每个节点上的不纯度下降量,为-2则表示该节点是叶子节点
reg_f.estimators_[0].tree_.threshold.tolist()[:20]
# [6.5,
# 5.5,
# 327.0,
# 214.0,
# 0.5,
# 1.0,
# 104.0,
# 0.5,
# -2.0,
# -2.0,
# -2.0,
# 105.5,
# 28.5,
# 0.5,
# 1.5,
# -2.0,
# -2.0,
# 11.0,
# 1212.5,
# 2.5]#你怎么知道min_impurity_decrease的范围设置多少会剪掉多少叶子?
pd.Series(reg_f.estimators_[0].tree_.threshold).value_counts().sort_index()
#-2.0 904
# 0.5 43
# 1.0 32
# 1.5 56
# 2.0 32
# ...
# 1118.5 1
# 1162.5 1
# 1212.5 2
# 1254.5 1
# 1335.5 1
#Length: 413, dtype: int64pd.set_option("display.max_rows",None)
np.cumsum(pd.Series(reg_f.estimators_[0].tree_.threshold).value_counts().sort_index()[1:])
#1.0 32
#1.5 88
#2.0 120
#2.5 167
#... ...
#1212.5 858
#1254.5 859
#1335.5 860
#dtype: int64
从这棵树反馈的结果来看,min_impurity_decrease在现在的数据集上至少要设置到[2,10]的范围才可能对模型有较大的影响。
#min_sample_split的范围要如何设置才会剪掉很多叶子?
np.bincount(reg_f.estimators_[0].tree_.n_node_samples.tolist())[:10]
#array([ 0, 879, 321, 154, 86, 52, 42, 38, 29, 18], dtype=int64)
更多属性可以参考:
from sklearn.tree._tree import Tree
type(Tree)
#type
help(Tree)
- 使用网格搜索在随机森林上进行调参
现在模型正处于过拟合的状态,需要抗过拟合,且整体数据量不是非常多,随机抽样的比例不宜减小,因此我们挑选以下五个参数进行搜索:n_estimators
,max_depth
,max_features
,min_impurity_decrease
,criterion
。
import numpy as np
import pandas as pd
import sklearn
import matplotlib as mlp
import matplotlib.pyplot as plt
import time #计时模块time
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor as RFR
from sklearn.model_selection import cross_validate, KFold, GridSearchCVdef RMSE(cvresult,key):return (abs(cvresult[key])**0.5).mean()data = pd.read_csv(r"D:\Pythonwork\2021ML\PART 2 Ensembles\datasets\House Price\train_encode.csv",index_col=0)X = data.iloc[:,:-1]
y = data.iloc[:,-1]
X.shape
#(1460, 80)X.head()
Step 1.建立benchmark
reg = RFR(random_state=1412)
cv = KFold(n_splits=5,shuffle=True,random_state=1412)result_pre_adjusted = cross_validate(reg,X,y,cv=cv,scoring="neg_mean_squared_error",return_train_score=True,verbose=True,n_jobs=-1)RMSE(result_pre_adjusted,"train_score")
#11177.272008319653RMSE(result_pre_adjusted,"test_score")
#30571.26665524217
Step 2.创建参数空间
param_grid_simple = {"criterion": ["squared_error","poisson"], 'n_estimators': [*range(20,100,5)], 'max_depth': [*range(10,25,2)], "max_features": ["log2","sqrt",16,32,64,"auto"], "min_impurity_decrease": [*np.arange(0,5,10)]}
Step 3.实例化用于搜索的评估器、交叉验证评估器与网格搜索评估器
#n_jobs=4/8,verbose=True
reg = RFR(random_state=1412,verbose=True,n_jobs=-1)
cv = KFold(n_splits=5,shuffle=True,random_state=1412)
search = GridSearchCV(estimator=reg,param_grid=param_grid_simple,scoring = "neg_mean_squared_error",verbose = True,cv = cv,n_jobs=-1)
Step 4.训练网格搜索评估器
#=====【TIME WARNING: 7mins】=====#
start = time.time()
search.fit(X,y)
print(time.time() - start)
#Fitting 5 folds for each of 1536 candidates, totalling 7680 fits
#381.6039867401123
Step 5.查看结果
search.best_estimator_
#RandomForestRegressor(max_depth=23, max_features=16, min_impurity_decrease=0,
# n_estimators=85, n_jobs=-1, random_state=1412,
# verbose=True)abs(search.best_score_)**0.5
#29179.698261599166ad_reg = RFR(n_estimators=85, max_depth=23, max_features=16, random_state=1412)
cv = KFold(n_splits=5,shuffle=True,random_state=1412)
result_post_adjusted = cross_validate(ad_reg,X,y,cv=cv,scoring="neg_mean_squared_error",return_train_score=True,verbose=True,n_jobs=-1)RMSE(result_post_adjusted,"train_score")
#11000.81099038192RMSE(result_post_adjusted,"test_score")
#28572.070208366855#默认值下随机森林的RMSE
xaxis = range(1,6)
plt.figure(figsize=(8,6),dpi=80)
#RMSE
plt.plot(xaxis,abs(result_pre_adjusted["train_score"])**0.5,color="green",label = "RF_pre_ad_Train")
plt.plot(xaxis,abs(result_pre_adjusted["test_score"])**0.5,color="green",linestyle="--",label = "RF_pre_ad_Test")
plt.plot(xaxis,abs(result_post_adjusted["train_score"])**0.5,color="orange",label = "RF_post_ad_Train")
plt.plot(xaxis,abs(result_post_adjusted["test_score"])**0.5,color="orange",linestyle="--",label = "RF_post_ad_Test")
plt.xticks([1,2,3,4,5])
plt.xlabel("CVcounts",fontsize=16)
plt.ylabel("RMSE",fontsize=16)
plt.legend()
plt.show()
不难发现,网格搜索之后的模型过拟合程度减轻,且在训练集与测试集上的结果都有提高,可以说从根本上提升了模型的基础能力。我们还可以根据网格的结果继续尝试进行其他调整,来进一步降低模型在测试集上的RMSE。
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