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(2) eval_metric[默认值取决于objective参数的取值]
3.1 第一步: 确定学习速率和tree_based 参数调优的估计器数目
3.2 第二步: max_depth 和 min_weight 参数调优
3.4 第四步: 调整subsample 和 colsample_bytree 参数
转载: 【转】XGBoost参数调优完全指南(附Python代码) - 知乎
译注:文内提供的代码和运行结果有一定差异,可以从 这里下载完整代码对照参考。另外,我自己跟着教程做的时候,发现我的库无法解析字符串类型的特征,所以只用其中一部分特征做的,具体数值跟文章中不一样,反而可以帮助理解文章。所以大家其实也可以小小修改一下代码,不一定要完全跟着教程做~ ^0^
需要提前安装好的库:numpy,matplotlib,pandas,xgboost,scikit-learn
如果你的预测模型表现得有些不尽如人意,那就用XGBoost吧。XGBoost算法现在已经成为很多数据工程师的重要武器。它是一种十分精致的算法,可以处理各种不规则的数据。
构造一个使用XGBoost的模型十分简单。但是,提高这个模型的表现就有些困难(至少我觉得十分纠结)。这个算法使用了好几个参数。所以为了提高模型的表现,参数的调整十分必要。在解决实际问题的时候,有些问题是很难回答的——你需要调整哪些参数?这些参数要调到什么值,才能达到理想的输出?
这篇文章最适合刚刚接触XGBoost的人阅读。在这篇文章中,我们会学到参数调优的技巧,以及XGboost相关的一些有用的知识。以及,我们会用Python在一个数据集上实践一下这个算法。
XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)是Gradient Boosting算法的一个优化的版本。
特别鸣谢:我个人十分感谢Mr Sudalai Rajkumar (aka SRK)大神的支持...
内容列表
1、XGBoost的优势
2、理解XGBoost的参数
3、调整参数(含示例)
XGBoost算法可以给预测模型带来能力的提升。当我对它的表现有更多了解的时候,当我对它的高准确率背后的原理有更多了解的时候,我发现它具有很多优势:
标准GBM的实现没有像XGBoost这样的正则化步骤。正则化对减少过拟合也是有帮助的。 实际上,XGBoost以“正则化提升(regularized boosting)”技术而闻名。
XGBoost可以实现并行处理,相比GBM有了速度的飞跃。 不过,众所周知,Boosting算法是顺序处理的,它怎么可能并行呢?每一课树的构造都依赖于前一棵树,那具体是什么让我们能用多核处理器去构造一个树呢?我希望你理解了这句话的意思。 XGBoost 也支持Hadoop实现。
XGBoost 允许用户定义自定义优化目标和评价标准, 它对模型增加了一个全新的维度,所以我们的处理不会受到任何限制。
XGBoost内置处理缺失值的规则。 用户需要提供一个和其它样本不同的值,然后把它作为一个参数传进去,以此来作为缺失值的取值。XGBoost在不同节点遇到缺失值时采用不同的处理方法,并且会学习未来遇到缺失值时的处理方法。
当分裂时遇到一个负损失时,GBM会停止分裂。因此GBM实际上是一个贪心算法。 XGBoost会一直分裂到指定的最大深度(max_depth),然后回过头来剪枝。如果某个节点之后不再有正值,它会去除这个分裂。 这种做法的优点,当一个负损失(如-2)后面有个正损失(如+10)的时候,就显现出来了。GBM会在-2处停下来,因为它遇到了一个负值。但是XGBoost会继续分裂,然后发现这两个分裂综合起来会得到+8,因此会保留这两个分裂。
XGBoost允许在每一轮boosting迭代中使用交叉验证。因此,可以方便地获得最优boosting迭代次数。 而GBM使用网格搜索,只能检测有限个值。
XGBoost可以在上一轮的结果上继续训练。这个特性在某些特定的应用上是一个巨大的优势。 sklearn中的GBM的实现也有这个功能,两种算法在这一点上是一致的。
XGBoost的作者把所有的参数分成了三类:
1、通用参数:宏观函数控制。
2、Booster参数:控制每一步的booster(tree/regression)。
3、学习目标参数:控制训练目标的表现。
在这里我会类比GBM来讲解,所以作为一种基础知识。
这些参数用来控制XGBoost的宏观功能。
选择每次迭代的模型,有两种选择:
gbtree:基于树的模型
gbliner:线性模型
当这个参数值为1时,静默模式开启,不会输出任何信息。 一般这个参数就保持默认的0,输出一些信息,因为这样能帮我们更好地理解模型。
这个参数用来进行多线程控制,应当输入系统的核数。 如果你希望使用CPU全部的核,那就不要输入这个参数,算法会自动检测它。
还有两个参数,XGBoost会自动设置,目前你不用管它。接下来咱们一起看booster参数。
尽管有两种booster可供选择,我这里只介绍tree booster,因为它的表现远远胜过linear booster,所以linear booster很少用到。
和GBM中的 learning rate 参数类似。 通过减少每一步的权重,可以提高模型的鲁棒性。 典型值为0.01-0.2。
决定最小叶子节点样本权重和。 和GBM的 min_child_leaf 参数类似,但不完全一样。XGBoost的这个参数是最小样本权重的和,而GBM参数是最小样本总数。 这个参数用于避免过拟合。当它的值较大时,可以避免模型学习到局部的特殊样本。 但是如果这个值过高,会导致欠拟合。这个参数需要使用CV来调整。
和GBM中的参数相同,这个值为树的最大深度。 这个值也是用来避免过拟合的。max_depth越大,模型会学到更具体更局部的样本。 需要使用CV函数来进行调优。 典型值:3-10
树上最大的节点或叶子的数量。 可以替代max_depth的作用。因为如果生成的是二叉树,一个深度为n的树最多生成n2个叶子。 如果定义了这个参数,GBM会忽略max_depth参数。
在节点分裂时,只有分裂后损失函数的值下降了,才会分裂这个节点。Gamma指定了节点分裂所需的最小损失函数下降值。 这个参数的值越大,算法越保守。这个参数的值和损失函数息息相关,所以是需要调整的。
这参数限制每棵树权重改变的最大步长。如果这个参数的值为0,那就意味着没有约束。如果它被赋予了某个正值,那么它会让这个算法更加保守。 通常,这个参数不需要设置。但是当各类别的样本十分不平衡时,它对逻辑回归是很有帮助的。 这个参数一般用不到,但是你可以挖掘出来它更多的用处。
和GBM中的subsample参数一模一样。这个参数控制对于每棵树,随机采样的比例。 减小这个参数的值,算法会更加保守,避免过拟合。但是,如果这个值设置得过小,它可能会导致欠拟合。 典型值:0.5-1
和GBM里面的max_features参数类似。用来控制每棵随机采样的列数的占比(每一列是一个特征)。 典型值:0.5-1
用来控制树的每一级的每一次分裂,对列数的采样的占比。 我个人一般不太用这个参数,因为subsample参数和colsample_bytree参数可以起到相同的作用。但是如果感兴趣,可以挖掘这个参数更多的用处。
权重的L2正则化项。(和Ridge regression类似)。 这个参数是用来控制XGBoost的正则化部分的。虽然大部分数据科学家很少用到这个参数,但是这个参数在减少过拟合上还是可以挖掘出更多用处的。
权重的L1正则化项。(和Lasso regression类似)。 可以应用在很高维度的情况下,使得算法的速度更快。
在各类别样本十分不平衡时,把这个参数设定为一个正值,可以使算法更快收敛。
这个参数用来控制理想的优化目标和每一步结果的度量方法。
这个参数定义需要被最小化的损失函数。最常用的值有:
binary:logistic 二分类的逻辑回归,返回预测的概率(不是类别)。 multi:softmax 使用softmax的多分类器,返回预测的类别(不是概率)。
在这种情况下,你还需要多设一个参数:num_class(类别数目)。 multi:softprob 和multi:softmax参数一样,但是返回的是每个数据属于各个类别的概率。
reg:squarederror: 预测值与真实值之间差异的平方的平均值
对于有效数据的度量方法。 对于回归问题,默认值是rmse,对于分类问题,默认值是error。 典型值有:
rmse 均方根误差(∑Ni=1?2N??????√)
mae 平均绝对误差(∑Ni=1|?|N)
logloss 负对数似然函数值
error 二分类错误率(阈值为0.5)
merror 多分类错误率
mlogloss 多分类
logloss损失函数
auc 曲线下面积
随机数的种子 设置它可以复现随机数据的结果,也可以用于调整参数
如果你之前用的是Scikit-learn,你可能不太熟悉这些参数。但是有个好消息,python的XGBoost模块有一个sklearn包,XGBClassifier。这个包中的参数是按sklearn风格命名的。会改变的函数名是:
1、eta ->learning_rate
2、lambda->reg_lambda
3、alpha->reg_alpha
你肯定在疑惑为啥咱们没有介绍和GBM中的’n_estimators’类似的参数。XGBClassifier中确实有一个类似的参数,但是,是在标准XGBoost实现中调用拟合函数时,把它作为’num_boosting_rounds’参数传入。
我已经对这些数据进行了一些处理:
1.City变量,因为类别太多,所以删掉了一些类别。
2.DOB变量换算成年龄,并删除了一些数据。
3.增加了 EMI_Loan_Submitted_Missing 变量。如果EMI_Loan_Submitted变量的数据缺失,则这个参数的值为1。否则为0。
4.删除了原先的EMI_Loan_Submitted变量。
5.EmployerName变量,因为类别太多,所以删掉了一些类别。 因为Existing_EMI变量只有111个值缺失,所以缺失值补充为中位数0。
6.增加了 Interest_Rate_Missing 变量。如果Interest_Rate变量的数据缺失,则这个参数的值为1。否则为0。
7.删除了原先的Interest_Rate变量。
8.删除了Lead_Creation_Date,从直觉上这个特征就对最终结果没什么帮助。 Loan_Amount_Applied, Loan_Tenure_Applied 两个变量的缺项用中位数补足。
9.增加了 Loan_Amount_Submitted_Missing 变量。如果Loan_Amount_Submitted变量的数据缺失,则这个参数的值为1。否则为0。
10.删除了原先的Loan_Amount_Submitted变量。
11.增加了 Loan_Tenure_Submitted_Missing 变量。如果 Loan_Tenure_Submitted 变量的数据缺失,则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的 Loan_Tenure_Submitted 变量。
12.删除了LoggedIn, Salary_Account 两个变量 增加了 Processing_Fee_Missing 变量。如果 Processing_Fee 变量的数据缺失,则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的Processing_Fee 变量。
13.Source前两位不变,其它分成不同的类别。
14.进行了量化和独热编码(一位有效编码)。
如果你有原始数据,可以从资源库里面下载data_preparation的Ipython notebook 文件,然后自己过一遍这些步骤。
首先,import必要的库,然后加载数据。
- #Import libraries:
- import pandas as pd
- import numpy as np
- import xgboost as xgb
- from xgboost.sklearn import XGBClassifier #sklearn xgboost
- from sklearn import cross_validation, metrics #Additional scklearn functions
- from sklearn.grid_search import GridSearchCV #Perforing grid search
-
- import matplotlib.pylab as plt
- %matplotlib inline
- from matplotlib.pylab import rcParams
- rcParams['figure.figsize'] = 12, 4
-
- train = pd.read_csv('train_modified.csv')
- test = pd.read_csv('test_modified.csv')
- print(train.shape, test.shape)
- target='Disbursed'
- IDcol = 'ID'
注意我import了两种XGBoost:
xgb - 直接引用xgboost。接下来会用到其中的“cv”函数。 XGBClassifier - 是xgboost的sklearn包。这个包允许我们像GBM一样使用Grid Search 和并行处理。
在向下进行之前,我们先定义一个函数,它可以帮助我们建立XGBoost models 并进行交叉验证。我们可以直接用下面的函数,以后在自己的models中也可以使用它。
- #test_results = pd.read_csv('test_results.csv')
- def modelfit(alg, dtrain, dtest, predictors,useTrainCV=True, cv_folds=5, early_stopping_rounds=50):
-
- if useTrainCV:
- # train
- xgb_param = alg.get_xgb_params()
- xgtrain = xgb.DMatrix(dtrain[predictors].values, label=dtrain[target].values)
- xgtest = xgb.DMatrix(dtest[predictors].values)
- cvresult = xgb.cv(xgb_param, xgtrain, num_boost_round=alg.get_params()['n_estimators'], nfold=cv_folds,
- early_stopping_rounds=early_stopping_rounds)
- alg.set_params(n_estimators=cvresult.shape[0])
- alg.fit(dtrain[predictors], dtrain['Disbursed'],eval_metric='auc')
-
- # pred
- dtrain_predictions = alg.predict(dtrain[predictors])
- dtrain_predprob = alg.predict_proba(dtrain[predictors])[:,1]
-
-
- # eval
- print ("\n关于现在这个模型")
- print ("准确率 : %.4g" % metrics.accuracy_score(dtrain['Disbursed'].values, dtrain_predictions))
- print ("AUC 得分 (训练集): %f" % metrics.roc_auc_score(dtrain['Disbursed'], dtrain_predprob))
-
- # ft-imp
- feat_imp = pd.Series(alg.feature_importances_,index=list(dtrain[predictors].columns)).sort_values(ascending=False)
- plt.figure(figsize=(16,5))
- feat_imp.plot(kind='bar', title='Feature Importances')
- plt.ylabel('Feature Importance Score')
这个函数和GBM中使用的有些许不同。不过本文章的重点是讲解重要的概念,而不是写代码。如果哪里有不理解的地方,请在下面评论,不要有压力。
参数调优的一般方法:
我们会使用和GBM中相似的方法。需要进行如下步骤:
1. 选择较高的学习速率(learning rate)。一般情况下,学习速率的值为0.1。但是,对于不同的问题,理想的学习速率有时候会在0.05到0.3之间波动。选择对应于此学习速率的理想决策树数量。XGBoost有一个很有用的函数“cv”,这个函数可以在每一次迭代中使用交叉验证,并返回理想的决策树数量。
2. 对于给定的学习速率和决策树数量,进行决策树特定参数调优(max_depth, min_child_weight, gamma, subsample, colsample_bytree)。在确定一棵树的过程中,我们可以选择不同的参数,待会儿我会举例说明。
3. xgboost的正则化参数的调优。(lambda, alpha)。这些参数可以降低模型的复杂度,从而提高模型的表现。
4. 降低学习速率,确定理想参数。
咱们一起详细地一步步进行这些操作。
为了确定boosting 参数,我们要先给其它参数一个初始值。咱们先按如下方法取值:
1、max_depth = 5 :这个参数的取值最好在3-10之间。我选的起始值为5,但是你也可以选择其它的值。起始值在4-6之间都是不错的选择。
2、min_child_weight = 1:在这里选了一个比较小的值,因为这是一个极不平衡的分类问题。因此,某些叶子节点下的值会比较小。
3、gamma = 0: 起始值也可以选其它比较小的值,在0.1到0.2之间就可以。这个参数后继也是要调整的。
4、subsample,colsample_bytree = 0.8: 这个是最常见的初始值了。典型值的范围在0.5-0.9之间。
5、scale_pos_weight = 1: 这个值是因为类别十分不平衡。
注意哦,上面这些参数的值只是一个初始的估计值,后继需要调优。这里把学习速率就设成默认的0.1。然后用xgboost中的cv函数来确定最佳的决策树数量。前文中的函数可以完成这个工作。
- predictors = [x for x in train.columns if x not in [target, IDcol]]
- xgb1 = XGBClassifier(learning_rate =0.1,n_estimators=50)
- modelfit(xgb1, train, test, predictors)
通过手动尝试,学习速率为0.1时,理想的决策树数目是50左右。这个数字对你而言可能比较高,当然这也取决于你的系统的性能。
我们先对这两个参数调优,是因为它们对最终结果有很大的影响。首先,我们先大范围地粗调参数,然后再小范围地微调。
注意:在这一节我会进行高负荷的栅格搜索(grid search),这个过程大约需要15-30分钟甚至更久,具体取决于你系统的性能。你也可以根据自己系统的性能选择不同的值。
- param_test1 = {
- 'max_depth':range(3,10,2),
- 'min_child_weight':range(1,6,2)}
-
- gsearch1 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier(learning_rate = 0.1,n_estimators=50, seed=1024),
- param_grid = param_test1, scoring='roc_auc',cv=5)
- gsearch1.fit(train[predictors],train[target])
- gsearch1.grid_scores_, gsearch1.best_params_, gsearch1.best_score_
至此,我们对于数值进行了 较大跨度的12种不同的排列组合,可以看出理想的max_depth值为7,理想的min_child_weight值为3。
- #Grid seach on subsample and max_features
- #Choose all predictors except target & IDcols
- param_test2 = {
- 'max_depth':[6,7,8],
- 'min_child_weight':[3,4,5,6]
- }
- gsearch2 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier(learning_rate = 0.1,n_estimators=50,seed=1024),
- param_grid = param_test2, scoring='roc_auc',cv=5)
- gsearch2.fit(train[predictors],train[target])
-
- gsearch2.grid_scores_, gsearch2.best_params_, gsearch2.best_score_
至此,我们得到max_depth的理想取值为8,min_child_weight的理想取值为3。同时,我们还能看到cv的得分有了小小一点提高。需要注意的一点是,随着模型表现的提升,进一步提升的难度是指数级上升的,尤其是你的表现已经接近完美的时候。当然啦,你会发现,虽然min_child_weight的理想取值是3,但是我们还没尝试过大于3的取值。像下面这样,就可以尝试其它值。
- param_test2b = {
- 'min_child_weight':[3,4,5,6]
- }
- gsearch2b = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate=0.1,n_estimators=50,max_depth=8,seed=1024),
- param_grid = param_test2b, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
- gsearch2b.fit(train[predictors],train[target])
- gsearch2b.grid_scores_, gsearch2b.best_params_, gsearch2b.best_score_
我们可以看出,3确确实实是理想的取值了。
在已经调整好其它参数的基础上,我们可以进行gamma参数的调优了。Gamma参数取值范围可以很大,我这里把取值范围设置为5了。你其实也可以取更精确的gamma值。
- param_test3 = {'gamma':[i/10.0 for i in range(0,20)]}
- gsearch3 = GridSearchCV( estimator = XGBClassifier(learning_rate =0.1,n_estimators=50,max_depth=8,min_child_weight=3,seed=1024),
- param_grid = param_test3, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
- gsearch3.fit(train[predictors],train[target])
- gsearch3.grid_scores_, gsearch3.best_params_, gsearch3.best_score_
从这里可以看出来,理想的gamma值为0.8。在这个过程开始之前,最好重新调整boosting回合,因为参数都有变化。
从这里可以看出,得分提高了。所以,最终得到的参数是:
- predictors = [x for x in train.columns if x not in [target, IDcol]]
- xgb2 = XGBClassifier(
- learning_rate =0.1,
- n_estimators=50,
- max_depth=8,
- min_child_weight=5,
- gamma=0.8,
- seed=1024)
- modelfit(xgb2, train, test, predictors)
下一步是尝试不同的subsample 和 colsample_bytree 参数。我们分两个阶段来进行这个步骤。这两个步骤都取0.6,0.7,0.8,0.9作为起始值。
- param_test4 = {
- 'subsample':[i/10.0 for i in range(6,10)],
- 'colsample_bytree':[i/10.0 for i in range(6,10)]
- }
- gsearch4 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier(learning_rate =0.1, n_estimators=50, max_depth=8,min_child_weight=5,gamma=0.8,seed=1024),
- param_grid = param_test4, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
- gsearch4.fit(train[predictors],train[target])
- gsearch4.grid_scores_, gsearch4.best_params_, gsearch4.best_score_
从这里可以看出来,subsample 和 colsample_bytree 参数的理想取值分别为0.7和0.9。现在,我们以0.05为步长,在这个值附近尝试取值。
- param_test5 = {
- 'subsample':[i/100.0 for i in range(60,80,5)],
- 'colsample_bytree':[i/100.0 for i in range(80,100,5)]
- }
- gsearch5 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier(learning_rate =0.1, n_estimators=50, max_depth=8,min_child_weight=5, gamma=0.8,seed=1024),
- param_grid = param_test5, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
- gsearch5.fit(train[predictors],train[target])
-
- gsearch5.grid_scores_, gsearch5.best_params_, gsearch5.best_score_
我们得到的理想取值还是原来的值。因此,最终的理想取值是:
subsample: 0.7 colsample_bytree: 0.9
下一步是应用正则化来降低过拟合。由于gamma函数提供了一种更加有效地降低过拟合的方法,大部分人很少会用到这个参数。但是我们在这里也可以尝试用一下这个参数。我会在这里调整’reg_alpha’参数,然后’reg_lambda’参数留给你来完成。
- param_test6 = {
- 'reg_alpha':[1e-5, 1e-2, 0.1, 1, 100]
- }
- gsearch6 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=50, max_depth=8, min_child_weight=5, gamma=0.8, subsample=0.7, colsample_bytree=0.9,seed=1024),
- param_grid = param_test6, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
- gsearch6.fit(train[predictors],train[target])
-
- gsearch6.grid_scores_, gsearch6.best_params_, gsearch6.best_score_
我们可以看到,相比之前的结果,CV的得分甚至还降低了。但是我们之前使用的取值是十分粗糙的,我们在这里选取一个比较靠近理想值(0.01)的取值,来看看是否有更好的表现。
- param_test7 = {
- 'reg_alpha':[0, 0.001, 0.005, 0.01, 0.05,0.1]
- }
- gsearch7 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=50, max_depth=8, min_child_weight=5, gamma=0.8, subsample=0.7, colsample_bytree=0.9,seed=1024),
- param_grid = param_test7, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
- gsearch7.fit(train[predictors],train[target])
-
- gsearch7.grid_scores_, gsearch7.best_params_, gsearch7.best_score_
可以看到,CV的得分提高了。现在,我们在模型中来使用正则化参数,来看看这个参数的影响。
- xgb3 = XGBClassifier(learning_rate =0.1,
- n_estimators=50,
- max_depth=8,
- min_child_weight=5,
- gamma=0.8,
- subsample=0.7,
- colsample_bytree=0.9,
- reg_alpha = 0,
- seed=1024)
- modelfit(xgb3, train, test, predictors)
然后我们发现性能有了小幅度提高。
最后,我们使用较低的学习速率,以及使用更多的决策树。我们可以用XGBoost中的CV函数来进行这一步工作。
- xgb4 = XGBClassifier(learning_rate =0.05,
- n_estimators=50,
- max_depth=8,
- min_child_weight=5,
- gamma=0.8,
- subsample=0.7,
- colsample_bytree=0.9,
- reg_alpha = 0,
- seed=1024)
- modelfit(xgb4, train, test, predictors)
至此,你可以看到模型的表现有了大幅提升,调整每个参数带来的影响也更加清楚了。
在文章的末尾,我想分享两个重要的思想:
1、仅仅靠参数的调整和模型的小幅优化,想要让模型的表现有个大幅度提升是不可能的。
2、要想让模型的表现有一个质的飞跃,需要依靠其他的手段,诸如,特征工程(feature egineering) ,模型组合(ensemble of model),以及堆叠(stacking)等。
参考:
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