第八章 提升方法

提升方法 （Boosting）

Boosting基本思想: 通过改变训练数据的概率分布（训练数据的权值分布），学习多个弱分类器，并将它们线性组合，构成强分类器。

Boosting 方法需要解决两个问题

1. 如何改变训练数据的权值
2. 如何将弱分类器组合成强分类器。

AdaBoost 思想

1.提高那些被前一轮弱分类器错误分类样本的权值，而降低那些被正确分类样本的权值。
未被正确分类的样本受到后一轮弱分类器更大的关注。
2. AdaBoost 采用加权多数表决，加大分类误差率小的弱分类器的权值，使其在表决中起较大的作用。

AdaBoost 算法

考虑二分类问题
数据集 $T(x_1,y_1),(x_2,y_2),...(x_n,y_n)$ , y i ∈ { 0 , 1 } y_i \in \{0,1\} yi​∈{0,1}
有M个弱分类器$G_m(x),m=1,2,..M$。
（1）初始化训练数据 的权值分布
$$D_1=(w_{11},..w_{i1},...,w_{1N}),w_{1i}=\frac{1}{N},i=1,2,..,N$$
（2）for m = 1 to M
（a） 使用具有权值分布$D_m$的数据训练数据集学习，得到基本分类器$G_m(x)$。
这个分类器是使得第m轮加权训练数据分类误差率最小的基本分类器
（b）计算分类误差率
$$e_m=P(G_m(x)̸=y_i)=\sum _{i=1}^N{w}_{mi}I(G_m(x)̸=y_i)$$
（c）计算$G_m(x)$的系数
$$a_m=\frac{1}{2}ln\frac{1-e_m}{e_m}$$
（d）更新训练数据的权值分布
$$D_{m+1}=(w_{m+1,1},...w_{m+1,i},...w_{m+1,N})$$
$$w_{m+1,i}=\frac{w_{mi}}{Z_m}exp(-{\alpha }_m{y}_i{G}_m(x_i)),i=1,2,..N$$
$Z_m$是规范化因子
$$Z_m=\sum _{i=1}^N{w}_{mi}exp(-{\alpha }_m{y}_i{G}_m(x_i))$$
（3）构建基本分类器的线性组合
$$f(x)=\sum _{m=1}^M{\alpha }_m{G}_m(x)$$
得到最终的分类器
$$G(x)=sign(f(x))=sign(\sum _{m=1}^M{\alpha }_m{G}_m(x))$$

AdaBoost 算法的理解

1. （2）（b）权值的分布影响体现在损失函数上？基学习器是朝着最小化损失函数去学习的，被误分的样本具有更大的权值，因此受到了“更大的关注”。
2. （2）（c）基学习器的系数，它是由最小化指数损失函数得到的,（后面会提到的前向分步算法）
   先直观理解
   
   $e_m\le \frac{1}{2}$时，${\alpha }_m\ge 0$,并且${\alpha }_m$随着分类误差率的减小而增大。
   误分类率小的系数大，即在最后加权表决时起到较大的作用。
   系数的另一个作用，改变权值分布（2）（d）,扩大误分样本权值，缩小被正确分类的样本。
3. （3）基分类器线性组合的系数${\alpha }_m$之和不为1；
   二分类的输出为{-1，+1}，1多时，多数表决为1，求和大于0，因此用符号函数。
4. AdaBoost 最基本的性质是它能在学习过程中不断减少训练误差，即在训练数据集上的分类误差率

AdaBoost 的另一种解释

模型：加法模型
策略：最小化损失函数（指数函数）
算法：前向分步算法

前向分步算法

加法模型
$$f(x)=\sum _{m=1}^N{\beta }_{m}b(x;{\gamma }_m)$$
其中，$b(x;{\gamma }_m)$为基函数，${\gamma }_m$为基函数的参数，${\beta }_m$为基函数的系数。
给定训练数据及损失函数$L(y,f(x))$的条件下，学习加法模型$f(x)$成为经验风险最小化问题
$${\min }_{{\beta }_m,{\gamma }_m}\sum _{i=1}^{N}L(y_i,\sum _{m=1}^M{\beta }_{m}b(x_i;{\gamma }_m))$$

前向分步算法思想：从前向后，每一步只学习一个基函数及其系数，逐步逼近优化上式目标函数。
每一步只需要优化如下损失函数
$${\min }_{\beta ,\gamma }\sum _{i=1}^{N}L(y_i,\beta b(x_i;\gamma ))$$

Adaboost 是前向分步算法的特例，模型是由基本分类器组成的加法模型,损失函数是指数函数
$$L(y,f(x))=exp[-yf(x)]$$

根据前向分步算法，可以把 ${\alpha }_m$和$G_m(x)$推导出来对应到开头的AdaBoost
证明 蓝皮书

这个博客的例子讲解很详细
http://blog.youkuaiyun.com/mousever/article/details/52038198