MATLAB算法实战应用案例精讲-【集成算法】集成学习模型stacking(附Python和R语言代码)

目录

前言

几个高频面试题目

1.哪种集成技术更优?什么情况下选择哪种集成技术呢?

2.stacking与其他集成算法之间的对比

算法原理

什么是集成学习

集成学习的条件

为什么要进行集成学习

算法思想

 集成学习堆叠法(stacking)

堆叠法(Stacking)

多层堆叠法(Multi-levels Stacking)

Stacking中的模型选择

Stacking中的过拟合问题

stacking的算法过程

stacking在scikit-learn中的应用

分类问题

逻辑回归(StackingClassifier--LogisticRegression)

线性回归(StackingRegressor--LinearRegression)

回归问题

EnsembelVoteClassifier

应用案例

1.波士顿房价预测

伪代码

英文版 

中文版

​编辑

 优缺点

 集成算法的应用

1 在时间序列上的应用

2 在医疗健康上的应用

3 在入侵检测系统中的应用

代码实现

Python

三种集成方法对比

 Stacking集成代码

R语言

前言

​ 模型堆叠是一种数据科学基础方法,它依赖于多个模型的结果,即将多个弱学习器的结果进行组织,往往胜过单一的强模型。过去几年中大多数主要 kaggle 比赛的获胜者在最终获奖模型中都使用了模型堆叠。

​ 堆叠模型类比于现实世界的例子,就比如商业团队,科学实验,或者体育团队。如果团队中的所有成员都非常擅长完成同样的任务,那么团队就会摧毁任何需要这个任务的挑战。

Stacking也被称为叠加泛化,是David H. Wolpert在1992年提出的集成技术的一种形式,目的是通过使用不同的泛化器来减少错误。

叠加模型利用来自多个基础模型的预测来构建元模型,用于生成最终的预测。堆叠模型由多层组成,其中每一层由几个机器学习模型组成,这些模型的预测用于训练下一层模型。

在叠加过程中,将数据分为训练集和测试集两部分。训练集会被进一步划分为k-fold。基础模型在k-1部分进行训练,在kᵗʰ部分进行预测。这个过程被反复迭代,直到每一折都被预测出来。然后将基本模型拟合到整个数据集,并计算性能。这个过程也适用于其他基本模型。

来自训练集的预测被用作构建第二层或元模型的特征。这个第二级模型用于预测测试集。

### R语言中实现Stacking模型 在R语言中,`caretEnsemble`包提供了一种方便的方式来构建Stacking模型。以下是关于如何使用该包来实现Stacking的具体说明以及示例代码。 #### 使用 `caretEnsemble` 包搭建 Stacking 模型 `caretEnsemble` 包允许用户通过组合多个基础模型(Base Models),并利用元模型(Meta Model)进一步优化预测结果。这种技术的核心在于将不同模型的预测作为输入特征传递给另一个更高级别的模型进行训练[^1]。 #### 主要函数介绍 - **`caretList()`**: 创建一组不同的基础模型合。 - **`caretEnsemble()`**: 将上述创建的基础模型列表结合起来形成最终的模型- **`caretStack()`**: 构建一个多层堆叠结构,其中不仅包含线性组合还可能涉及非线性的复杂关系处理。 #### 示例代码 以下是一个完整的例子展示如何使用 `caretEnsemble` 来完成 Stackng 的过程: ```r library(caret) library(caretEnsemble) # 加载数据 (以 iris 数据为例) data(iris) set.seed(100) trainIndex <- createDataPartition(iris$Species, p = .8, list = FALSE, times = 1) training <- iris[trainIndex, ] testing <- iris[-trainIndex, ] # 定义一系列基础模型 models <- caretList( Species ~ ., data = training, trControl = trainControl(method="cv", number=3), methodList = c("rf", "gbm", "knn"), metric = "Accuracy" ) # 结合基础模型到一个整体框架里 ensemble_model <- caretEnsemble(models, iters = 50, trace = TRUE, allowParallel = TRUE) # 输出成后的表现情况 print(summary(ensemble_model)) # 对测试做预测 predictions <- predict(ensemble_model, newdata = testing) confusionMatrix(predictions, testing$Species) # 如果想尝试更加复杂的多层堆叠方式,则可采用如下命令: stacked_model <- caretStack( models, metaModel = train, method = "glm", trControl = trainControl(method = "cv", number = 3), metric = "Accuracy" ) # 查看新模型的表现 summary(stacked_model) predict(stacked_model, newdata = testing) ``` 此段脚本展示了从加载数据、划分样本至最后评估整个流程的操作步骤。值得注意的是,在实际应用当中还需要针对具体场景调整参数设置以便获得最佳效果。 #### 关于 Stacking的优势 相比于单独依赖某一种算法得出结论而言,Stacking 能够有效整合多种不同类型的学习机制从而达到更高的准确性与稳定性。这是因为每种独立模型可能会捕捉到数据的不同方面特性,当它们共同作用时便能弥补彼此间的不足之处[^3]。
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