手推记录-XGboost

xgboost 是集成学习boosting的一种,它的基础分类器是CART,即分类回归树。
下图就是CART树和一堆CART树的示例,用来判断一个人是否会喜欢计算机游戏:
这里写图片描述这里写图片描述

用多棵CART树做预测时,就是将各个树的预测分数相加。

yi^=∑k=1Kfk(xi),fk⊆K\widehat{y_i}=\sum_{k=1}^{K}f_k(x_i) ,f_k\subseteq \mathcal{K} yi=k=1Kfk(xi),fkK

其中 KKK表示有K棵CART树,fkf_kfk函数是第kkk棵树得到的分数。

定义目标函数obj=∑i=1nl(yi,yi^)+∑k=1KΩ(fk)obj=\sum_{i=1}^{n}l(y_i,\widehat{y_i})+\sum_{k=1}^{K}\Omega (f_k)obj=i=1nl(yi,yi)+k=1KΩ(fk)

目标函数包括第一部分的损失函数和第二部分的正则项
xgboost在训练时,先优化第一棵树,之后第二棵,第三棵…直到优化完K棵树,真个过程如下图所示:

这里写图片描述

在第t步时,添加了一棵最优的CART树ftf_tft,这棵最优的CART树ftf_tft就是在现有的t-1棵树的基础上,使得目标函数最小的那棵CART树,

obj(t)=∑i=1nl(yi,yi^(t))+∑k=1KΩ(fk)=∑i=1nl(yi,yi^(t−1)+ft(xi))+Ω(ft)+constant\begin{aligned} obj^{(t)}&=\sum_{i=1}^{n}l(y_i,\widehat{y_i}^{(t)})+\sum_{k=1}^{K}\Omega (f_k) \\ & = \sum_{i=1}^{n}l(y_i,\widehat{y_i}^{(t-1)}+f_t(x_i))+\Omega (f_t)+constant \end{aligned}obj(t)=i=1nl(yi,yi(t))+k=1KΩ(fk)=i=1nl(yi,yi(t1)+ft(xi))+Ω(ft)+constant

这里的Ω(ft)\Omega (f_t)Ω(ft)是第t步时,当前的CART树的正则项,而constantconstantconstant就是前t-1棵树的正则项了。
将损失函数进行泰勒二阶展开

obj(t)=∑i=1n[l(yi,yi^(t−1))+gift(xi)+12hift2(xi)]+Ω(ft)+constantobj^{(t)}=\sum_{i=1}^{n}[l(y_i,\widehat{y_i}^{(t-1)})+g_if_t(x_i)+\frac{1}{2}h_if_t^2(x_i)]+\Omega (f_t)+constant obj(t)=i=1n[l(yi,yi(t1))+gift(xi)+21hift2(xi)]+Ω(ft)+constant

其中gi=∂l(yi,y^i(t−1))∂y^i(t−1),hi=∂2l(yi,y^i(t−1))∂y^i(t−1)g_i=\frac{\partial l(y_i,\hat y_i^{(t-1)})}{\partial \hat y_i^{(t-1)}},h_i=\frac{\partial^2 l(y_i,\hat y_i^{(t-1)})}{\partial \hat y_i^{(t-1)}}gi=y^i(t1)l(yi,y^i(t1))hi=y^i(t1)2l(yi,y^i(t1))
再去掉常数项,

obj(t)≈∑i=1n[gift(xi)+12hift2(xi)]+Ω(ft)obj^{(t)}\approx \sum_{i=1}^{n}[g_if_t(x_i)+\frac{1}{2}h_if_t^2(x_i)]+\Omega (f_t)obj(t)i=1n[gift(xi)+21hift2(xi)]+Ω(ft)

再看正则项,首先看CART树的另一个定义,
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这里的www函数是CART树打分的函数,qqq函数是将x定位到哪个叶子节点的函数。xgboost就使用了如下的正则化项,
Ω(ft)=γT+12λ∑j=1Twj2\Omega (f_t)=\gamma T+\frac{1}{2} \lambda \sum_{j=1}^{T} w_j^2Ω(ft)=γT+21λj=1Twj2

将其带入到目标函数,
obj(t)≈∑i=1n[gift(xi)+12hift2(xi)]+Ω(ft)=∑i=1n[gift(xi)+12hift2(xi)]+γT+12λ∑j=1Twj2=∑j=1T[∑i∈Ijgi+12(∑i∈Ijhi+λ)wj2]+γT=∑j=1T[Gj+12(Hj+λ)wj2]+γT \begin{aligned} obj^{(t)}&\approx \sum_{i=1}^{n}[g_if_t(x_i)+\frac{1}{2}h_if_t^2(x_i)]+\Omega (f_t)\\ &=\sum_{i=1}^{n}[g_if_t(x_i)+\frac{1}{2}h_if_t^2(x_i)]+\gamma T+\frac{1}{2} \lambda \sum_{j=1}^{T} w_j^2\\ &=\sum_{j=1}^{T}[\sum_{i \in I_j}g_i+\frac{1}{2}(\sum_{i \in I_j}hi+\lambda)w_j^2]+\gamma T\\ &=\sum_{j=1}^{T}[G_j+\frac{1}{2}(H_j+\lambda)w_j^2]+\gamma T \end{aligned} obj(t)i=1n[gift(xi)+21hift2(xi)]+Ω(ft)=i=1n[gift(xi)+21hift2(xi)]+γT+21λj=1Twj2=j=1T[iIjgi+21(iIjhi+λ)wj2]+γT=j=1T[Gj+21(Hj+λ)wj2]+γT

其中将∑i∈Ijgi\sum_{i \in I_j}g_iiIjgi简化为GjG_jGj,将∑i∈Ijhi\sum_{i \in I_j}h_iiIjhi简化为HjH_jHj

对于第t棵CART树的某一个确定的结构(可用q(x)q(x)q(x)表示),所有的GjG_jGjHjH_jHj都是确定的。而且上式中各个叶子节点的值wjw_jwj之间是互相独立的。上式其实就是一个简单的二次式,我们很容易求出各个叶子节点的最佳值以及此时目标函数的值。
这里写图片描述

wj∗w_j^*wj的一个直观的解释是,假设分到 j 这个叶子节点上的样本只有一个,那么

wj∗=(1hj+λ)∗(−gj) w_j^*=(\frac{1}{h_j+ \lambda})*(-g_j)wj=(hj+λ1)(gj)

这个式子告诉我们,wj∗w^*_jwj的最优值就是负的梯度乘以一个系数,这个系数类似于随机梯度下降中的学习率。hjh_jhj越大,这个系数越小,也就是学习率越小。hjh_jhj越大代表在该点附近梯度变化非常剧烈,此时,我们在使用反向梯度更新时步子就要小,也就是权重系数要小。

obj∗obj^*obj则是衡量了第t棵树结构的好坏。与叶子节点的值可是无关的。obj∗obj^*obj只和GjG_jGjHjH_jHjTTT有关,而它们又只和树的结构(q(x))(q(x))(q(x))有关。

这里写图片描述

有了评判CART树的标准,我们就可以构造出最优的第t棵树,怎么构造?树的结构有很多,不能每个结构都计算一次obj∗obj^*obj来确定哪个结构做最好。这里就采用逐步学习出最佳的树结构。当样本输入时,先找一个特定的特征j,然后在找该特定的值c,当特征j的值小于c时分到左节点,大于c分到右节点。
问题是怎么决定j和c,xgboost采用的是遍历。

我们以上文提到过的判断一个人是否喜欢计算机游戏为例子。最简单的树结构就是一个节点的树。我们可以算出这棵单节点的树的好坏程度obj*。解设我们先按年龄分,先将这一家五口人按照年龄做个排序

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从左至右扫描,找出所有可能的切分点。当切分点确定时,用下列式子作为切分点好坏的标准。

这里写图片描述
这里的GainGainGain其实是切分前后的差值。如果是正的,而且值越大说明obj∗obj^*obj下降得越多,如果是负数,也就是说,左边的这一项小于γ\gammaγ项,说明切分后obj∗obj^*obj反而变大了。其实γ\gammaγ是可以自己设定的阈值,也就说这个值越大,对切分点的要求就越严格。
递归地调用这个切分过程,就能获得一个相对较好的树结构。得到了最优的树结构,也就能找到最优的叶子节点,这样就完成了找出第t棵树的目的。之后再进行第t+1棵树,直到K棵树完成。

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