集成学习——bagging原理及分析

bagging原理

  与投票法不同的是，Bagging不仅仅集成模型最后的预测结果，同时采用一定策略来影响基模型训练，保证基模型可以服从一定的假设。在上一章中我们提到，希望各个模型之间具有较大的差异性，而在实际操作中的模型却往往是同质的，因此一个简单的思路是通过不同的采样增加模型的差异性。
  Bagging的核心在于自助采样(bootstrap)这一概念，即有放回的从数据集中进行采样，也就是说，同样的一个样本可能被多次进行采样。一个自助采样的小例子是我们希望估计全国所有人口年龄的平均值，那么我们可以在全国所有人口中随机抽取不同的集合（这些集合可能存在交集），计算每个集合的平均值，然后将所有平均值的均值作为估计值。
  首先我们随机取出一个样本放入采样集合中，再把这个样本放回初始数据集，重复K次采样，最终我们可以获得一个大小为K的样本集合。同样的方法， 我们可以采样出T个含K个样本的采样集合，然后基于每个采样集合训练出一个基学习器，再将这些基学习器进行结合，这就是Bagging的基本流程。
  对回归问题的预测是通过预测取平均值来进行的。对于分类问题的预测是通过对预测取多数票预测来进行的。Bagging方法之所以有效，是因为每个模型都是在略微不同的训练数据集上拟合完成的，这又使得每个基模型之间存在略微的差异，使每个基模型拥有略微不同的训练能力。
  Bagging同样是一种降低方差的技术，因此它在不剪枝决策树、神经网络等易受样本扰动的学习器上效果更加明显。在实际的使用中，加入列采样的Bagging技术对高维小样本往往有神奇的效果。

bagging的偏差方差

  我们常说集成学习中的基模型是弱模型，通常来说弱模型是偏差高（在训练集上准确度低）方差小（防止过拟合能力强）的模型，但并不是所有集成学习框架中的基模型都是弱模型。Bagging 和 Stacking 中的基模型为强模型（偏差低，方差高），而Boosting 中的基模型为弱模型（偏差高，方差低）。
  Bagging对样本重采样，对每一重采样得到的子样本集训练一个模型，最后取平均。由于子样本集的相似性以及使用的是同种模型，因此各模型有近似相等的bias和variance（事实上，各模型的分布也近似相同，但不独立）。

案例分析

  Sklearn为我们提供了 BaggingRegressor 与 BaggingClassifier 两种Bagging方法的API，我们在这里通过一个完整的例子演示Bagging在分类问题上的具体应用。这里两种方法的默认基模型是树模型。
  这里的树模型一般指决策树，它是一种树形结构，树的每个非叶子节点表示对样本在一个特征上的判断，节点下方的分支代表对样本的划分。决策树的建立过程是一个对数据不断划分的过程，每次划分中，首先要选择用于划分的特征，之后要确定划分的方案（类别/阈值）。我们希望通过划分，决策树的分支节点所包含的样本“纯度”尽可能地高。节点划分过程中所用的指标主要是信息增益和GINI系数。
  信息增益衡量的是划分前后信息不确定性程度的减小。信息不确定程度一般使用信息熵来度量，其计算方式是：

  其中i表示样本的标签，p表示该类样本出现的概率。当我们对样本做出划分之后，计算样本的条件熵：