XGBoost原理

说到xgboost,不得不说gbdt。了解gbdt可以看我这篇文章 地址,gbdt无论在理论推导还是在应用场景实践都是相当完美的,但有一个问题:第n颗树训练时,需要用到第n-1颗树的(近似)残差。从这个角度来看,gbdt比较难以实现分布式(ps:虽然难,依然是可以的,换个角度思考就行),而xgboost从下面这个角度着手 


注:红色箭头指向的l即为损失函数;红色方框为正则项,包括L1、L2;红色圆圈为常数项。 
利用泰勒展开三项,做一个近似,我们可以很清晰地看到,最终的目标函数只依赖于每个数据点的在误差函数上的一阶导数和二阶导数。

3.原理

(1)定义树的复杂度 
对于f的定义做一下细化,把树拆分成结构部分q叶子权重部分w。下图是一个具体的例子。结构函数q把输入映射到叶子的索引号上面去,而w给定了每个索引号对应的叶子分数是什么。 

定义这个复杂度包含了一棵树里面节点的个数,以及每个树叶子节点上面输出分数的L2模平方。当然这不是唯一的一种定义方式,不过这一定义方式学习出的树效果一般都比较不错。下图还给出了复杂度计算的一个例子。 

注:方框部分在最终的模型公式中控制这部分的比重 
在这种新的定义下,我们可以把目标函数进行如下改写,其中I被定义为每个叶子上面样本集合 

  

 

这一个目标包含了TT个相互独立的单变量二次函数。我们可以定义

 

 

最终公式可以化简为

 

 

通过对求导等于0,可以得到

 

 

然后把最优解代入得到:

 

 

(2)打分函数计算示例

Obj代表了当我们指定一个树的结构的时候,我们在目标上面最多减少多少。我们可以把它叫做结构分数(structure score)

(3)枚举不同树结构的贪心法

贪心法:每一次尝试去对已有的叶子加入一个分割

 

 

对于每次扩展,我们还是要枚举所有可能的分割方案,如何高效地枚举所有的分割呢?我假设我们要枚举所有x < a 这样的条件,对于某个特定的分割a我们要计算a左边和右边的导数和。

 

 

我们可以发现对于所有的a,我们只要做一遍从左到右的扫描就可以枚举出所有分割的梯度和GL和GR。然后用上面的公式计算每个分割方案的分数就可以了。

观察这个目标函数,大家会发现第二个值得注意的事情就是引入分割不一定会使得情况变好,因为我们有一个引入新叶子的惩罚项。优化这个目标对应了树的剪枝, 当引入的分割带来的增益小于一个阀值的时候,我们可以剪掉这个分割。大家可以发现,当我们正式地推导目标的时候,像计算分数和剪枝这样的策略都会自然地出现,而不再是一种因为heuristic(启发式)而进行的操作了。




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MPU6050是一款广泛应用在无人机、机器人和运动设备中的六轴姿态传感器,它集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计。这款传感器能够实时监测并提供设备的角速度和线性加速度数据,对于理解物体的动态运动状态至关重要。在Arduino平台上,通过特定的库文件可以方便地MPU6050进行通信,获取并解析传感器数据。 `MPU6050.cpp`和`MPU6050.h`是Arduino库的关键组成部分。`MPU6050.h`是头文件,包含了定义传感器接口和函数声明。它定义了类`MPU6050`,该类包含了初始化传感器、读取数据等方法。例如,`begin()`函数用于设置传感器的工作模式和I2C地址,`getAcceleration()`和`getGyroscope()`则分别用于获取加速度和角速度数据。 在Arduino项目中,首先需要包含`MPU6050.h`头文件,然后创建`MPU6050`对象,并调用`begin()`函数初始化传感器。之后,可以通过循环调用`getAcceleration()`和`getGyroscope()`来不断更新传感器读数。为了处理这些原始数据,通常还需要进行校准和滤波,以消除噪声和漂移。 I2C通信协议是MPU6050Arduino交互的基础,它是一种低引脚数的串行通信协议,允许多个设备共享一对数据线。Arduino板上的Wire库提供了I2C通信的底层支持,使得用户无需深入了解通信细节,就能方便地MPU6050交互。 MPU6050传感器的数据包括加速度(X、Y、Z轴)和角速度(同样为X、Y、Z轴)。加速度数据可以用来计算物体的静态位置和动态运动,而角速度数据则能反映物体转动的速度。结合这两个数据,可以进一步计算出物体的姿态(如角度和角速度变化)。 在嵌入式开发领域,特别是使用STM32微控制器时,也可以找到类似的库来驱动MPU6050。STM32通常具有更强大的处理能力和更多的GPIO口,可以实现更复杂的控制算法。然而,基本的传感器操作流程和数据处理原理Arduino平台相似。 在实际应用中,除了基本的传感器读取,还可能涉及到温度补偿、低功耗模式设置、DMP(数字运动处理器)功能的利用等高级特性。DMP可以帮助处理传感器数据,实现更高级的运动估计,减轻主控制器的计算负担。 MPU6050是一个强大的六轴传感器,广泛应用于各种需要实时运动追踪的项目中。通过 Arduino 或 STM32 的库文件,开发者可以轻松地传感器交互,获取并处理数据,实现各种创新应用。博客和其他开源资源是学习和解决问题的重要途径,通过这些资源,开发者可以获得关于MPU6050的详细信息和实践指南
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