随机森林算法(RF)和LightGBM

本文介绍了随机森林算法,包括其作为套袋法(Bagging)的一部分,以及其基于决策树的构建过程和特点。随机森林具有高准确率、抗过拟合能力强等优点,但也存在训练成本高等缺点。此外,文章还提到了LightGBM算法。

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一、随机森林算法(RF)

1.1、简介

集成学习中,主要分为套袋法(Bagging)提升法(Boosting),其中随机森林属于套袋(bagging)算法。

在机器学习中,随机森林指的是利用多棵树对样本进行训练并预测的一种分类器,包含多个决策树,并且输出的类别由个别树输出的类别的众数而定。

1.2、 Bagging(套袋法)

Bagging的算法过程如下:
1.对原始样本集中使用Bootstraping方法随机抽取n个训练样本,进行k轮抽取,得到k个训练集。(k个训练集之间相互独立,元素可以有重复)
2.对于k个训练集,训练k个模型(根据具体问题而定,比如决策树,knn等)
3.对于分类问题,由投票表决产生分类结果;对于回归问题:由k个模型预测结果的均值作为最后预测结果

1.3、 决策树

决策树是一种基本的分类器,一般是将特征分为两类。构建好的决策树呈树形结构,可以认为是if-then规则的集合,主要优点是模型具有可读性,分类速度快。

### 比较 LightGBM 随机森林 两种流行的树基模型——LightGBM 随机森林,在处理分类回归问题上表现出色。然而,两者之间存在显著差异。 #### 工作原理 - **随机森林**是一种集成方法,通过构建多个决策树并汇总其预测来减少过拟合的风险。每棵树都是独立训练的,并且在节点分裂时考虑所有特征[^2]。 - **LightGBM**采用梯度提升框架,它依次建立弱学习器(通常是浅层决策树),每个新的学习器都试图纠正前一序列学习器的错误。特别的是,LightGBM 使用基于直方图的算法优化了数据结构,从而提高了效率速度[^1]。 #### 训练时间与资源消耗 - 对于大规模数据集而言,由于 LightGBM 的高效实现方式以及对稀疏性类别型变量的良好支持,通常情况下它的训练时间内存占用要优于随机森林。 #### 泛化能力 - 尽管如此,在某些特定场景下,比如当样本量较小而特征维度较高时,随机森林可能展现出更好的泛化性能,因为它能够有效防止单棵决策树可能出现的偏差过大问题。 #### 结合使用策略 为了充分利用两者的优点,可以采取堆叠(stacking)技术将它们结合起来: ```python from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, StackingClassifier import lightgbm as lgb base_learners = [ ('rf', RandomForestClassifier(n_estimators=100)), ('lgbm', lgb.LGBMClassifier()) ] meta_model = LogisticRegression() model = StakingClassifier( estimators=base_learners, final_estimator=meta_model ) model.fit(X_train, y_train) ``` 此代码片段展示了如何创建一个由随机森林支持向量机构成的基础学习者集合,并利用逻辑回归作为元模型来进行最终预测[^3]。
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