GBDT算法步骤

本文详细介绍了GBDT(Gradient Boosting Decision Tree)算法的步骤,包括初始化估计值、Logistic变换、概率梯度计算、构建回归树、计算增益和更新样本估计值等。通过对每个样本的梯度下降法学习,不断优化模型,最终实现多类分类。

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说明:本篇文章是参看文章结尾相关博客写的读书笔记。

GBDT算法步骤:

k:表示待分类的类别,一共有K个类别。

m:表示迭代次数,一共迭代M次。

i:表示样本编号,一共有N个样本。

Fk0(x):表示样本x在第k个分类下的估值,是一个k维的向量。下表0表示第0次迭代。例如:假设输入数据x可能属于5个分类(分别为1,2,3,4,5),训练数据中,x属于类别3,则y = (0, 0, 1, 0, 0),假设模型估计得到的F(x) = (0, 0.3, 0.6, 0, 0)。也可以理解为F1(x) =0, F2(x) =0.3, F3(x)=0.6, F4(x) =0, F5(x) =0

 

1初始化所有样本在K个类别上的估计值

说明Fk0(x) = 0, k=1,2,…K。 这其实是对样本x,在所有类别上的分别给出的估计,其实是一个for循环操作,这样写为了看起来简洁。如上所示,就是一个向量。

 

循环下面的学习更新过程M次;


2)对每个样本的函数估计值做logistic变换

pk(x):

### GBDT算法的详细原理和实现 GBDT(Gradient Boosting Decision Tree,梯度提升决策树)是一种基于决策树的集成学习方法,广泛应用于分类、回归等任务中。以下是关于GBDT算法的详细原理和实现的说明。 #### 1. GBDT的核心思想 GBDT的核心思想是通过迭代的方式构建一系列弱学习器(通常是决策树),并将这些弱学习器组合起来形成一个强学习器。每棵树都试图纠正前一棵树的残差[^1]。具体来说,GBDT通过最小化损失函数来优化模型,每次迭代都会根据当前模型的预测值计算损失函数的负梯度,并将该负梯度作为新树的训练目标。 #### 2. 损失函数与梯度下降 GBDT使用梯度下降法来最小化损失函数。对于给定的数据集 \( \{(x_i, y_i)\} \),GBDT的目标是最小化以下损失函数: \[ L(y, F(x)) = \sum_{i=1}^N l(y_i, F(x_i)) \] 其中,\( l(y_i, F(x_i)) \) 是单个样本的损失函数,\( F(x) \) 是模型的预测值。在每一步迭代中,GBDT会计算当前模型的残差(即损失函数的负梯度),并用新的决策树拟合这些残差[^2]。 #### 3. 决策树的构建 GBDT中的每棵决策树都是基于前一棵树的残差构建的。具体步骤如下: - **初始化**:首先用常数值初始化模型 \( F_0(x) = \arg\min_\gamma \sum_{i=1}^N L(y_i, \gamma) \)。 - **迭代构建**:在第 \( m \) 次迭代中,计算残差 \( r_{im} = -\left[\frac{\partial L(y_i, F(x_i))}{\partial F(x_i)}\right]_{F(x)=F_{m-1}(x)} \),然后用这组残差训练一棵新的决策树 \( h_m(x) \)。 - **更新模型**:将新树的预测值加入到模型中,得到更新后的模型 \( F_m(x) = F_{m-1}(x) + \nu h_m(x) \),其中 \( \nu \) 是学习率[^3]。 #### 4. GBDT的实现 以下是一个简单的GBDT实现代码示例: ```python from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier from sklearn.datasets import make_classification from sklearn.model_selection import train_test_split # 生成数据集 X, y = make_classification(n_samples=1000, n_features=20, random_state=42) X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42) # 初始化GBDT模型 gbdt = GradientBoostingClassifier( n_estimators=100, # 树的数量 learning_rate=0.1, # 学习率 max_depth=3, # 树的最大深度 random_state=42 ) # 训练模型 gbdt.fit(X_train, y_train) # 预测 y_pred = gbdt.predict(X_test) ``` #### 5. GBDT的优点与局限性 - **优点**: - 能够处理多种类型的数据,包括连续型和离散型特征。 - 对于非线性关系具有较强的建模能力[^4]。 - 支持自定义损失函数,适用于各种任务(如分类、回归)。 - **局限性**: - 训练时间较长,尤其是在数据量较大时。 - 参数调优较为复杂,需要调整多个超参数(如树的数量、学习率、树的深度等)[^5]。
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