沛县网站建设企业,专业搜索引擎seo公司,怎么进行网站关键词优化,网站源码交易平台文章目录 集成学习集成学习概述集成学习的定义集成学习的性质集成学习的算法过程集成学习的算法描述集成学习的例子和例题Julia实现集成学习 集成学习数学原理一、基学习器的生成Bagging#xff08;装袋法#xff09;Boosting#xff08;提升法#xff09; 二、基学习器的结… 文章目录 集成学习集成学习概述集成学习的定义集成学习的性质集成学习的算法过程集成学习的算法描述集成学习的例子和例题Julia实现集成学习 集成学习数学原理一、基学习器的生成Bagging装袋法Boosting提升法 二、基学习器的结合策略平均法投票法学习法Stacking 三、集成学习的整体性能提升 参考文献 集成学习
集成学习概述
集成学习的定义
集成学习Ensemble Learning是一种机器学习范式通过构建并结合多个学习器也被称为基学习器或组件学习器来完成学习任务。这些学习器可以是从同一种学习算法产生的同质学习器也可以是从不同学习算法产生的异质学习器。集成学习的核心思想是“好而不同”即基学习器应该具有好的性能并且它们之间的预测结果应该具有差异性以提高整体的泛化性能。
集成学习的性质
集成学习的主要性质包括
多样性基学习器之间的差异性是集成学习性能提升的关键。这种差异性可以通过不同的训练数据、不同的学习算法、不同的参数设置等方式来引入。鲁棒性集成学习通过结合多个学习器的预测结果能够减少单一学习器因数据噪声或模型偏差带来的过拟合风险从而提高模型的鲁棒性。准确性通过结合多个学习器的预测结果集成学习通常能够获得比单一学习器更高的预测准确性。
集成学习的算法过程
集成学习的算法过程大致可以分为以下几步
生成基学习器使用一种或多种学习算法从训练数据中生成多个基学习器。这些基学习器可以是同质的也可以是异质的。结合基学习器通过某种策略将基学习器的预测结果结合起来得到最终的预测结果。常见的结合策略包括平均法、投票法和学习法如Stacking。
集成学习的算法描述
以Bagging和Boosting为例简要描述集成学习的算法过程 Bagging 步骤从原始训练集中通过有放回抽样得到多个训练子集在每个训练子集上训练一个基学习器最后通过投票或平均的方式结合基学习器的预测结果。代表算法随机森林Random Forest即Bagging与决策树结合的算法。 Boosting 步骤从原始训练集训练出一个基学习器根据基学习器的预测结果调整训练样本的权重使得预测错误的样本在后续训练中受到更多关注基于调整后的样本权重训练下一个基学习器重复上述过程直到基学习器数目达到预设值最后通过加权投票的方式结合基学习器的预测结果。代表算法AdaBoost、Gradient Boosting包括GBDT和XGBoost。
集成学习的例子和例题
例子随机森林是一种集成学习算法它通过构建多个决策树并将它们的预测结果进行投票或平均来得到最终的预测结果。随机森林在分类、回归等任务中都有广泛的应用。
例题假设有一个二分类问题使用随机森林算法进行分类。首先通过有放回抽样从原始训练集中生成多个训练子集然后在每个训练子集上训练一个决策树作为基学习器最后通过投票的方式结合所有决策树的预测结果得到最终的分类结果。
Julia实现集成学习
在Julia中实现集成学习虽然没有像Python的scikit-learn那样直接提供完整集成学习框架的库但我们可以利用Julia现有的机器学习库如MLJ来构建集成学习模型。MLJ是一个灵活的机器学习库它提供了许多算法和工具可以用于实现集成学习。
以下是一个使用MLJ在Julia中实现简单Bagging集成学习的示例。这个示例将使用决策树作为基学习器并通过Bagging的方式来结合它们。
首先确保你已经安装了MLJ和相关的依赖库。你可以使用Julia的包管理器来安装它们
using Pkg
Pkg.add(MLJ)
Pkg.add(MLJBase)
Pkg.add(MLJEnsembles)
Pkg.add(DecisionTree)接下来是实现Bagging集成学习的代码
using MLJ
using MLJBase
using MLJEnsembles
using DecisionTree# 加载数据集这里以iris数据集为例
data load_iris()
X data.X
y data.y# 划分训练集和测试集
train, test partition(eachindex(y), 0.7, shuffletrue, rng123)# 定义基学习器这里使用决策树
base_learner DecisionTreeClassifier()# 定义Bagging集成学习器
bagging_model BaggingEnsemble(base_learnerbase_learner,n_estimators10, # 使用10个基学习器sampling_fraction0.8, # 每个基学习器使用80%的训练数据replacetrue, # 有放回抽样rng123 # 随机数种子
)# 训练集成学习器
fit!(bagging_model, X[train, :], y[train])# 评估集成学习器
predictions predict(bagging_model, X[test, :])
accuracy sum(predictions . y[test]) / length(y[test])
println(Accuracy: , accuracy)请注意这个示例代码可能需要根据你安装的MLJ和相关库的具体版本来进行调整。此外MLJEnsembles库可能不直接包含Bagging的实现这取决于库的发展情况因此你可能需要自己实现Bagging的逻辑或者查找其他可用的Julia库或资源。
如果你发现MLJEnsembles没有直接提供Bagging你可以通过自己编写循环来训练多个基学习器并使用投票或平均等方式来结合它们的预测结果。这通常涉及以下步骤
对训练数据进行有放回抽样生成多个训练子集。在每个训练子集上训练一个基学习器。对测试数据使用每个基学习器进行预测。结合基学习器的预测结果例如通过投票或平均得到最终的预测。
在Julia中实现这些步骤需要一些编程技巧但得益于Julia的高性能和灵活性你可以根据自己的需求定制集成学习算法。
集成学习数学原理
一、基学习器的生成
集成学习的第一步是生成多个基学习器。这些基学习器可以是同质的如都是决策树或都是支持向量机也可以是异质的如包含决策树和神经网络。在生成基学习器时不同的集成学习方法如Bagging、Boosting会有不同的策略。
Bagging装袋法
Bagging方法通过有放回抽样从原始训练集中生成多个训练子集每个子集用于训练一个基学习器。由于是有放回抽样每个子集可能包含重复的样本也可能不包含某些原始样本。Bagging的主要目的是通过样本扰动增加基学习器之间的多样性。
Boosting提升法
Boosting方法则通过调整训练样本的权重来生成多个基学习器。在Boosting的每一轮迭代中都会根据前一轮基学习器的预测结果来更新样本权重使得预测错误的样本在后续轮次中受到更多的关注。通过这种方法Boosting逐步将弱学习器提升为强学习器。
二、基学习器的结合策略
在生成多个基学习器后需要采用某种策略将它们结合起来以得到最终的预测结果。常见的结合策略包括平均法、投票法和学习法如Stacking。
平均法
对于回归问题通常使用平均法来结合基学习器的预测结果。平均法可以分为简单平均和加权平均。 简单平均将各个基学习器的预测结果直接相加后求平均。数学公式为 H ( x ) 1 T ∑ i 1 T h i ( x ) H(x) \frac{1}{T} \sum_{i1}^{T} h_i(x) H(x)T1i1∑Thi(x) 其中 H ( x ) H(x) H(x) 是最终的预测结果 T T T 是基学习器的数量 h i ( x ) h_i(x) hi(x) 是第 i i i 个基学习器的预测结果。 加权平均为不同的基学习器分配不同的权重然后将加权后的预测结果相加。数学公式为 H ( x ) ∑ i 1 T w i h i ( x ) H(x) \sum_{i1}^{T} w_i h_i(x) H(x)i1∑Twihi(x) 其中 w i w_i wi 是第 i i i 个基学习器的权重且满足 ∑ i 1 T w i 1 \sum_{i1}^{T} w_i 1 ∑i1Twi1。
投票法
对于分类问题通常使用投票法来结合基学习器的预测结果。投票法可以分为绝对多数投票法、相对多数投票法和加权投票法。
绝对多数投票法要求某标记的票数必须超过半数才能作为最终的预测结果。相对多数投票法预测为得票最多的标记若同时有多个标记的票数最高则随机选择一个。加权投票法类似于加权平均法为不同的基学习器分配不同的权重然后将加权后的票数相加。
学习法Stacking
Stacking是一种更复杂的结合策略它通过将基学习器的预测结果作为新的特征然后训练一个新的学习器来得到最终的预测结果。Stacking的数学公式可以表示为 H ( x ) g ( ϕ ( h 1 ( x ) , h 2 ( x ) , … , h T ( x ) ) ) H(x) g(\phi(h_1(x), h_2(x), \ldots, h_T(x))) H(x)g(ϕ(h1(x),h2(x),…,hT(x)))
其中 H ( x ) H(x) H(x) 是最终的预测结果 g g g 是新的学习器 ϕ \phi ϕ 是一个映射函数用于将基学习器的预测结果映射到新的特征空间 h i ( x ) h_i(x) hi(x) 是第 i i i 个基学习器的预测结果。
三、集成学习的整体性能提升
集成学习的整体性能提升可以从偏差-方差分解的角度来解释。Bagging方法主要通过减少基学习器之间的方差来提升集成学习的性能因为每个基学习器都是在有放回抽样得到的训练子集上训练的所以它们之间的差异性较大。而Boosting方法则通过逐步调整训练样本的权重来减少基学习器之间的偏差因为每个基学习器都是在前一轮基学习器的预测结果基础上进行训练的所以它们之间的偏差会逐渐减小。
总的来说集成学习的数学原理和公式涉及基学习器的生成、基学习器的结合策略以及集成学习的整体性能提升等多个方面。通过合理的基学习器生成策略和结合策略集成学习可以获得比单一学习器更好的性能。
参考文献
文心一言
