lightGBM原理、改进简述

1. foreword

TSA比赛中，开始整的LR，把原始特征one-hot处理后输入LR训练。过了段时间开始搞RF和XGB，再后面搞LightGBM。

2. lightGBM简介

xgboost的出现，让数据民工们告别了传统的机器学习算法们：RF、GBM、SVM、LASSO……..。现在微软推出了一个新的boosting框架，想要挑战xgboost的江湖地位。

顾名思义，lightGBM包含两个关键点：light即轻量级，GBM 梯度提升机。

LightGBM 是一个梯度 boosting 框架，使用基于学习算法的决策树。它可以说是分布式的，高效的，有以下优势：

• 更快的训练效率

• 低内存使用

• 更高的准确率

• 支持并行化学习

• 可处理大规模数据

与常用的机器学习算法进行比较：速度飞起

3. xgboost缺点

XGB的介绍见此篇博文

其缺点，或者说不足之处：

• 每轮迭代时，都需要遍历整个训练数据多次。如果把整个训练数据装进内存则会限制训练数据的大小；如果不装进内存，反复地读写训练数据又会消耗非常大的时间。

• 预排序方法（pre-sorted）：首先，空间消耗大。这样的算法需要保存数据的特征值，还保存了特征排序的结果（例如排序后的索引，为了后续快速的计算分割点），这里需要消耗训练数据两倍的内存。其次时间上也有较大的开销，在遍历每一个分割点的时候，都需要进行分裂增益的计算，消耗的代价大。

• 对cache优化不友好。在预排序后，特征对梯度的访问是一种随机访问，并且不同的特征访问的顺序不一样，无法对cache进行优化。同时，在每一层长树的时候，需要随机访问一个行索引到叶子索引的数组，并且不同特征访问的顺序也不一样，也会造成较大的cache miss。

4. lightGBM特点

以上与其说是xgboost的不足，倒不如说是lightGBM作者们构建新算法时着重瞄准的点。解决了什么问题，那么原来模型没解决就成了原模型的缺点。

概括来说，lightGBM主要有以下特点：

• 基于Histogram的决策树算法

• 带深度限制的Leaf-wise的叶子生长策略

• 直方图做差加速

• 直接支持类别特征(Categorical Feature)

• Cache命中率优化

• 基于直方图的稀疏特征优化

• 多线程优化

前2个特点使我们尤为关注的。

Histogram算法

直方图算法的基本思想：先把连续的浮点特征值离散化成k个整数，同时构造一个宽度为k的直方图。遍历数据时，根据离散化后的值作为索引在直方图中累积统计量，当遍历一次数据后，直方图累积了需要的统计量，然后根据直方图的离散值，遍历寻找最优的分割点。

带深度限制的Leaf-wise的叶子生长策略

Level-wise过一次数据可以同时分裂同一层的叶子，容易进行多线程优化，也好控制模型复杂度，不容易过拟合。但实际上Level-wise是一种低效算法，因为它不加区分的对待同一层的叶子，带来了很多没必要的开销，因为实际上很多叶子的分裂增益较低，没必要进行搜索和分裂。

Leaf-wise则是一种更为高效的策略：每次从当前所有叶子中，找到分裂增益最大的一个叶子，然后分裂，如此循环。因此同Level-wise相比，在分裂次数相同的情况下，Leaf-wise可以降低更多的误差，得到更好的精度。

Leaf-wise的缺点：可能会长出比较深的决策树，产生过拟合。因此LightGBM在Leaf-wise之上增加了一个最大深度限制，在保证高效率的同时防止过拟合。

5. lightGBM调参

（1）num_leaves

LightGBM使用的是leaf-wise的算法，因此在调节树的复杂程度时，使用的是num_leaves而不是max_depth。

大致换算关系：num_leaves = 2^(max_depth)

（2）样本分布非平衡数据集：可以param[‘is_unbalance’]=’true’

（3）Bagging参数：bagging_fraction+bagging_freq（必须同时设置）、feature_fraction

（4）min_data_in_leaf、min_sum_hessian_in_leaf

// 01. train set and test settrain_data = lgb.Dataset(dtrain[predictors],label=dtrain[target],feature_name=list(dtrain[predictors].columns), categorical_feature=dummies)test_data = lgb.Dataset(dtest[predictors],label=dtest[target],feature_name=list(dtest[predictors].columns), categorical_feature=dummies)// 02. parametersparam = {    'max_depth':6,    'num_leaves':64,    'learning_rate':0.03,    'scale_pos_weight':1,    'num_threads':40,    'objective':'binary',    'bagging_fraction':0.7,    'bagging_freq':1,    'min_sum_hessian_in_leaf':100}param['is_unbalance']='true'param['metric'] = 'auc'// 03. cv and trainbst=lgb.cv(param,train_data, num_boost_round=1000, nfold=3, early_stopping_rounds=30)estimators = lgb.train(param,train_data,num_boost_round=len(bst['auc-mean']))// 04. test predictypred = estimators.predict(dtest[predictors])

---

参考资料

【1】比XGBOOST更快–LightGBM介绍
https://zhuanlan.zhihu.com/p/25308051