Ensemble 概念入门

Ensemble methods概念
所谓Ensemble methods，就是把几种机器学习的算法组合到一起，或者把一种算法的不同参数组合到一起。基本上分为如下两类：

Averaging methods（平均方法），就是利用训练数据的全集或者一部分数据训练出几个算法或者一个算法的几个参数，最终的算法是所有这些算法的算术平均。比如Bagging Methods（装袋算法），Forest of Randomized Trees（随机森林）等。 实际上这个比较简单，主要的工作在于训练数据的选择，比如是不是随机抽样，是不是有放回，选取多少的数据集，选取多数训练数据。后续的训练就是对各个算法的分别训练，然后进行综合平均。这种方法的基础算法一般会选择很强很复杂的算法，然后对其进行平均，因为单一的强算法很容易就导致过拟合（overfit现象），而经过aggregate之后就消除了这种问题。boosting methods（提升算法），就是利用一个基础算法进行预测，然后在后续的其他算法中利用前面算法的结果，重点处理错误数据，从而不断的减少错误率。其动机是使用几种简单的弱算法来达到很强大的组合算法。所谓提升就是把“弱学习算法”提升(boost)为“强学习算法，是一个逐步提升逐步学习的过程；某种程度上说，和neural network有些相似性。经典算法 比如AdaBoost（Adaptive Boost，自适应提升），Gradient Tree Boosting（GBDT）。这种方法一般会选择非常简单的弱算法作为基础算法，因为会逐步的提升，所以最终的几个会非常强。Bagging和Boosting都是将已有的分类或回归算法通过一定方式组合起来，形成一个性能更加强大的分类器，更准确的说这是一种分类算法的组装方法。即将弱分类器组装成强分类器的方法。

Bagging和Boosting 概念及区别
首先介绍Bootstraping，即自助法：它是一种有放回的抽样方法（可能抽到重复的样本）。
1、Bagging (bootstrap aggregating)
Bagging即套袋法，其算法过程如下：
A）从原始样本集中抽取训练集。每轮从原始样本集中使用Bootstraping的方法抽取n个训练样本（在训练集中，有些样本可能被多次抽取到，而有些样本可能一次都没有被抽中）。共进行k轮抽取，得到k个训练集。（k个训练集之间是相互独立的）
B）每次使用一个训练集得到一个模型，k个训练集共得到k个模型。（注：这里并没有具体的分类算法或回归方法，我们可以根据具体问题采用不同的分类或回归方法，如决策树、感知器等）
C）对分类问题：将上步得到的k个模型采用投票的方式得到分类结果；对回归问题，计算上述模型的均值作为最后的结果。（所有模型的重要性相同）
2、Boosting
其主要思想是将弱分类器组装成一个强分类器。在PAC（概率近似正确）学习框架下，则一定可以将弱分类器组装成一个强分类器。
关于Boosting的两个核心问题：
1）在每一轮如何改变训练数据的权值或概率分布？
通过提高那些在前一轮被弱分类器分错样例的权值，减小前一轮分对样例的权值，来使得分类器对误分的数据有较好的效果。
2）通过什么方式来组合弱分类器？
通过加法模型将弱分类器进行线性组合，比如AdaBoost通过加权多数表决的方式，即增大错误率小的分类器的权值，同时减小错误率较大的分类器的权值。而提升树通过拟合残差的方式逐步减小残差，将每一步生成的模型叠加得到最终模型。
3、Bagging，Boosting二者之间的区别
1）样本选择上：
Bagging：训练集是在原始集中有放回选取的，从原始集中选出的各轮训练集之间是独立的。
Boosting：每一轮的训练集不变，只是训练集中每个样例在分类器中的权重发生变化。而权值是根据上一轮的分类结果进行调整。
2）样例权重：
Bagging：使用均匀取样，每个样例的权重相等
Boosting：根据错误率不断调整样例的权值，错误率越大则权重越大。
3）预测函数：
Bagging：所有预测函数的权重相等。
Boosting：每个弱分类器都有相应的权重，对于分类误差小的分类器会有更大的权重。
4）并行计算：
Bagging：各个预测函数可以并行生成
Boosting：各个预测函数只能顺序生成，因为后一个模型参数需要前一轮模型的结果。
4、总结
这两种方法都是把若干个分类器整合为一个分类器的方法，只是整合的方式不一样，最终得到不一样的效果，将不同的分类算法套入到此类算法框架中一定程度上会提高了原单一分类器的分类效果，但是也增大了计算量。
下面是将决策树与这些算法框架进行结合所得到的新的算法：
1）Bagging + 决策树 = 随机森林
2）AdaBoost + 决策树 = 提升树
3）Gradient Boosting + 决策树 = GBDT

GBDT vs AdaBoost
1.相同点：
加性模型+前向分步算法
每一步训练一个弱学习器以弥补前面模型的不足
2.不同点
AdaBoost中当前学习器的“不足”由样本权重来决定
GBDT中当前学习器的“不足”由求梯度决定
adaboost一般用于分类，GBDT一般用于回归。