XGBoost原理简介

模型函数形式

正则化的目标函数

梯度提升树

令y^(t)i表示第t次迭代时对第i个样本的预测值。现在需要添加ft来使得下面的目标函数最小化
L(t)≈∑i=1nl(yi,yi^(t−1)+ft(xi))+Ω(ft)

二阶近似算法可以用来快速优化目标函数。

样本累加统一为叶结点累加形式

可以看到当前的损失函数为

L^(t)==∑i=1n[gift(xi)+12f2t(xi)]+Ω(ft)∑i=1n[giwq(xi)+12w2q(xi)]+γT+λ12∑j=1Tw2j

上式可以用用来衡量结构为q的树的质量。这类似于决策树中的不纯度得分，只不过可以用在更广泛的目标函数中。

回归树的学习策略

缩减和列采样

除了正则化的目标函数外，两个额外的技术也被用来防止过拟合。

• 缩减在树提升的每一轮次以因子η缩减新添加的树的权重。减少未来每一棵独立的树和叶子结点的影响。
• 列（特征）抽样，该技术在随机森林中有应用。即每次选择特征的一个子集进行最优分裂特征选取。该技术同时加快了并行算法的计算。

树结点分裂方法Split Finding

Basic Exact Greedy Algorithm

对于连续特征，枚举所有可能的分割点的计算开销是非常大的。为了更高效地实现，算法要预先对特征取值进行排序，然后以排序顺序访问样本来累积梯度统计量。

Approximate Algorithm

当数据不能完全放入内存时，精确贪婪算法很难高效地实现。在分布式设置中也有同样的问题。
近似算法首先根据特征分布的分为点提出一些候选划分点。
然后将连续特征映射到这些候选点划分成的区间（桶）内，聚合统计量。根据聚合统计量寻找最佳划分。
根据提议给出的时间，算法有两种变型。
全局变型在树构造的初始阶段提出所有的候选划分，之后在所有阶段使用相同的划分。
局部变型在每次划分时重新提出划分。
全局划分需要更少的提议步骤。但是，通常更多比局部划分需要更多的候选点，因为候选点在每次划分后没有被更新。
通过实验，局部提议事实上需要更少的候选点，而全局提议当给出足够多的候选点的时准确率也可以接近局部提议。
分位数策略得益于分布式和重计算。

Weighted Quantile Sketch

还需要细看

Sparsity-aware Split Finding

导致稀疏性的原因
1. 缺失值
2. 频繁的0值统计量
3. 人工特征工程，如onehot

该算法的关键提示在于只访问非缺失元素。枚举将特征缺失样本划分到右边和左边，比较哪种情况下得分更高。

系统设计

Column Block for Parallel Learning

树学习最耗时的部分是将数据转换成排序的顺序。为了降低排序的代价，提出了将数据放进内存单元，称之为block。每个块中以压缩列(CSC)形式排序。这种布局只需要在训练前计算一次，之后的迭代中都可以使用。

Cache-aware Acces

block结构帮助优化了特征划分的的计算时间复杂度。新的算法通过行索引间接的获取梯度统计量，因为这些值以特征的顺序被访问。这是一种非连续的内存访问。
还需细看
块大小为216样本平衡了闪存性能和并行化。

Bolcks for Out-of-core Computation

将数据划分成多个block然后在硬盘上存储block。在计算时，使用独立线程预取block到贮存缓冲区非常重要，这样计算就可以和硬盘读并行。
通过两项技术提升核外计算

• 块压缩Block Compression
  
  • 使用一个通用的压缩算法来压缩特征值细看
  • 对于行索引，减去块开头的索引，使用16位整数存储每一项偏置。这需要每一块存储216样本，已经被证实了是一个较好的设置。
  • 在大部分测试数据集中，达到了26%-29%的压缩率。
• 块分片 Block Sharding
  第二项技术是将数据以一种交替的方式分片到多个硬盘。每个硬盘上分配一个预取线程来将数据读入主存缓冲区。训练线程交替从每一个缓冲区中读取数据。
  当多块硬盘可用时，这提升了硬盘读取的吞吐量。

参考资料

XGBoost: A Scalable Tree Boosting System Tianqi Chen
GBDT算法原理与系统设计简介 weapon