集成算法实验与分析(软投票与硬投票)

时间：2024-06-03 07:49:18

概述

目的：让机器学习效果更好，单个不行，集成多个
集成算法
Bagging：训练多个分类器取平均
f ( x ) = 1 / M ∑ m = 1 M f m ( x ) f(x)=1/M\sum^M_{m=1}{f_m(x)} f(x)=1/M∑m=1M​fm​(x)
Boosting：从弱学习器开始加强，通过加权来进行训练
F m ( x ) = F m − 1 ( x ) + a r g m i n h ∑ i = 1 n L ( y i , F m − 1 ( x i ) + h ( x i ) ) F_m(x)=F_{m-1}(x)+argmin_h\sum^n_{i=1}L(y_i,F_{m-1}(x_i)+h(x_i)) Fm​(x)=Fm−1​(x)+argminh​∑i=1n​L(yi​,Fm−1​(xi​)+h(xi​))
（加入一棵树，新的树更关注之前错误的例子）
Stacking：聚合多个分类或回归模型（可以分阶段来做）

Bagging模型(随机森林)

全称： bootstrap aggregation（说白了就是并行训练一堆分类器）
最典型的代表就是随机森林，现在Bagging模型基本上也是随机森林。
image.png
随机：数据采样随机，每棵树只用部分数据；数据有多个特征(属性)组成，每棵树随机选择部分特征。随机是为了使得每个分类器拥有明显差异性。
森林：很多个决策树并行放在一起
如何对所有树选择最终结果？分类的话可以采取少数服从多数，回归的话可以采用取平均值。

集成基本思想

训练时用多种分类器一起完成同一份任务
image.png
测试时对待测试样本分别通过不同的分类器，汇总最后的结果
image.png

import numpy as np
import os
%matplotlib inline
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams['axes.labelsize'] = 14
plt.rcParams['xtick.labelsize'] = 12
plt.rcParams['ytick.labelsize'] = 12
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
np.random.seed(42)

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.datasets import make_moons

X,y = make_moons(n_samples=500, noise=0.30, random_state=42)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, random_state=42)

plt.plot(X[:,0][y==0],X[:,1][y==0],'yo',alpha = 0.6)
plt.plot(X[:,0][y==0],X[:,1][y==1],'bs',alpha = 0.6)

image.png
投票策略：软投票与硬投票

  • 硬投票：直接用类别值，少数服从多数
  • 软投票：各自分类器的概率值进行加权平均，或者自己就去概率值最大的作为结果

硬投票实验

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, VotingClassifier
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.svm import SVC

# 三种分类器，逻辑回归，随机森林，支持向量机
log_clf = LogisticRegression(random_state=42)
rnd_clf = RandomForestClassifier(random_state=42)
svm_clf = SVC(random_state=42)

voting_clf = VotingClassifier(estimators =[('lr',log_clf),('rf',rnd_clf),('svc',svm_clf)],voting='hard')

voting_clf.fit(X_train,y_train)

image.png

from sklearn.metrics import accuracy_score
print('三种分类器的结果')
for clf in (log_clf,rnd_clf,svm_clf):
    clf.fit(X_train,y_train)
    y_pred = clf.predict(X_test)
    print (clf.__class__.__name__,accuracy_score(y_test,y_pred))
print('集成分类的硬投票结果(一般会在效果上有微量提升，但不会太大)')
voting_clf.fit(X_train,y_train)
y_pred = voting_clf.predict(X_test)
print (voting_clf.__class__.__name__,accuracy_score(y_test,y_pred))

结果输出：
三种分类器的结果
LogisticRegression 0.864
RandomForestClassifier 0.896
SVC 0.896
集成分类的结果(一般会在效果上有微量提升，但不会太大)
VotingClassifier 0.912

软投票实验

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, VotingClassifier
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.svm import SVC

log_clf = LogisticRegression(random_state=42)
rnd_clf = RandomForestClassifier(random_state=42)
svm_clf = SVC(probability = True,random_state=42)

voting_clf = VotingClassifier(estimators =[('lr',log_clf),('rf',rnd_clf),('svc',svm_clf)],voting='soft')

from sklearn.metrics import accuracy_score
print('三种分类器的结果')
for clf in (log_clf,rnd_clf,svm_clf):
    clf.fit(X_train,y_train)
    y_pred = clf.predict(X_test)
    print (clf.__class__.__name__,accuracy_score(y_test,y_pred))
print('集成分类的软投票结果(一般会在效果上有微量提升，但不会太大)')
voting_clf.fit(X_train,y_train)
y_pred = voting_clf.predict(X_test)
print (voting_clf.__class__.__name__,accuracy_score(y_test,y_pred))

结果输出：
三种分类器的结果
LogisticRegression 0.864
RandomForestClassifier 0.896
SVC 0.896
集成分类的硬投票结果(一般会在效果上有微量提升，但不会太大)
VotingClassifier 0.92
总结：软投票要求必须各个分别器都能得出概率值，一般来说软投票效果更好一些

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