Boosting算法简介

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Boosting算法简介
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一、Boosting算法的发展历史

  Boosting算法是一种把若干个分类器整合为一个分类器的方法,在boosting算法产生之前,还出现过两种比较重要的将多个分类器整合为一个分类器的方法,即boostrapping方法和bagging方法。我们先简要介绍一下bootstrapping方法和bagging方法。

  1)bootstrapping方法的主要过程

  主要步骤:

  i)重复地从一个样本集合D中采样n个样本

  ii)针对每次采样的子样本集,进行统计学习,获得假设Hi

  iii)将若干个假设进行组合,形成最终的假设Hfinal

  iv)将最终的假设用于具体的分类任务

  2)bagging方法的主要过程

  主要思路:

  i)训练分类器

  从整体样本集合中,抽样n* < N个样本 针对抽样的集合训练分类器Ci

  ii)分类器进行投票,最终的结果是分类器投票的优胜结果

  但是,上述这两种方法,都只是将分类器进行简单的组合,实际上,并没有发挥出分类器组合的威力来。直到1989年,Yoav Freund与 Robert Schapire提出了一种可行的将弱分类器组合为强分类器的方法。并由此而获得了2003年的哥德尔奖(Godel price)。

  Schapire还提出了一种早期的boosting算法,其主要过程如下:

  i)从样本整体集合D中,不放回的随机抽样nn个样本,得到集合 D1

  训练弱分类器C1

  ii)从样本整体集合D中,抽取 nn个样本,其中合并进一半被C1 分类错误的样本。得到样本集合 D2

  训练弱分类器C2

  iii)抽取D样本集合中,C1 和 C2 分类不一致样本,组成D3

  训练弱分类器C3

  iv)用三个分类器做投票,得到最后分类结果

  到了1995年,Freund and schapire提出了现在的adaboost算法,其主要框架可以描述为:

  i)循环迭代多次

  更新样本分布

  寻找当前分布下的最优弱分类器

  计算弱分类器误差率

  ii)聚合多次训练的弱分类器

  在下图中可以看到完整的adaboost算法:

图1.1  adaboost算法过程

  现在,boost算法有了很大的发展,出现了很多的其他boost算法,例如:logitboost算法,gentleboost算法等等。在这次报告中,我们将着重介绍adaboost算法的过程和特性。

二、Adaboost算法及分析

  从图1.1中,我们可以看到adaboost的一个详细的算法过程。Adaboost是一种比较有特点的算法,可以总结如下:

  1)每次迭代改变的是样本的分布,而不是重复采样(re weight)

  2)样本分布的改变取决于样本是否被正确分类

  总是分类正确的样本权值低

  总是分类错误的样本权值高(通常是边界附近的样本)

  3)最终的结果是弱分类器的加权组合

  权值表示该弱分类器的性能

  简单来说,Adaboost有很多优点:

  1)adaboost是一种有很高精度的分类器

  2)可以使用各种方法构建子分类器,adaboost算法提供的是框架

  3)当使用简单分类器时,计算出的结果是可以理解的。而且弱分类器构造极其简单

  4)简单,不用做特征筛选

  5)不用担心overfitting!

  总之:adaboost是简单,有效。

下面咱们举一个简单的例子来看看adaboost的实现过程:

  图中,“+”和“-”分别表示两种类别,在这个过程当中,咱们使用水平或者垂直的直线做为分类器,来进行分类。

  第一步:

  根据分类的正确率,获得一个新的样本分布D,一个子分类器h1

  其中划圈的样本表示被分错的。在右边的途中,比较大的“+”表示对该样本作了加权。

  第二步:

  根据分类的正确率,获得一个新的样本分布D3,一个子分类器h2

  第三步:

  获得一个子分类器h3

  整合全部子分类器:

  所以能够获得整合的结果,从结果中看,及时简单的分类器,组合起来也能得到很好的分类效果,在例子中全部的。

  Adaboost算法的某些特性是很是好的,在咱们的报告中,主要介绍adaboost的两个特性。一是训练的错误率上界,随着迭代次数的增长,会逐渐降低;二是adaboost算法即便训练次数不少,也不会出现过拟合的问题。

  下面主要经过证实过程和图表来描述这两个特性:

  1)错误率上界降低的特性

  从而能够看出,随着迭代次数的增长,实际上错误率上界在降低。

  2)不会出现过拟合现象

  一般,过拟合现象指的是下图描述的这种现象,即随着模型训练偏差的降低,实际上,模型的泛化偏差(测试偏差)在上升。横轴表示迭代的次数,纵轴表示训练偏差的值。

而实际上,并无观察到adaboost算法出现这样的状况,即当训练偏差小到必定程度之后,继续训练,返回偏差仍然不会增长。

  对这种现象的解释,要借助margin的概念,其中margin表示以下:

  经过引入margin的概念,咱们能够观察到下图所出现的现象:

  从图上左边的子图能够看到,随着训练次数的增长,test的偏差率并无升高,同时对应着右边的子图能够看到,随着训练次数的增长,margin一直在增长。这就是说,在训练偏差降低到必定程度之后,更多的训练,会增长分类器的分类margin,这个过程也可以防止测试偏差的上升。

3、多分类adaboost

  在平常任务中,咱们一般须要去解决多分类的问题。而前面的介绍中,adaboost算法只能适用于二分类的状况。所以,在这一小节中,咱们着重介绍如何将adaboost算法调整到适合处理多分类任务的方法。

  目前有三种比较经常使用的将二分类adaboost方法。

  一、adaboost M1方法

  主要思路: adaboost组合的若干个弱分类器自己就是多分类的分类器。

  在训练的时候,样本权重空间的计算方法,仍然为:

  在解码的时候,选择一个最有可能的分类

  二、adaboost MH方法

  主要思路: 组合的弱分类器仍然是二分类的分类器,将分类label和分类样例组合,生成N个样本,在这个新的样本空间上训练分类器。

  能够用下图来表示其原理:

  3、对多分类输出进行二进制编码

  主要思路:对N个label进行二进制编码,例如用m位二进制数表示一个label。然后训练m个二分类分类器,在解码时生成m位的二进制数。从而对应到一个label上。

四、总结

  最后,我们可以总结下adaboost算法的一些实际可以使用的场景:

  1)用于二分类或多分类的应用场景

  2)用于做分类任务的baseline

  无脑化,简单,不会overfitting,不用调分类器

  3)用于特征选择(feature selection)

  4)Boosting框架用于对badcase的修正

  只需要增加新的分类器,不需要变动原有分类器

  由于adaboost算法是一种实现简单,应用也很简单的算法。Adaboost算法通过组合弱分类器而得到强分类器,同时具有分类错误率上界随着训练增加而稳定下降,不会过拟合等的性质,应该说是一种很适合于在各种分类场景下应用的算法。

by sep yangfan

来源: 百度搜索研发部官方博客

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