数据挖掘-Task4：建模与调参

目录前言二、1.2.总结前言# 一、二、1.2.总结

Abro.

3032人浏览 · 2021-03-26 00:54:18

Abro. · 2021-03-26 00:54:18 发布

前言

算法原理

一、模型对比与性能评估

1.1 逻辑回归

优点：

训练速度快，分类的时候，计算量仅仅只和特征的数目相关；
简单易理解，模型的可解释性非常好，从特征的权重可以看到不同的特征对最后结果的影响；
适合二分类问题，不需要缩放输入特征；
内存资源占用小，只需要存储各个维度的特征值；

缺点：

逻辑回归需要预先处理缺失值和异常值；
不能用 $L o g i s t i c$ 回归去解决非线性问题，因为 $L o g i s t i c$ 的决策面是线性的；
对多重共线性数据较为敏感，且很难处理数据不平衡的问题；
准确率并不是很高，因为形式非常简单，很难去拟合数据的真实分布；

1.2 决策树模型

优点：

简单直观，生成的决策树可以可视化展示；
数据不需要预处理，不需要归一化，不需要处理缺失数据；
既可以处理离散值，也可以处理连续值；

缺点：

决策树算法非常容易过拟合，导致泛化能力不强（可进行适当的剪枝）可参考这篇文章；
采用的是贪心算法，容易得到局部最优解；

1.3 模型评估的方法

对于模型来说，其在训练集上面的误差称之为训练误差或者经验误差，而在测试集上的误差称之为测试误差。

对于我们来说，我们更关心的是模型对于新样本的学习能力，即我们希望通过对已有样本的学习，尽可能的将所有潜在样本的普遍规律学到手，而如果模型对训练样本学的太好，则有可能把训练样本自身所具有的一些特点当做所有潜在样本的普遍特点，这时候我们就会出现过拟合的问题。

模型评估方法： 在机器学习中，我们通常把样本分为训练集和测试集，训练集用于训练模型，测试集用于评估模型。在样本划分和模型验证的过程中，存在着不同的抽样方法和验证方法。 $H o l d o u t$ 检验. $H o l d o u t$ 检验是最简单也是最直接的验证方法，它将原始的样本集合随机划分成训练集和验证集两部分。比方说，我们把样本按照 $70$ %～ $30$ % 的比例分成两部分， $70$ % 的样本用于模型训练； $30$ % 的样本用于模型验证，包括绘制 $R O C$ 曲线、计算精确率和召回率等指标来评估模型性能。 $H o l d o u t$ 检验的缺点很明显，即在验证集上计算出来的最后评估指标与原始分组有很大关系。为了消除随机性，研究者们引入了“交叉检验”的思想。

二、代码示例

2.1 导入相关包

# In[1]:导包

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.metrics import f1_score

import os
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.linear_model import LinearRegression
import warnings
from lightgbm.sklearn import LGBMRegressor

from sklearn.model_selection import cross_val_score
from sklearn.svm import SVC
from sklearn.tree import DecisionTreeRegressor
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
from sklearn.ensemble import GradientBoostingRegressor
from sklearn.neural_network import MLPRegressor
from xgboost.sklearn import XGBRegressor
from sklearn.metrics import mean_absolute_error,  make_scorer
warnings.filterwarnings("ignore")

2.2 读取数据

$r e d u c e$ _ $m e m$ _ $u s a g e$ 函数通过调整数据类型，帮助我们减少数据在内存中占用的空间。

# In[2]: 读取数据

def reduce_mem_usage(df):
    start_mem = df.memory_usage().sum() / 1024**2 
    print('Memory usage of dataframe is {:.2f} MB'.format(start_mem))
    
    for col in df.columns:
        col_type = df[col].dtype
        
        if col_type != object:
            c_min = df[col].min()
            c_max = df[col].max()
            if str(col_type)[:3] == 'int':
                if c_min > np.iinfo(np.int8).min and c_max < np.iinfo(np.int8).max:
                    df[col] = df[col].astype(np.int8)
                elif c_min > np.iinfo(np.int16).min and c_max < np.iinfo(np.int16).max:
                    df[col] = df[col].astype(np.int16)
                elif c_min > np.iinfo(np.int32).min and c_max < np.iinfo(np.int32).max:
                    df[col] = df[col].astype(np.int32)
                elif c_min > np.iinfo(np.int64).min and c_max < np.iinfo(np.int64).max:
                    df[col] = df[col].astype(np.int64)  
            else:
                if c_min > np.finfo(np.float16).min and c_max < np.finfo(np.float16).max:
                    df[col] = df[col].astype(np.float16)
                elif c_min > np.finfo(np.float32).min and c_max < np.finfo(np.float32).max:
                    df[col] = df[col].astype(np.float32)
                else:
                    df[col] = df[col].astype(np.float64)
        else:
            df[col] = df[col].astype('category')

    end_mem = df.memory_usage().sum() / 1024**2 
    print('Memory usage after optimization is: {:.2f} MB'.format(end_mem))
    print('Decreased by {:.1f}%'.format(100 * (start_mem - end_mem) / start_mem))
    
    return df

# In[3]:
    
# 读取数据
data = pd.read_csv('D:/Cadabra_tools002/tianqi_file/train.csv')
# 简单预处理
data_list = []
for items in data.values:
    data_list.append([items[0]] + [float(i) for i in items[1].split(',')] + [items[2]])

data = pd.DataFrame(np.array(data_list))
data.columns = ['id'] + ['s_'+str(i) for i in range(len(data_list[0])-2)] + ['label']

data = reduce_mem_usage(data)

在这里插入图片描述

2.3 简单建模

这里是基于树模型的算法特性，异常值、缺失值处理可以跳过。

注：以下建模的据集并未构造任何特征，直接使用原特征。本次主要进行模建模调参。

# In[4]: 建模前的预操作

from sklearn.model_selection import KFold
# 分离数据集，方便进行交叉验证
X_train = data.drop(['id','label'], axis=1)
y_train = data['label']

# 5折交叉验证
folds = 5
seed = 2021
kf = KFold(n_splits=folds, shuffle=True, random_state=seed)

因为树模型中没有 $f 1 - s c o r e$ 评价指标，所以需要自定义评价指标，在模型迭代中返回验证集 $f 1 - s c o r e$ 变化情况。

# In[5]:

def f1_score_vali(preds, data_vali):
    labels = data_vali.get_label()
    preds = np.argmax(preds.reshape(4, -1), axis=0)
    score_vali = f1_score(y_true=labels, y_pred=preds, average='macro')
    return 'f1_score', score_vali, True

使用 $L i g h t g b m$ 进行建模：

# In[6]:

"""对训练集数据进行划分，分成训练集和验证集，并进行相应的操作"""
from sklearn.model_selection import train_test_split
import lightgbm as lgb
# 数据集划分
X_train_split, X_val, y_train_split, y_val = train_test_split(X_train, y_train, test_size=0.2)
train_matrix = lgb.Dataset(X_train_split, label=y_train_split)
valid_matrix = lgb.Dataset(X_val, label=y_val)

params = {
    "learning_rate": 0.1,
    "boosting": 'gbdt',  
    "lambda_l2": 0.1,
    "max_depth": -1,
    "num_leaves": 128,
    "bagging_fraction": 0.8,
    "feature_fraction": 0.8,
    "metric": None,
    "objective": "multiclass",
    "num_class": 4,
    "nthread": 10,
    "verbose": -1,
}

"""使用训练集数据进行模型训练"""
model = lgb.train(params, 
                  train_set=train_matrix, 
                  valid_sets=valid_matrix, 
                  num_boost_round=2000, 
                  verbose_eval=50, 
                  early_stopping_rounds=200,
                  feval=f1_score_vali)

在这里插入图片描述

对验证集进行预测：

# In[7]:对验证集进行预测

val_pre_lgb = model.predict(X_val, num_iteration=model.best_iteration)
preds = np.argmax(val_pre_lgb, axis=1)
score = f1_score(y_true=y_val, y_pred=preds, average='macro')
print('未调参前lightgbm单模型在验证集上的f1：{}'.format(score))

在这里插入图片描述

更进一步的，使用 $5$ 折交叉验证进行模型性能评估：

# In[8]:使用 5折交叉验证进行建模预测

"""使用lightgbm 5折交叉验证进行建模预测"""
cv_scores = []
for i, (train_index, valid_index) in enumerate(kf.split(X_train, y_train)):
    print('************************************ {} ************************************'.format(str(i+1)))
    X_train_split, y_train_split, X_val, y_val = X_train.iloc[train_index], y_train[train_index], X_train.iloc[valid_index], y_train[valid_index]
    
    train_matrix = lgb.Dataset(X_train_split, label=y_train_split)
    valid_matrix = lgb.Dataset(X_val, label=y_val)

    params = {
                "learning_rate": 0.1,
                "boosting": 'gbdt',  
                "lambda_l2": 0.1,
                "max_depth": -1,
                "num_leaves": 128,
                "bagging_fraction": 0.8,
                "feature_fraction": 0.8,
                "metric": None,
                "objective": "multiclass",
                "num_class": 4,
                "nthread": 10,
                "verbose": -1,
            }
    
    model = lgb.train(params, 
                      train_set=train_matrix, 
                      valid_sets=valid_matrix, 
                      num_boost_round=2000, 
                      verbose_eval=100, 
                      early_stopping_rounds=200,
                      feval=f1_score_vali)
    
    val_pred = model.predict(X_val, num_iteration=model.best_iteration)
    
    val_pred = np.argmax(val_pred, axis=1)
    cv_scores.append(f1_score(y_true=y_val, y_pred=val_pred, average='macro'))
    print(cv_scores)

print("lgb_scotrainre_list:{}".format(cv_scores))
print("lgb_score_mean:{}".format(np.mean(cv_scores)))
print("lgb_score_std:{}".format(np.std(cv_scores)))

在这里插入图片描述

三、模型调参

介绍两种调参的方法

3.1 贪心调参

先使用当前对模型影响最大的参数进行调优，达到当前参数下的模型最优化，再使用对模型影响次之的参数进行调优，如此下去，直到所有的参数调整完毕。

这个方法的缺点就是可能会调到局部最优而不是全局最优，但是只需要一步一步的进行参数最优化调试即可，容易理解。

需要注意的是在树模型中参数调整的顺序，也就是各个参数对模型的影响程度，这里列举一下日常调参过程中常用的参数和调参顺序：

$m a x$ _ $d e p t h$ 、 $num_leaves$
$m i n$ $d a t a$ $i n$ $l e a f$ 、 $m i n$ $c h i l d$ _ $w e i g h t$
$b a g g i n g$ $f r a c t i o n fraction$ 、 $f e a t u r e$ $f r a c t i o n fraction$ 、 $b a g g i n g$ _ $f r e q$
$r e g$ $l a m b d a$ 、 $r e g$ $a l p h a$
$m i n$ $s p l i t$ $g a i n$

# In[9-1]:
## LGB的参数集合：

objective = ['regression', 'regression_l1', 'mape', 'huber', 'fair']

num_leaves = [3,5,10,15,20,40, 55]
max_depth = [3,5,10,15,20,40, 55]
bagging_fraction = []
feature_fraction = []
drop_rate = []

# In[9-2]:贪心调参

from sklearn.model_selection import cross_val_score
# 调objective
best_obj = dict()
for obj in objective:
    model = LGBMRegressor(objective=obj)
    """预测并计算roc的相关指标"""
    score = cross_val_score(model, X_train, y_train, cv=5, scoring='f1').mean()
    best_obj[obj] = score

# num_leaves
best_leaves = dict()
for leaves in num_leaves:
    model = LGBMRegressor(objective=min(best_obj.items(), key=lambda x:x[1])[0], num_leaves=leaves)
    """预测并计算roc的相关指标"""
    score = cross_val_score(model, X_train, y_train, cv=5, scoring='f1').mean()
    best_leaves[leaves] = score

# max_depth
best_depth = dict()
for depth in max_depth:
    model = LGBMRegressor(objective=min(best_obj.items(), key=lambda x:x[1])[0],
                          num_leaves=min(best_leaves.items(), key=lambda x:x[1])[0],
                          max_depth=depth)
    """预测并计算roc的相关指标"""
    score = cross_val_score(model, X_train, y_train, cv=5, scoring='f1').mean()
    best_depth[depth] = score

可依次将模型的参数通过上面的方式进行调整优化，并且通过可视化观察在每一个最优参数下模型的得分情况

3.2 网格搜索

$s k l e a r n$ 提供 $G r i d S e a r c h C V$ 用于进行网格搜索，只需要把模型的参数输进去，就能给出最优化的结果和参数。相比起贪心调参，网格搜索的结果会更优，但是网格搜索只适合于小数据集，一旦数据的量级上去了，很难得出结果。

同样以 $L i g h t g b m$ 算法为例，进行网格搜索调参：

# In[10]:网格搜索

"""通过网格搜索确定最优参数"""
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

def get_best_cv_params(learning_rate=0.1, n_estimators=581, num_leaves=31, max_depth=-1, bagging_fraction=1.0, 
                       feature_fraction=1.0, bagging_freq=0, min_data_in_leaf=20, min_child_weight=0.001, 
                       min_split_gain=0, reg_lambda=0, reg_alpha=0, param_grid=None):
    # 设置5折交叉验证
    cv_fold = KFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=2021)

    model_lgb = lgb.LGBMClassifier(learning_rate=learning_rate,
                                   n_estimators=n_estimators,
                                   num_leaves=num_leaves,
                                   max_depth=max_depth,
                                   bagging_fraction=bagging_fraction,
                                   feature_fraction=feature_fraction,
                                   bagging_freq=bagging_freq,
                                   min_data_in_leaf=min_data_in_leaf,
                                   min_child_weight=min_child_weight,
                                   min_split_gain=min_split_gain,
                                   reg_lambda=reg_lambda,
                                   reg_alpha=reg_alpha,
                                   n_jobs= 8
                                  )

    f1 = make_scorer(f1_score, average='micro')
    grid_search = GridSearchCV(estimator=model_lgb, 
                               cv=cv_fold,
                               param_grid=param_grid,
                               scoring=f1

                              )
    grid_search.fit(X_train, y_train)

    print('模型当前最优参数为:{}'.format(grid_search.best_params_))
    print('模型当前最优得分为:{}'.format(grid_search.best_score_))

# In[11]:
"""以下代码未运行，耗时较长，请谨慎运行，且每一步的最优参数需要在下一步进行手动更新，请注意"""

"""
需要注意一下的是，除了获取上面的获取num_boost_round时候用的是原生的lightgbm（因为要用自带的cv）
下面配合GridSearchCV时必须使用sklearn接口的lightgbm。
"""
"""设置n_estimators 为581，调整num_leaves和max_depth，这里选择先粗调再细调"""
lgb_params = {'num_leaves': range(10, 80, 5), 'max_depth': range(3,10,2)}
get_best_cv_params(learning_rate=0.1, n_estimators=581, num_leaves=None, max_depth=None, min_data_in_leaf=20, 
                   min_child_weight=0.001,bagging_fraction=1.0, feature_fraction=1.0, bagging_freq=0, 
                   min_split_gain=0, reg_lambda=0, reg_alpha=0, param_grid=lgb_params)

"""num_leaves为30，max_depth为7，进一步细调num_leaves和max_depth"""
lgb_params = {'num_leaves': range(25, 35, 1), 'max_depth': range(5,9,1)}
get_best_cv_params(learning_rate=0.1, n_estimators=85, num_leaves=None, max_depth=None, min_data_in_leaf=20, 
                   min_child_weight=0.001,bagging_fraction=1.0, feature_fraction=1.0, bagging_freq=0, 
                   min_split_gain=0, reg_lambda=0, reg_alpha=0, param_grid=lgb_params)

"""
确定min_data_in_leaf为45，min_child_weight为0.001 ，下面进行bagging_fraction、feature_fraction和bagging_freq的调参
"""
lgb_params = {'bagging_fraction': [i/10 for i in range(5,10,1)], 
              'feature_fraction': [i/10 for i in range(5,10,1)],
              'bagging_freq': range(0,81,10)
             }
get_best_cv_params(learning_rate=0.1, n_estimators=85, num_leaves=29, max_depth=7, min_data_in_leaf=45, 
                   min_child_weight=0.001,bagging_fraction=None, feature_fraction=None, bagging_freq=None, 
                   min_split_gain=0, reg_lambda=0, reg_alpha=0, param_grid=lgb_params)

"""
确定bagging_fraction为0.4、feature_fraction为0.6、bagging_freq为 ，下面进行reg_lambda、reg_alpha的调参
"""
lgb_params = {'reg_lambda': [0,0.001,0.01,0.03,0.08,0.3,0.5], 'reg_alpha': [0,0.001,0.01,0.03,0.08,0.3,0.5]}
get_best_cv_params(learning_rate=0.1, n_estimators=85, num_leaves=29, max_depth=7, min_data_in_leaf=45, 
                   min_child_weight=0.001,bagging_fraction=0.9, feature_fraction=0.9, bagging_freq=40, 
                   min_split_gain=0, reg_lambda=None, reg_alpha=None, param_grid=lgb_params)

"""
确定reg_lambda、reg_alpha都为0，下面进行min_split_gain的调参
"""
lgb_params = {'min_split_gain': [i/10 for i in range(0,11,1)]}
get_best_cv_params(learning_rate=0.1, n_estimators=85, num_leaves=29, max_depth=7, min_data_in_leaf=45, 
                   min_child_weight=0.001,bagging_fraction=0.9, feature_fraction=0.9, bagging_freq=40, 
                   min_split_gain=None, reg_lambda=0, reg_alpha=0, param_grid=lgb_params)

由于这段代码还未跑完（执行的时间真的巨长），。。。，有耐心的小伙伴可以去跑一下，我跑了 $3$ ~ $4$ 小时未果后，手动暂停了（实在是没耐心等待了呜呜呜）
在这里插入图片描述

# In[12]:
"""
参数确定好了以后，我们设置一个比较小的learning_rate 0.005，来确定最终的num_boost_round
"""
# 设置5折交叉验证
# cv_fold = StratifiedKFold(n_splits=5, random_state=0, shuffle=True, )
final_params = {
                'boosting_type': 'gbdt',
                'learning_rate': 0.01,
                'num_leaves': 29,
                'max_depth': 7,
                'objective': 'multiclass',
                'num_class': 4,
                'min_data_in_leaf':45,
                'min_child_weight':0.001,
                'bagging_fraction': 0.9,
                'feature_fraction': 0.9,
                'bagging_freq': 40,
                'min_split_gain': 0,
                'reg_lambda':0,
                'reg_alpha':0,
                'nthread': 6
               }

cv_result = lgb.cv(train_set=lgb_train,
                   early_stopping_rounds=20,
                   num_boost_round=5000,
                   nfold=5,
                   stratified=True,
                   shuffle=True,
                   params=final_params,
                   feval=f1_score_vali,
                   seed=0,
                  )