勾配 ブース ティング 決定 木
ウマたん 当サイト【スタビジ】の本記事では、勾配ブースティングの各手法をPythonで実装して徹底比較していきます!勾配ブースティングの代表手法「Xgboost」「Light gbm」「Catboost」で果たしてどのような違いがあるのでしょうか? こんにちは! 消費財メーカーでデジタルマーケター・データサイエンティストをやっているウマたん( @statistics1012)です! Xgboost に代わる手法として LightGBM が登場し、さらに Catboost という手法が2017年に登場いたしました。 これらは 弱学習器 である 決定木 を勾配ブースティングにより アンサンブル学習 した非常に強力な機械学習手法群。 勾配ブースティングの仲間としてくくられることが多いです。 計算負荷もそれほど重くなく非常に高い精度が期待できるため、 Kaggle などの データ分析コンペ や実務シーンなど様々な場面で頻繁に使用されているのです。 ロボたん 最新のアルゴリズムがどんどん登場するけど、勾配ブースティング×決定木の組み合わせであることは変わらないんだね! GBDTの仕組みと手順を図と具体例で直感的に理解する. ウマたん そうなんだよー!それだけ勾配ブースティング×決定木の組み合わせが強いということだね! この記事では、そんな 最強の手法である「勾配ブースティング」について見ていきます! 勾配ブースティングの代表的な手法である「 Xgboost 」「 LightGBM 」「 Catboost 」をPythonで実装し、それぞれの 精度と計算負荷時間 を比較していきます! ウマたん Pythonの勉強は以下の記事をチェック! 【入門】初心者が3か月でPythonを習得できるようになる勉強法! 当ブログ【スタビジ】の本記事では、Pythonを効率よく独学で習得する勉強法を具体的なコード付き実装例と合わせてまとめていきます。Pythonはできることが幅広いので自分のやりたいことを明確にして勉強法を選ぶことが大事です。Pythonをマスターして価値を生み出していきましょう!... 勾配ブースティングとは 詳細の数式は他のサイトに譲るとして、この記事では概念的に勾配ブースティングが理解できるように解説していきます。 動画でも勾配ブースティング手法のXGBoostやLightGBMについて解説していますので合わせてチェックしてみてください!
Gbdtの仕組みと手順を図と具体例で直感的に理解する
ensemble import GradientBoostingClassifier gbrt = GradientBoostingClassifier(random_state = 0) print ( "訓練セットに対する精度: {:. format ((X_train, y_train))) ## 訓練セットに対する精度: 1. 000 print ( "テストセットに対する精度: {:. format ((X_test, y_test))) ## テストセットに対する精度: 0. 958 過剰適合が疑われる(訓練セットの精度が高すぎる)ので、モデルを単純にする。 ## 枝刈りの深さを浅くする gbrt = GradientBoostingClassifier(random_state = 0, max_depth = 1) ## 訓練セットに対する精度: 0. 991 ## テストセットに対する精度: 0. 972 ## 学習率を下げる gbrt = GradientBoostingClassifier(random_state = 0, learning_rate =. 01) ## 訓練セットに対する精度: 0. 988 ## テストセットに対する精度: 0. 965 この例では枝刈りを強くしたほうが汎化性能が上がった。パラメータを可視化してみる。 ( range (n_features), gbrt. feature_importances_, align = "center") 勾配ブースティングマシンの特徴量の重要度をランダムフォレストと比較すると、いくつかの特徴量が無視されていることがわかる。 基本的にはランダムフォレストを先に試したほうが良い。 予測時間を短くしたい、チューニングによってギリギリまで性能を高めたいという場合には勾配ブースティングを試す価値がある。 勾配ブースティングマシンを大きな問題に試したければ、 xgboost パッケージの利用を検討したほうが良い。 教師あり学習の中で最も強力なモデルの一つ。 並列化できないので訓練にかかる時間を短くできない。 パラメータに影響されやすいので、チューニングを注意深く行う必要がある。 スケール変換の必要がない、疎なデータには上手く機能しないという点はランダムフォレストと同様。 主なパラメータは n_estimators と learning_rate であるが、ランダムフォレストと異なり n_estimators は大きくすれば良いというものではない。大きいほど過学習のリスクが高まる。 n_estimators をメモリや学習時間との兼ね合いから先に決めておき、 learning_rate をチューニングするという方法がよくとられる。 max_depth は非常に小さく、5以下に設定される場合が多い。
給料の平均を求める 計算結果を予測1とします。 これをベースにして予測を行います。 ステップ2. 誤差を計算する 「誤差1」=「給料の値」ー「予測1」で誤差を求めています。 例えば・・・ 誤差1 = 900 - 650 = 250 カラム名は「誤差1」とします。 ステップ3. 誤差を予測する目的で決定木を構築する 茶色の部分にはデータを分ける条件が入り、緑色の部分(葉)には各データごとの誤差の値が入ります。 葉の数よりも多く誤差の値がある場合は、1つの葉に複数の誤差の値が入り、平均します。 ステップ4. アンサンブルを用いて新たな予測値を求める ここでは、決定木の構築で求めた誤差を用いて、給料の予測値を計算します。 予測2 = 予測1(ステップ1) + 学習率 * 誤差 これを各データに対して計算を行います。 予測2 = 650 + 0. 1 * 200 = 670 このような計算を行って予測値を求めます。 ここで、予測2と予測1の値を比べてみてください。 若干ではありますが、実際の値に予測2の方が近づいていて、誤差が少しだけ修正されています。 この「誤差を求めて学習率を掛けて足す」という作業を何度も繰り返し行うことで、精度が少しずつ改善されていきます。 ※学習率を乗算する意味 学習率を挟むことで、予測を行うときに各誤差に対して学習率が乗算され、 何度もアンサンブルをしなければ予測値が実際の値に近づくことができなくなります。その結果過学習が起こりづらくなります。 学習率を挟まなかった場合と比べてみてください! ステップ5. 再び誤差を計算する ここでは、予測2と給料の値の誤差を計算します。ステップ3と同じように、誤差の値を決定木の葉に使用します。 「誤差」=「給料の値」ー「予測2」 誤差 = 900 - 670 = 230 このような計算をすべてのデータに対して行います。 ステップ6. ステップ3~5を繰り返す つまり、 ・誤差を用いた決定木を構築 ・アンサンブルを用いて新たな予測値を求める ・誤差を計算する これらを繰り返します。 ステップ7. 最終予測を行う アンサンブル内のすべての決定木を使用して、給料の最終的な予測を行います。 最終的な予測は、最初に計算した平均に、学習率を掛けた決定木をすべて足した値になります。 GBDTのまとめ GBDTは、 -予測値と実際の値の誤差を計算 -求めた誤差を利用して決定木を構築 -造った決定木をそれ以前の予測結果とアンサンブルして誤差を小さくする→精度があがる これらを繰り返すことで精度を改善する機械学習アルゴリズムです。この記事を理解した上で、GBDTの派生であるLightgbmやXgboostの解説記事を見てみてみると、なんとなくでも理解しやすくなっていると思いますし、Kaggleでパラメータチューニングを行うのにも役に立つと思いますので、ぜひ挑戦してみてください。 Twitter・Facebookで定期的に情報発信しています!