机器学习——集成学习

📕参考：ysu老师课件+西瓜书 +期末复习笔记

1.集成学习的基本概念

集成学习（ensemble learing）通过构建并结合多个学习器来完成学习任务。

有时也被称为多分类器系统（multi-classifier system）、基于委员会的学习(committee-based learning)等。

理解：集成学习是一种机器学习方法，其核心思想是将多个学习器（弱学习器）集成在一起，以达到比单个学习器更好的性能。通过组合多个学习器的预测结果，集成学习可以提高整体的泛化能力和稳定性，从而在复杂的任务中取得更好的性能。

集成学习的主要目标是通过组合多个模型，弥补单个模型的局限性，减少过拟合，并提高模型的鲁棒性。

优缺点

集成学习的主要优缺点：

优点：

提高泛化能力： 集成学习能够减少模型的方差，提高模型的泛化能力。通过组合多个学习器，可以弥补单个学习器的局限性，提高整体性能。

降低过拟合风险： 通过在不同的子集上训练不同的学习器，集成学习降低了过拟合的风险。这对于处理复杂的数据和噪声较大的情况非常有用。

提高鲁棒性： 集成学习对数据的变化和噪声具有一定的鲁棒性。由于多个学习器的集成，模型更能应对不同情况下的变化。

适用于多样的学习器： 集成学习可以利用各种不同类型的学习器，包括决策树、神经网络、支持向量机等。这使得它在不同类型的问题上都有很好的适应性。

易于并行化： 集成学习的训练过程通常可以并行化，因为每个学习器可以独立地训练。这有助于提高训练效率。

缺点：

增加计算开销： 集成学习通常需要训练和集成多个学习器，这可能导致较大的计算开销，特别是在大规模数据集和复杂模型的情况下。

复杂性： 集成学习的模型通常相对复杂，这使得它们不太容易解释。在一些应用场景中，解释性可能是一个重要的考虑因素。

对参数调整敏感： 集成学习的性能通常对参数的选择和调整比较敏感。需要进行仔细的参数调整以达到最佳性能。

不适用于所有问题： 集成学习并不总是对所有类型的问题都有效。在一些简单的问题上，单个学习器可能已经足够好，而不需要引入集成学习的复杂性。

可能受到噪声的影响： 如果训练数据中存在大量噪声，集成学习可能会受到噪声的影响，从而导致模型性能下降。

2.集成学习方法

根据个体学习器的生成方式，目前的集成学习方法大致分为两大类

1.个体学习器间存在强依赖关系、必须串行生成的序列化方法：Boosting（提升法）。

2.个体学习器间不存在强依赖关系、可同时生成的并行化方法：Bagging（装袋法）和“随机森林”（Random Forest）。

1.Boosting（提升法）

Boosting是一族可以将弱学习器提升为强学习器的算法。

算法思路：通过迭代训练一系列弱学习器（通常是决策树或其他简单模型），每一轮都对前一轮的模型进行修正，以提高整体模型的性能。

训练基学习器：先从初始训练集训练出一个基学习器
更新样本权重：根据基学习器的表现对训练样本分布进行调整，使得先前基学习器做错的训练样本在后续受到更多的关注
重复迭代：基于调整后的样本训练下一个基学习器，一直重复以上操作，直到基学习器数目达到事先指定的值T
集成学习：最终将这T个基学习器进行加权结合

特点：

1.个体学习器之间存在强依赖关系

2.串行生成

3.每次调整训练数据的样本分布

2.Bagging（装袋法）

这一类方法的核心思想是通过对训练集进行有放回的抽样（Bootstrap抽样），构建多个独立的学习器，然后将它们的预测结果进行平均或投票。著名的算法包括随机森林（Random Forest）。

Bagging（Bootstrap Aggregating）算法的过程包括以下步骤：

Bootstrap抽样： 从原始训练集中有放回地抽取若干个样本，构成一个新的训练子集。这个过程可以重复多次，生成多个不同的子集。

训练独立的学习器： 对每个生成的子集使用相同的学习算法（可以是决策树、神经网络等），独立地训练一个学习器。由于每个子集都是通过Bootstrap抽样得到的，这些学习器之间具有一定的差异性。

集成学习： 将所有独立学习器的预测结果进行集成。对于分类问题，可以采用投票的方式，选择获得最多票数的类别作为最终预测结果；对于回归问题，通常采用平均值或加权平均值。

问题：Bagging（Bootstrap Aggregating）算法中的弱学习器必须一样吗？

在Bagging中，弱学习器通常可以是不同的，即它们可以是同一种类型的学习器，也可以是不同种类的学习器。核心思想是通过对训练集进行Bootstrap抽样，得到多个略有不同的训练子集，然后在这些子集上独立地训练弱学习器，最终进行集成。

弱学习器的不同性质可以增加集成模型的多样性，从而提高整体模型的泛化能力。这样的多样性可以通过使用不同的学习算法、不同的参数设置或者在特征选择上的差异来实现。在实际应用中，常常选择同一种学习算法，但在不同的子集上进行训练，以获得差异化的弱学习器。

3.随机森林（Random Forest）

随机森林（Random Forest）是一种基于Bagging思想的集成学习算法，它通过构建多个决策树，并对它们的输出进行平均或投票来提高整体模型的性能。

随机森林算法流程：

Bagging过程： 从原始训练集中使用Bootstrap抽样，生成多个不同的训练子集。（随机抽样）

构建决策树： 在每个训练子集上独立地训练一个决策树。与传统的决策树不同，随机森林是在每个节点上随机选择一部分特征进行划分的。

集成决策树： 将所有独立训练的决策树的输出进行平均（回归问题）或投票（分类问题），得到最终的随机森林模型。

优缺点：

随机森林的优点包括：

降低过拟合风险： 通过随机选择特征子集，每个决策树都在不同的特征子空间上进行训练，降低了模型的方差，有助于防止过拟合。

提高泛化性能： 由于集成了多个模型的意见，随机森林通常能够在不同类型的数据集上取得很好的泛化性能。

对于高维数据有效： 随机森林对于高维数据的处理相对较好，因为每个决策树只使用部分特征。

易于并行化： 由于每棵树可以独立构建，随机森林的训练过程容易并行化，适合在大规模数据集上使用。

随机森林的缺点：

不易解释： 随机森林由多个决策树组成，每个树的决策过程相对独立，导致整个模型的解释性较差。对于一些应用场景，特别是需要理解模型内部逻辑的情况下，随机森林可能不是最佳选择。

计算开销： 随机森林包含多个决策树，因此在训练和预测时可能需要较大的计算资源。尤其在树的数量很大的情况下，可能会对性能产生一定的影响。

对于高维稀疏数据效果较差： 随机森林在处理高维稀疏数据（例如文本数据）时，可能不如其他算法表现出色。这是因为在随机选择特征时，可能会错过一些关键的特征。

样本不平衡： 当数据集存在严重的类别不平衡时，随机森林可能对多数类别的预测性能较好，而对少数类别的预测性能较差。