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@hanxiaoyang 2017-12-14T04:42:20.000000Z 字数 15073 阅读 1023

机器学习系列(12)_XGBoost参数调优完全指南(附Python代码)

个人博客


原文地址:Complete Guide to Parameter Tuning in XGBoost by Aarshay Jain
原文翻译与校对:@MOLLY && 寒小阳 (hanxiaoyang.ml@gmail.com)
时间:2016年9月。
出处:http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/52665396
声明:版权所有,转载请联系作者并注明出

1. 简介

如果你的预测模型表现得有些不尽如人意,那就用XGBoost吧。XGBoost算法现在已经成为很多数据工程师的重要武器。它是一种十分精致的算法,可以处理各种不规则的数据。
构造一个使用XGBoost的模型十分简单。但是,提高这个模型的表现就有些困难(至少我觉得十分纠结)。这个算法使用了好几个参数。所以为了提高模型的表现,参数的调整十分必要。在解决实际问题的时候,有些问题是很难回答的——你需要调整哪些参数?这些参数要调到什么值,才能达到理想的输出?
这篇文章最适合刚刚接触XGBoost的人阅读。在这篇文章中,我们会学到参数调优的技巧,以及XGboost相关的一些有用的知识。以及,我们会用Python在一个数据集上实践一下这个算法。

2. 你需要知道的

XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)是Gradient Boosting算法的一个优化的版本。因为我在前一篇文章,基于Python的Gradient Boosting算法参数调整完全指南,里面已经涵盖了Gradient Boosting算法的很多细节了。我强烈建议大家在读本篇文章之前,把那篇文章好好读一遍。它会帮助你对Boosting算法有一个宏观的理解,同时也会对GBM的参数调整有更好的体会。

特别鸣谢:我个人十分感谢Mr Sudalai Rajkumar (aka SRK)大神的支持,目前他在AV Rank中位列第二。如果没有他的帮助,就没有这篇文章。在他的帮助下,我们才能给无数的数据科学家指点迷津。给他一个大大的赞!

3. 内容列表

1、XGBoost的优势
2、理解XGBoost的参数
3、调参示例

4. XGBoost的优势

XGBoost算法可以给预测模型带来能力的提升。当我对它的表现有更多了解的时候,当我对它的高准确率背后的原理有更多了解的时候,我发现它具有很多优势:

4.1 正则化

4.2 并行处理

4.3 高度的灵活性

4.4 缺失值处理

4.5 剪枝

4.6 内置交叉验证

4.7、在已有的模型基础上继续

相信你已经对XGBoost强大的功能有了点概念。注意这是我自己总结出来的几点,你如果有更多的想法,尽管在下面评论指出,我会更新这个列表的!

你的胃口被我吊起来了吗?棒棒哒!如果你想更深入了解相关信息,可以参考下面这些文章:
XGBoost Guide - Introduce to Boosted Trees
Words from the Auther of XGBoost [Viedo]

5. XGBoost的参数

XGBoost的作者把所有的参数分成了三类:

  1. 通用参数:宏观函数控制。
  2. Booster参数:控制每一步的booster(tree/regression)。
  3. 学习目标参数:控制训练目标的表现。

在这里我会类比GBM来讲解,所以作为一种基础知识,强烈推荐先阅读这篇文章

5.1 通用参数

这些参数用来控制XGBoost的宏观功能。

1、booster[默认gbtree]

2、silent[默认0]

3、nthread[默认值为最大可能的线程数]

还有两个参数,XGBoost会自动设置,目前你不用管它。接下来咱们一起看booster参数。

5.2 booster参数

尽管有两种booster可供选择,我这里只介绍tree booster,因为它的表现远远胜过linear booster,所以linear booster很少用到。

1、eta[默认0.3]

2、min_child_weight[默认1]

3、max_depth[默认6]

4、max_leaf_nodes

5、gamma[默认0]

6、max_delta_step[默认0]

7、subsample[默认1]

8、colsample_bytree[默认1]

9、colsample_bylevel[默认1]

10、lambda[默认1]

11、alpha[默认1]

12、scale_pos_weight[默认1]

5.3学习目标参数

这个参数用来控制理想的优化目标和每一步结果的度量方法。

1、objective[默认reg:linear]

2、eval_metric[默认值取决于objective参数的取值]

3、seed(默认0)

如果你之前用的是Scikit-learn,你可能不太熟悉这些参数。但是有个好消息,python的XGBoost模块有一个sklearn包,XGBClassifier。这个包中的参数是按sklearn风格命名的。会改变的函数名是:

1、eta -> learning_rate
2、lambda -> reg_lambda
3、alpha -> reg_alpha

你肯定在疑惑为啥咱们没有介绍和GBM中的n_estimators类似的参数。XGBClassifier中确实有一个类似的参数,但是,是在标准XGBoost实现中调用拟合函数时,把它作为num_boosting_rounds参数传入。
XGBoost Guide 的一些部分是我强烈推荐大家阅读的,通过它可以对代码和参数有一个更好的了解:

XGBoost Parameters (official guide)
XGBoost Demo Codes (xgboost GitHub repository)
Python API Reference (official guide)

6. 调参示例

我们从Data Hackathon 3.x AV版的hackathon中获得数据集,和GBM 介绍文章中是一样的。更多的细节可以参考competition page
数据集可以从这里下载。我已经对这些数据进行了一些处理:

如果你有原始数据,可以从资源库里面下载data_preparationIpython notebook 文件,然后自己过一遍这些步骤。

首先,import必要的库,然后加载数据。

  1. #Import libraries:
  2. import pandas as pd
  3. import numpy as np
  4. import xgboost as xgb
  5. from xgboost.sklearn import XGBClassifier
  6. from sklearn import cross_validation, metrics #Additional scklearn functions
  7. from sklearn.grid_search import GridSearchCV #Perforing grid search
  8. import matplotlib.pylab as plt
  9. %matplotlib inline
  10. from matplotlib.pylab import rcParams
  11. rcParams['figure.figsize'] = 12, 4
  12. train = pd.read_csv('train_modified.csv')
  13. target = 'Disbursed'
  14. IDcol = 'ID'

注意我import了两种XGBoost:

在向下进行之前,我们先定义一个函数,它可以帮助我们建立XGBoost models 并进行交叉验证。好消息是你可以直接用下面的函数,以后再自己的models中也可以使用它。

  1. def modelfit(alg, dtrain, predictors,useTrainCV=True, cv_folds=5, early_stopping_rounds=50):
  2. if useTrainCV:
  3. xgb_param = alg.get_xgb_params()
  4. xgtrain = xgb.DMatrix(dtrain[predictors].values, label=dtrain[target].values)
  5. cvresult = xgb.cv(xgb_param, xgtrain, num_boost_round=alg.get_params()['n_estimators'], nfold=cv_folds,
  6. metrics='auc', early_stopping_rounds=early_stopping_rounds, show_progress=False)
  7. alg.set_params(n_estimators=cvresult.shape[0])
  8. #Fit the algorithm on the data
  9. alg.fit(dtrain[predictors], dtrain['Disbursed'],eval_metric='auc')
  10. #Predict training set:
  11. dtrain_predictions = alg.predict(dtrain[predictors])
  12. dtrain_predprob = alg.predict_proba(dtrain[predictors])[:,1]
  13. #Print model report:
  14. print "\nModel Report"
  15. print "Accuracy : %.4g" % metrics.accuracy_score(dtrain['Disbursed'].values, dtrain_predictions)
  16. print "AUC Score (Train): %f" % metrics.roc_auc_score(dtrain['Disbursed'], dtrain_predprob)
  17. feat_imp = pd.Series(alg.booster().get_fscore()).sort_values(ascending=False)
  18. feat_imp.plot(kind='bar', title='Feature Importances')
  19. plt.ylabel('Feature Importance Score')

这个函数和GBM中使用的有些许不同。不过本文章的重点是讲解重要的概念,而不是写代码。如果哪里有不理解的地方,请在下面评论,不要有压力。注意xgboost的sklearn包没有“feature_importance”这个量度,但是get_fscore()函数有相同的功能。

6.1 参数调优的一般方法

我们会使用和GBM中相似的方法。需要进行如下步骤:

  1. 选择较高的学习速率(learning rate)。一般情况下,学习速率的值为0.1。但是,对于不同的问题,理想的学习速率有时候会在0.05到0.3之间波动。选择对应于此学习速率的理想决策树数量。XGBoost有一个很有用的函数“cv”,这个函数可以在每一次迭代中使用交叉验证,并返回理想的决策树数量。

  2. 对于给定的学习速率和决策树数量,进行决策树特定参数调优(max_depth, min_child_weight, gamma, subsample, colsample_bytree)。在确定一棵树的过程中,我们可以选择不同的参数,待会儿我会举例说明。

  3. xgboost的正则化参数的调优。(lambda, alpha)。这些参数可以降低模型的复杂度,从而提高模型的表现。

  4. 降低学习速率,确定理想参数。

咱们一起详细地一步步进行这些操作。

第一步:确定学习速率和tree_based 参数调优的估计器数目

为了确定boosting参数,我们要先给其它参数一个初始值。咱们先按如下方法取值:

1、max_depth = 5 :这个参数的取值最好在3-10之间。我选的起始值为5,但是你也可以选择其它的值。起始值在4-6之间都是不错的选择。

2、min_child_weight = 1:在这里选了一个比较小的值,因为这是一个极不平衡的分类问题。因此,某些叶子节点下的值会比较小。

3、gamma = 0: 起始值也可以选其它比较小的值,在0.1到0.2之间就可以。这个参数后继也是要调整的。

4、subsample, colsample_bytree = 0.8: 这个是最常见的初始值了。典型值的范围在0.5-0.9之间。

5、scale_pos_weight = 1: 这个值是因为类别十分不平衡。
注意哦,上面这些参数的值只是一个初始的估计值,后继需要调优。这里把学习速率就设成默认的0.1。然后用xgboost中的cv函数来确定最佳的决策树数量。前文中的函数可以完成这个工作。

  1. #Choose all predictors except target & IDcols
  2. predictors = [x for x in train.columns if x not in [target,IDcol]]
  3. xgb1 = XGBClassifier(
  4. learning_rate =0.1,
  5. n_estimators=1000,
  6. max_depth=5,
  7. min_child_weight=1,
  8. gamma=0,
  9. subsample=0.8,
  10. colsample_bytree=0.8,
  11. objective= 'binary:logistic',
  12. nthread=4,
  13. scale_pos_weight=1,
  14. seed=27)
  15. modelfit(xgb1, train, predictors)

从输出结果可以看出,在学习速率为0.1时,理想的决策树数目是140。这个数字对你而言可能比较高,当然这也取决于你的系统的性能。

注意:在AUC(test)这里你可以看到测试集的AUC值。但是如果你在自己的系统上运行这些命令,并不会出现这个值。因为数据并不公开。这里提供的值仅供参考。生成这个值的代码部分已经被删掉了。

第二步: max_depth 和 min_weight 参数调优

我们先对这两个参数调优,是因为它们对最终结果有很大的影响。首先,我们先大范围地粗调参数,然后再小范围地微调。
注意:在这一节我会进行高负荷的栅格搜索(grid search),这个过程大约需要15-30分钟甚至更久,具体取决于你系统的性能。你也可以根据自己系统的性能选择不同的值。

  1. param_test1 = {
  2. 'max_depth':range(3,10,2),
  3. 'min_child_weight':range(1,6,2)
  4. }
  5. gsearch1 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=140, max_depth=5,
  6. min_child_weight=1, gamma=0, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8,
  7. objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1, seed=27),
  8. param_grid = param_test1, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
  9. gsearch1.fit(train[predictors],train[target])
  10. gsearch1.grid_scores_, gsearch1.best_params_, gsearch1.best_score_

输出结果

至此,我们对于数值进行了较大跨度的12中不同的排列组合,可以看出理想的max_depth值为5,理想的min_child_weight值为5。在这个值附近我们可以再进一步调整,来找出理想值。我们把上下范围各拓展1,因为之前我们进行组合的时候,参数调整的步长是2。

  1. param_test2 = {
  2. 'max_depth':[4,5,6],
  3. 'min_child_weight':[4,5,6]
  4. }
  5. gsearch2 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate=0.1, n_estimators=140, max_depth=5,
  6. min_child_weight=2, gamma=0, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8,
  7. objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27),
  8. param_grid = param_test2, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
  9. gsearch2.fit(train[predictors],train[target])
  10. gsearch2.grid_scores_, gsearch2.best_params_, gsearch2.best_score_

输出结果

至此,我们得到max_depth的理想取值为4,min_child_weight的理想取值为6。同时,我们还能看到cv的得分有了小小一点提高。需要注意的一点是,随着模型表现的提升,进一步提升的难度是指数级上升的,尤其是你的表现已经接近完美的时候。当然啦,你会发现,虽然min_child_weight的理想取值是6,但是我们还没尝试过大于6的取值。像下面这样,就可以尝试其它值。

  1. param_test2b = {
  2. 'min_child_weight':[6,8,10,12]
  3. }
  4. gsearch2b = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate=0.1, n_estimators=140, max_depth=4,
  5. min_child_weight=2, gamma=0, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test2b, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
  6. gsearch2b.fit(train[predictors],train[target])
  7. modelfit(gsearch3.best_estimator_, train, predictors)
  8. gsearch2b.grid_scores_, gsearch2b.best_params_, gsearch2b.best_score_

输出结果

我们可以看出,6确确实实是理想的取值了。

第三步:gamma参数调优

在已经调整好其它参数的基础上,我们可以进行gamma参数的调优了。Gamma参数取值范围可以很大,我这里把取值范围设置为5了。你其实也可以取更精确的gamma值。

  1. param_test3 = {
  2. 'gamma':[i/10.0 for i in range(0,5)]
  3. }
  4. gsearch3 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=140, max_depth=4, min_child_weight=6, gamma=0, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test3, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
  5. gsearch3.fit(train[predictors],train[target])
  6. gsearch3.grid_scores_, gsearch3.best_params_, gsearch3.best_score_

从这里可以看出来,我们在第一步调参时设置的初始gamma值就是比较合适的。也就是说,理想的gamma值为0。在这个过程开始之前,最好重新调整boosting回合,因为参数都有变化。
gamma
从这里,可以看出,得分提高了。所以,最终得到的参数是:

  1. xgb2 = XGBClassifier(
  2. learning_rate =0.1,
  3. n_estimators=1000,
  4. max_depth=4,
  5. min_child_weight=6,
  6. gamma=0,
  7. subsample=0.8,
  8. colsample_bytree=0.8,
  9. objective= 'binary:logistic',
  10. nthread=4,
  11. scale_pos_weight=1,
  12. seed=27)
  13. modelfit(xgb2, train, predictors)

最终参数

第四步:调整subsample 和 colsample_bytree 参数

下一步是尝试不同的subsample 和 colsample_bytree 参数。我们分两个阶段来进行这个步骤。这两个步骤都取0.6,0.7,0.8,0.9作为起始值。

  1. param_test4 = {
  2. 'subsample':[i/10.0 for i in range(6,10)],
  3. 'colsample_bytree':[i/10.0 for i in range(6,10)]
  4. }
  5. gsearch4 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=177, max_depth=3, min_child_weight=4, gamma=0.1, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test4, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
  6. gsearch4.fit(train[predictors],train[target])
  7. gsearch4.grid_scores_, gsearch4.best_params_, gsearch4.best_score_

gsearch4

从这里可以看出来,subsample 和 colsample_bytree 参数的理想取值都是0.8。现在,我们以0.05为步长,在这个值附近尝试取值。

  1. param_test5 = {
  2. 'subsample':[i/100.0 for i in range(75,90,5)],
  3. 'colsample_bytree':[i/100.0 for i in range(75,90,5)]
  4. }
  5. gsearch5 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=177, max_depth=4, min_child_weight=6, gamma=0, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test5, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
  6. gsearch5.fit(train[predictors],train[target])

output

我们得到的理想取值还是原来的值。因此,最终的理想取值是:

第五步:正则化参数调优

下一步是应用正则化来降低过拟合。由于gamma函数提供了一种更加有效地降低过拟合的方法,大部分人很少会用到这个参数。但是我们在这里也可以尝试用一下这个参数。我会在这里调整'reg_alpha'参数,然后'reg_lambda'参数留给你来完成。

  1. param_test6 = {
  2. 'reg_alpha':[1e-5, 1e-2, 0.1, 1, 100]
  3. }
  4. gsearch6 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=177, max_depth=4, min_child_weight=6, gamma=0.1, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test6, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
  5. gsearch6.fit(train[predictors],train[target])
  6. gsearch6.grid_scores_, gsearch6.best_params_, gsearch6.best_score_

output

我们可以看到,相比之前的结果,CV的得分甚至还降低了。但是我们之前使用的取值是十分粗糙的,我们在这里选取一个比较靠近理想值(0.01)的取值,来看看是否有更好的表现。

  1. param_test7 = {
  2. 'reg_alpha':[0, 0.001, 0.005, 0.01, 0.05]
  3. }
  4. gsearch7 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=177, max_depth=4, min_child_weight=6, gamma=0.1, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test7, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
  5. gsearch7.fit(train[predictors],train[target])
  6. gsearch7.grid_scores_, gsearch7.best_params_, gsearch7.best_score_

output7

可以看到,CV的得分提高了。现在,我们在模型中来使用正则化参数,来看看这个参数的影响。

  1. xgb3 = XGBClassifier(
  2. learning_rate =0.1,
  3. n_estimators=1000,
  4. max_depth=4,
  5. min_child_weight=6,
  6. gamma=0,
  7. subsample=0.8,
  8. colsample_bytree=0.8,
  9. reg_alpha=0.005,
  10. objective= 'binary:logistic',
  11. nthread=4,
  12. scale_pos_weight=1,
  13. seed=27)
  14. modelfit(xgb3, train, predictors)

out_put3

然后我们发现性能有了小幅度提高。

第6步:降低学习速率

最后,我们使用较低的学习速率,以及使用更多的决策树。我们可以用XGBoost中的CV函数来进行这一步工作。

  1. xgb4 = XGBClassifier(
  2. learning_rate =0.01,
  3. n_estimators=5000,
  4. max_depth=4,
  5. min_child_weight=6,
  6. gamma=0,
  7. subsample=0.8,
  8. colsample_bytree=0.8,
  9. reg_alpha=0.005,
  10. objective= 'binary:logistic',
  11. nthread=4,
  12. scale_pos_weight=1,
  13. seed=27)
  14. modelfit(xgb4, train, predictors)

此处输入图片的描述

至此,你可以看到模型的表现有了大幅提升,调整每个参数带来的影响也更加清楚了。
在文章的末尾,我想分享两个重要的思想:
1、仅仅靠参数的调整和模型的小幅优化,想要让模型的表现有个大幅度提升是不可能的。GBM的最高得分是0.8487,XGBoost的最高得分是0.8494。确实是有一定的提升,但是没有达到质的飞跃。
2、要想让模型的表现有一个质的飞跃,需要依靠其他的手段,诸如,特征工程(feature egineering) ,模型组合(ensemble of model),以及堆叠(stacking)等。

你可以从 这里 下载iPython notebook文件,里面包含了文章中提到的所有代码。如果你使用R语言,请阅读这篇文章

结束语

这篇文章主要讲了如何提升XGBoost模型的表现。首先,我们介绍了相比于GBM,为何XGBoost可以取得这么好的表现。紧接着,我们介绍了每个参数的细节。我们定义了一个可以重复使用的构造模型的函数。
最后,我们讨论了使用XGBoost解决问题的一般方法,在AV Data Hackathon 3.x problem数据上实践了这些方法。
希望看过这篇文章之后,你能有所收获,下次使用XGBoost解决问题的时候可以更有信心哦~

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