機器學習之AdaBoost原理與代碼實現


                                   AdaBoost原理與代碼實現

                                       本文系作者原創,轉載請注明出處: https://www.cnblogs.com/further-further-further/p/9642899.html 

基本思路

Adaboost體現的是“三個臭皮匠,勝過一個諸葛亮”,它是一種迭代算法,其核心思想是針對同一個訓練集訓練不同的分類器(弱分類器),

然后把這些弱分類器集合起來,構成一個更強的最終分類器(強分類器)。訓練過程如下(參考Andy的機器學習--淺析Adaboost算法,他說得非常形象,貼切。)

       

簡單的來說:圖中的y1(x),y2(x)....ym(x)都是弱分類器(顧名思義,弱分類器就是分類能力很弱,僅比隨機分類好一點點的分類器)
步驟:
1.  初始化了弱分類器 
2.  對  進行迭代處理產生了分類器 
3.  對  迭代處理產生了......
4.  依次迭代最后產生弱分類器 
5.  將m個分類器加權處理,得到一個強處理器
 

關鍵問題

1.  每一輪遍歷如何改變數據的權值或概率分布?

2.  如何將多個弱分類器組合成一個強分類器?

對於這兩個問題的解答,就是下面介紹的Adaboost原理

AdaBoost原理

AdaBoos流程

AdaBoost(adaptive boosting)的運行過程如下:訓練數據中的每個樣本,並賦予其一個權重,這些權重構成了向量D。一開始,

這些權重都初始化成相等值。首先在訓練數據上訓練出一個弱分類器並計算該分類器的錯誤率,然后在同一數據集上再次訓練

弱分類器。在分類器的第二次訓練中,將會重新調整每個樣本的權重,其中第一次分對的樣本的權重會降低,而第一次分錯的樣本

權重將會提高。為了從所有弱分類器中得到最終的分類結果,Adaboost為每個分類器都分配了一個權重alpha,這些alpha值是基於

每個弱分類器的錯誤率計算的。其中,錯誤率  的定義為:

        

而alpha的計算公式如下:

      

D的計算方法如下(始終把握一個原則:正確分類時權重要降低,錯誤分類時權重要升高,權重升高意味着提升關注度,需要重點優化):

如果某個樣本被正確分類,那么該樣本的權重更改為:

         

而如果某個樣本被錯分,那么該樣本的權重更改為:

          

在計算出D之后,AdaBoost又開始進入下一輪迭代。AdaBoost算法會不斷地重復訓練和調整權重的過程,直到訓練錯誤率為0或者分類器的數目達到用戶

的指定值為止。

AdaBoost算法原理

假設我們的訓練樣本是

訓練集的在第k個弱學習器的輸出權重為

由於多元分類是二元分類的推廣,這里假設我們是二元分類問題,輸出為{-1,1},則第k個弱分類器Gk(x)在訓練集上的加權誤差率為:

看弱學習器權重系數,對於二元分類問題,第k個弱分類器Gk(x)的權重系數為:

更新更新樣本權重D。假設第k個弱分類器的樣本集權重系數為 ,則對應的第k+1個弱分類器的樣本集權重系數為:

 是規范化因子,它使  成為一個概率分布。

集合策略,Adaboost分類采用的是加權求和法,最終的強分類器為

代碼實現

輸入數據

這里同樣是使用一個訓練數據文件 horseColicTraining2.txt 和一個測試數據文件 horseColicTest2.txt

horseColicTraining2.txt

  1 2.000000    1.000000    38.500000    66.000000    28.000000    3.000000    3.000000    0.000000    2.000000    5.000000    4.000000    4.000000    0.000000    0.000000    0.000000    3.000000    5.000000    45.000000    8.400000    0.000000    0.000000    -1.000000
  2 1.000000    1.000000    39.200000    88.000000    20.000000    0.000000    0.000000    4.000000    1.000000    3.000000    4.000000    2.000000    0.000000    0.000000    0.000000    4.000000    2.000000    50.000000    85.000000    2.000000    2.000000    -1.000000
  3 2.000000    1.000000    38.300000    40.000000    24.000000    1.000000    1.000000    3.000000    1.000000    3.000000    3.000000    1.000000    0.000000    0.000000    0.000000    1.000000    1.000000    33.000000    6.700000    0.000000    0.000000    1.000000
  4 1.000000    9.000000    39.100000    164.000000    84.000000    4.000000    1.000000    6.000000    2.000000    2.000000    4.000000    4.000000    1.000000    2.000000    5.000000    3.000000    0.000000    48.000000    7.200000    3.000000    5.300000    -1.000000
  5 2.000000    1.000000    37.300000    104.000000    35.000000    0.000000    0.000000    6.000000    2.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    74.000000    7.400000    0.000000    0.000000    -1.000000
  6 2.000000    1.000000    0.000000    0.000000    0.000000    2.000000    1.000000    3.000000    1.000000    2.000000    3.000000    2.000000    2.000000    1.000000    0.000000    3.000000    3.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    1.000000
  7 1.000000    1.000000    37.900000    48.000000    16.000000    1.000000    1.000000    1.000000    1.000000    3.000000    3.000000    3.000000    1.000000    1.000000    0.000000    3.000000    5.000000    37.000000    7.000000    0.000000    0.000000    1.000000
  8 1.000000    1.000000    0.000000    60.000000    0.000000    3.000000    0.000000    0.000000    1.000000    0.000000    4.000000    2.000000    2.000000    1.000000    0.000000    3.000000    4.000000    44.000000    8.300000    0.000000    0.000000    -1.000000
  9 2.000000    1.000000    0.000000    80.000000    36.000000    3.000000    4.000000    3.000000    1.000000    4.000000    4.000000    4.000000    2.000000    1.000000    0.000000    3.000000    5.000000    38.000000    6.200000    0.000000    0.000000    -1.000000
 10 2.000000    9.000000    38.300000    90.000000    0.000000    1.000000    0.000000    1.000000    1.000000    5.000000    3.000000    1.000000    2.000000    1.000000    0.000000    3.000000    0.000000    40.000000    6.200000    1.000000    2.200000    1.000000
 11 1.000000    1.000000    38.100000    66.000000    12.000000    3.000000    3.000000    5.000000    1.000000    3.000000    3.000000    1.000000    2.000000    1.000000    3.000000    2.000000    5.000000    44.000000    6.000000    2.000000    3.600000    1.000000
 12 2.000000    1.000000    39.100000    72.000000    52.000000    2.000000    0.000000    2.000000    1.000000    2.000000    1.000000    2.000000    1.000000    1.000000    0.000000    4.000000    4.000000    50.000000    7.800000    0.000000    0.000000    1.000000
 13 1.000000    1.000000    37.200000    42.000000    12.000000    2.000000    1.000000    1.000000    1.000000    3.000000    3.000000    3.000000    3.000000    1.000000    0.000000    4.000000    5.000000    0.000000    7.000000    0.000000    0.000000    1.000000
 14 2.000000    9.000000    38.000000    92.000000    28.000000    1.000000    1.000000    2.000000    1.000000    1.000000    3.000000    2.000000    3.000000    0.000000    7.200000    1.000000    1.000000    37.000000    6.100000    1.000000    0.000000    -1.000000
 15 1.000000    1.000000    38.200000    76.000000    28.000000    3.000000    1.000000    1.000000    1.000000    3.000000    4.000000    1.000000    2.000000    2.000000    0.000000    4.000000    4.000000    46.000000    81.000000    1.000000    2.000000    1.000000
 16 1.000000    1.000000    37.600000    96.000000    48.000000    3.000000    1.000000    4.000000    1.000000    5.000000    3.000000    3.000000    2.000000    3.000000    4.500000    4.000000    0.000000    45.000000    6.800000    0.000000    0.000000    -1.000000
 17 1.000000    9.000000    0.000000    128.000000    36.000000    3.000000    3.000000    4.000000    2.000000    4.000000    4.000000    3.000000    3.000000    0.000000    0.000000    4.000000    5.000000    53.000000    7.800000    3.000000    4.700000    -1.000000
 18 2.000000    1.000000    37.500000    48.000000    24.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    1.000000
 19 1.000000    1.000000    37.600000    64.000000    21.000000    1.000000    1.000000    2.000000    1.000000    2.000000    3.000000    1.000000    1.000000    1.000000    0.000000    2.000000    5.000000    40.000000    7.000000    1.000000    0.000000    1.000000
 20 2.000000    1.000000    39.400000    110.000000    35.000000    4.000000    3.000000    6.000000    0.000000    0.000000    3.000000    3.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    55.000000    8.700000    0.000000    0.000000    1.000000
 21 1.000000    1.000000    39.900000    72.000000    60.000000    1.000000    1.000000    5.000000    2.000000    5.000000    4.000000    4.000000    3.000000    1.000000    0.000000    4.000000    4.000000    46.000000    6.100000    2.000000    0.000000    1.000000
 22 2.000000    1.000000    38.400000    48.000000    16.000000    1.000000    0.000000    1.000000    1.000000    1.000000    3.000000    1.000000    2.000000    3.000000    5.500000    4.000000    3.000000    49.000000    6.800000    0.000000    0.000000    1.000000
 23 1.000000    1.000000    38.600000    42.000000    34.000000    2.000000    1.000000    4.000000    0.000000    2.000000    3.000000    1.000000    0.000000    0.000000    0.000000    1.000000    0.000000    48.000000    7.200000    0.000000    0.000000    1.000000
 24 1.000000    9.000000    38.300000    130.000000    60.000000    0.000000    3.000000    0.000000    1.000000    2.000000    4.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    50.000000    70.000000    0.000000    0.000000    1.000000
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64 2.000000    1.000000    37.800000    42.000000    40.000000    1.000000    1.000000    1.000000    1.000000    1.000000    3.000000    1.000000    0.000000    0.000000    0.000000    3.000000    3.000000    36.000000    6.200000    0.000000    0.000000    1.000000
65 1.000000    1.000000    38.000000    60.000000    12.000000    1.000000    1.000000    2.000000    1.000000    2.000000    1.000000    1.000000    1.000000    1.000000    0.000000    1.000000    4.000000    44.000000    65.000000    3.000000    2.000000    -1.000000
66 2.000000    1.000000    38.000000    42.000000    12.000000    3.000000    0.000000    3.000000    1.000000    1.000000    1.000000    1.000000    0.000000    0.000000    0.000000    0.000000    1.000000    37.000000    5.800000    0.000000    0.000000    1.000000
67 2.000000    1.000000    37.600000    88.000000    36.000000    3.000000    1.000000    1.000000    1.000000    3.000000    3.000000    2.000000    1.000000    3.000000    1.500000    0.000000    0.000000    44.000000    6.000000    0.000000    0.000000    -1.000000
測試數據集

AdaBoost算法實現(myAdaboost.py)

每個方法的作用,以及每行代碼的作用,同樣我都做了詳細的注解。

值得一提的是,我將 找到分類器錯誤率最小的算法buildStump進行了改造(相比於機器學習實戰中對應的樣例,可以明顯提升運行速度),

在閾值不等式遍歷時,如果在“lt”符號遍歷的差錯率 weightedError < 1 - weightedError,該閾值不等式遍歷就結束,

不需要進行“gt”的遍歷。運行結果和機器學習實踐還是一樣的。

 

  1 # -*- coding: utf-8 -*-
  2 """
  3 Created on Thu Sep 13 13:37:39 2018
  4 Adaboost(adaptive Boosting): 多個弱分類器集成為強分類器
  5 @author: weixw
  6 """
  7 import numpy as np
  8 
  9 #輸入:數據文件
 10 #功能:加載文件,文件最后一列是標簽數據,分離特征數據集與標簽數據集
 11 #     自動檢測多少列特征數據並分離
 12 #輸出:特征數據集,標簽數據集
 13 def loadDataSet(fileName):
 14     #特征數據列長度
 15     numberFeat = len(open(fileName).readline().split('\t')) - 1
 16     dataSet = []; labelSet = []
 17     fr = open(fileName)
 18     for line in fr.readlines():
 19         lineArr = []
 20         #去除收尾空格,然后分割每一列
 21         curLine = line.strip().split('\t')
 22         #保存每一列特征數據
 23         for i in range(numberFeat):
 24             lineArr.append(float(curLine[i]))
 25         dataSet.append(lineArr)
 26         labelSet.append(float(curLine[-1]))
 27     return dataSet, labelSet
 28 
 29 #輸入:特征數據集,列索引(特征維數),某一特征的分類閾值,分類不等式符號
 30 #功能:輸出決策樹樁標簽,滿足閾值要求更新標簽值
 31 #輸出:更新后標簽列
 32 def stumpClassify(dataMatrix, columnIndex, threshVal, threshIneq):
 33     #初始化
 34     retLabelArray = np.ones((np.shape(dataMatrix)[0], 1))
 35     #'lt':less than <=
 36     if threshIneq == 'lt':
 37         retLabelArray[dataMatrix[:,columnIndex] <= threshVal] = -1.0
 38     else:
 39         retLabelArray[dataMatrix[:,columnIndex] >= threshVal] = -1.0
 40     return retLabelArray
 41 
 42 #輸入:特征數據集,標簽數據集,權重矩陣
 43 #功能:找到分類錯誤率最小的單層決策樹(分類器)
 44 #輸出:最佳分類器 特征列索引,閾值,閾值對應不等式符號('lt' 或 'gt'),最小加權差錯率,該權值向量D下的分類標簽估計值
 45 def buildStumpFurther(dataSet, labelSet, D):
 46     #將數組轉化為矩陣
 47     dataMatrix = np.mat(dataSet)
 48     labelMatrix = np.mat(labelSet).T
 49     #獲取特征數據集行,列最大值
 50     m, n = np.shape(dataMatrix)
 51     #決定步長大小,越大則步長越小,分類准確度越高,但運算次數也越多
 52     numSteps = 10.0
 53     #初始化最佳分類器參數
 54     bestClassifier = {}; bestClassEst = np.mat(np.zeros((m, 1))); minError = np.inf
 55     #每一列都是一個特征,循環遍歷所有特征,找到差錯最小時特征維數,閾值,以及比較符號
 56     for i in range(n):
 57         #獲取對應列最小值,最大值
 58         columnMin = dataMatrix[:, i].min(); columnMax = dataMatrix[:, i].max()
 59         #步長
 60         stepSize = (columnMax - columnMin)/numSteps
 61         #遍歷步長所有值,獲取最佳閾值
 62         for j in range(-1, int(numSteps)+1):
 63             #遍歷閾值所有可能不等式符號
 64             for inequal in ['lt', 'gt']:
 65                 threshVal = columnMin + float(j)*stepSize
 66                 #獲取預測標簽列表
 67                 predictedVals = stumpClassify(dataMatrix, i, threshVal, inequal)
 68                 #獲取當前列中哪些行(1)預測出錯,設置1表示出錯是便於后續量化計算差錯權重(巧妙)
 69                 errArr = np.mat(np.ones((m, 1)))
 70                 errArr[predictedVals == labelMatrix] = 0
 71                 #差錯權重 1*n n*1 => 1*1
 72                 weightedError = D.T*errArr
 73                 #因為prop_lt + prop_gt = 1,所以如果prop_lt < 1- prop_gt,就不需要繼續循環計算inequal = 'gt'的情況,
 74                 #提高運行速度
 75                 if weightedError <= 1 - weightedError:
 76                     #始終保持minError是最小值
 77                     if weightedError < minError:
 78                         minError = weightedError
 79                         #predictedVals每次都更新,更新后的值不一定是最佳的預測值,所以這里需要new一個新的內存空間,然后賦值
 80                         bestClassEst = predictedVals.copy()
 81                         bestClassifier['dim'] = i
 82                         bestClassifier['thresh'] = threshVal
 83                         bestClassifier['ineq'] = inequal
 84                     #'lt','gt'只需遍歷一次,prop_lt + prop_gt = 1
 85                     break
 86                 
 87     return bestClassifier, minError, bestClassEst
 88 
 89 #輸入:特征數據集,標簽數據集,分類器個數最大值(如果在遍歷時錯誤率為0,則真實分類器個數 < 最大值)
 90 #功能:針對同一個訓練集訓練不同的分類器(弱分類器),
 91 #     然后把這些弱分類器集合起來,構成一個更強的最終分類器(強分類器)。
 92 #輸出:弱分類器數組(包含特征列索引,閾值,閾值對應不等式符號('lt' 或 'gt'),alpha權重系數),標簽預測數組
 93 def adaBoostTrainDS(dataSet, labelSet, classifierNumberMax):
 94     #弱分類器數組初始化
 95     weakClassifierArr = []
 96     #特征數據行數
 97     m = np.shape(dataSet)[0]
 98     #初始樣本權重
 99     D = np.mat(np.ones((m, 1))/m)
100     #初始預測集成標簽矩陣
101     preIntegrationLabelsMat = np.mat(np.zeros((m, 1)))
102     for i in range(classifierNumberMax):
103         #找到分類錯誤率最小的分類器
104         #特征列索引,閾值,閾值對應不等式符號('lt' 或 'gt'),最小加權差錯率,該權值向量D下的分類標簽估計值
105         bestClassifier, error, preLabelsMat = buildStumpFurther(dataSet, labelSet, D)
106         #計算樣本系數alpha 已自然對數e為底 ,為防止分母為0,所以max(error, 1e - 16)
107         alpha = float(0.5 * np.log((1.0 - error)/max(error, 1e-16)))
108         #保存樣本系數值
109         bestClassifier['alpha'] = alpha
110         #保存某一次遍歷得到的最佳弱分類器
111         weakClassifierArr.append(bestClassifier)
112         #樣本權重矩陣更新算法:
113         #如果第i個樣本被正確分類了,那么在下一次迭代過程中,該樣本的權重DiI就會降低。
114         #如果第i個樣本沒有被正確分類,那么在下次迭代過程中,該樣本的權重Di就會升高。
115         #很巧妙有沒有 機器學習實踐公式
116         #錯誤分類樣本expon_i通過下面算法得到的結果始終 > 0 ,從而在指數運算中得到權重就會升高;
117         #正確分類結果始終為 < 0,,從而在指數運算中得到權重就會降低;
118         expon = np.multiply(-1*alpha*np.mat(labelSet).T, preLabelsMat)
119         D = np.multiply(D, np.exp(expon))
120         D = D/D.sum()
121         #所有弱分類器集成后結果估計值
122         preIntegrationLabelsMat += alpha*preLabelsMat
123         #計算分類器集成后的錯誤矩陣,錯誤設置為1,便於后續計算。很巧妙,需要慢慢品味。
124         integrationErrors = np.multiply(np.sign(preIntegrationLabelsMat) != np.mat(labelSet).T, np.ones((m, 1)))
125         #計算錯誤率
126         errorRate = integrationErrors.sum()/m
127         print ("集成第 %d 個弱分類器后的錯誤率: %f"% (i, errorRate))
128         #錯誤率為0,說明此時的分類器已達到最佳,終止。
129         if errorRate == 0.0 :
130             break
131         
132     return weakClassifierArr, preIntegrationLabelsMat
133 
134 #輸入:測試數據,集成分類器
135 #功能:根據集成分類器,預測測試數據的結果
136 #輸出:預測結果
137 def adaClassify(testDataSet, classifierArr):
138     dataMat = np.mat(testDataSet)
139     m = np.shape(dataMat)[0]
140     #初始預測集成標簽矩陣
141     preIntegrationLabelsMat = np.mat(np.zeros((m, 1)))
142     for i in range(len(classifierArr[0])):
143         classEst = stumpClassify(dataMat,classifierArr[0][i]['dim'],\
144                                  classifierArr[0][i]['thresh'],\
145                                  classifierArr[0][i]['ineq'])#call stump classify
146         #將每一個分類器*權重系數alpha,求和,得到最終的強分類器
147         preIntegrationLabelsMat += classifierArr[0][i]['alpha']*classEst
148     print ("弱分類器集成后的估計值:%s"% str(preIntegrationLabelsMat))
149     return np.sign(preIntegrationLabelsMat)
150         
151         
152         
153     
154 
155 
156                         
157                         
158                 
159     
160     
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165     
166     
167 
168 
169         
AdaBoost算法實現

測試代碼(testMyAdaboost.py)

 1 # -*- coding: utf-8 -*-
 2 """
 3 Created on Thu Sep 13 17:38:44 2018
 4 
 5 @author: weixw
 6 """
 7 
 8 import myAdaboost as ab
 9 import numpy as np
10 
11 
12 #5個分類器訓練錯誤率:25.41%
13 #10個分類器訓練錯誤率:23.07%
14 #50個分類器訓練錯誤率:18.73%
15 #100個分類器訓練錯誤率:19.06%
16 #500個分類器訓練錯誤率:15.71%
17 datArr, labelArr = ab.loadDataSet('horseColicTraining2.txt')
18 #50 表示分類器個數最大值(如果差錯率不為0,就表示分類器個數)
19 classifierArray = ab.adaBoostTrainDS(datArr, labelArr, 50)
20 
21 
22 #5個分類器測試錯誤數:17  測試錯誤率:25.37%
23 #10個分類器測試錯誤數:16  測試錯誤率:23.88%
24 #50個分類器測試錯誤數:14  測試錯誤率:20.89%
25 #100個分類器測試錯誤數:15  測試錯誤率:22.38%
26 #500個分類器測試錯誤數:17  測試錯誤率:25.37%
27 testArr, testLabelArr = ab.loadDataSet('horseColicTest2.txt')
28 prediction10 = ab.adaClassify(testArr, classifierArray)
29 errArr = np.mat(np.ones((np.shape(testArr)[0], 1)))
30 errSum = errArr[prediction10 != np.mat(testLabelArr).T].sum()
31 print ("測試錯誤數:%d"% errSum)
32 print ("測試錯誤率:%f"% float(errSum/np.shape(testArr)[0]))
測試代碼

運行結果

如果將分類器數目設定為1 - 500之前不同的數字,並運行上述過程。這時,得到的結果如下所示:

由上表可以看出,測試錯誤率在達到了一個最小值之后又開始上升了,這類現象稱之為過擬合(overfitting)。理論上,

AdaBoost是不會存在過擬合的,只會到達一個最小值后趨於穩定。這里是因為數據集的問題。

參考文獻

    《機器學習實戰》

    《統計學習方法》

     知乎:https://zhuanlan.zhihu.com/p/23987221

     博客:https://blog.csdn.net/Mbx8X9u/article/details/78211995
 
 
 
 

 不要讓懶惰占據你的大腦,不要讓妥協拖垮了你的人生。青春就是一張票,能不能趕上時代的快車,你的步伐就掌握在你的腳下。


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