机器学习之模型融合

1 模型融合简介

模型融合是比赛后期上分的重要手段，特别是多人组队学习的比赛中，将不同队友的模型进行融合，可能会收获意想不到的效果哦，往往模型相差越大且模型表现都不错的前提下，模型融合后结果会有大幅提升，以下是模型融合的方式。

2 平均法

2.1 简单平均法

简单加权平均，结果直接融合，求多个预测结果的平均值。pre1-pren分别是n组模型预测出来的结果，将其进行加权融。

pre = (pre1 + pre2 + pre3 +...+pren )/n

2.2 加权平均法

加权平均法一般根据之前预测模型的准确率，进行加权融合，将准确性高的模型赋予更高的权重。

pre = 0.3pre1 + 0.3pre2 + 0.4pre3

3 投票法（Voting）

3.1 简单投票法（hard voting）

from xgboost import XGBClassifier
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, VotingClassifier
clf1 = LogisticRegression(random_state=1)
clf2 = RandomForestClassifier(random_state=1)
clf3 = XGBClassifier(learning_rate=0.1, 
                     n_estimators=150, 
                     max_depth=4, 
                     min_child_weight=2, 
                     subsample=0.7,
                     objective='binary:logistic')
 
vclf = VotingClassifier(estimators=[('lr', clf1), ('rf', clf2), ('xgb', clf3)])
vclf = vclf .fit(x_train,y_train)
print(vclf .predict(x_test))

3.2 加权投票法（soft voting）

from xgboost import XGBClassifier
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, VotingClassifier

clf1 = LogisticRegression(random_state=1)
clf2 = RandomForestClassifier(random_state=1)
clf3 = XGBClassifier(learning_rate=0.1, 
                     n_estimators=150, 
                     max_depth=4, 
                     min_child_weight=2, 
                     subsample=0.7,
                     objective='binary:logistic')
 
vclf = VotingClassifier(estimators=[('lr', clf1), ('rf', clf2), ('xgb', clf3)], voting='soft', weights=[2, 1, 1])
vclf = vclf .fit(x_train,y_train)
print(vclf .predict(x_test))

4 stacking\blending详解

参考资料： https://blog.csdn.net/wuzhongqiang/article/details/105012739

4.1 stacking

将若干基学习器获得的预测结果，将预测结果作为新的训练集来训练一个学习器。如下图，假设有五个基学习器，将数据带入五个基学习器中得到预测结果，再带入模型六中进行训练预测。但是由于直接由五个基学习器获得结果直接带入模型六中，容易导致过拟合。所以在使用五个及模型进行预测的时候，可以考虑使用K折验证，防止过拟合。

stacking原理

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
import itertools
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.gridspec as gridspec
from sklearn import datasets
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.naive_bayes import GaussianNB 
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from mlxtend.classifier import StackingClassifier    # stacking模型
from sklearn.model_selection import cross_val_score, train_test_split
from mlxtend.plotting import plot_learning_curves
from mlxtend.plotting import plot_decision_regions

# 以python自带的鸢尾花数据集为例
iris = datasets.load_iris()
X, y = iris.data[:, 1:3], iris.target

clf1 = KNeighborsClassifier(n_neighbors=1)
clf2 = RandomForestClassifier(random_state=1)
clf3 = GaussianNB()
lr = LogisticRegression()
sclf = StackingClassifier(classifiers=[clf1, clf2, clf3], 
                          meta_classifier=lr)

label = ['KNN', 'Random Forest', 'Naive Bayes', 'Stacking Classifier']
clf_list = [clf1, clf2, clf3, sclf]
    
fig = plt.figure(figsize=(10,8))
gs = gridspec.GridSpec(2, 2)
grid = itertools.product([0,1],repeat=2)

clf_cv_mean = []
clf_cv_std = []

for clf, label, grd in zip(clf_list, label, grid):
        
    scores = cross_val_score(clf, X, y, cv=5, scoring='accuracy')
    print("Accuracy: %.2f (+/- %.2f) [%s]" %(scores.mean(), scores.std(), label))
    clf_cv_mean.append(scores.mean())
    clf_cv_std.append(scores.std())
        
    clf.fit(X, y)
    ax = plt.subplot(gs[grd[0], grd[1]])
    fig = plot_decision_regions(X=X, y=y, clf=clf)
    plt.title(label)

plt.show()

Accuracy: 0.91 (+/- 0.07) [KNN]
Accuracy: 0.94 (+/- 0.04) [Random Forest]
Accuracy: 0.91 (+/- 0.04) [Naive Bayes]
Accuracy: 0.94 (+/- 0.04) [Stacking Classifier]

预测结果

4.2 blending

与stacking不同，blending是将预测的值作为新的特征和原特征合并，构成新的特征值，用于预测。为了防止过拟合，将数据分为两部分d1、d2，使用d1的数据作为训练集，d2数据作为测试集。预测得到的数据作为新特征使用d2的数据作为训练集结合新特征，预测测试集结果。

blending模型

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
import itertools
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.ensemble import ExtraTreesClassifier
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier
from sklearn.metrics import roc_auc_score

# 以python自带的鸢尾花数据集为例
iris = datasets.load_iris()
data_0 = iris.data
data = data_0[:100,:]
target_0 = iris.target
target = target_0[:100]
 
#模型融合中基学习器
clfs = [LogisticRegression(),
        RandomForestClassifier(),
        ExtraTreesClassifier(),
        GradientBoostingClassifier()]
 
#切分一部分数据作为测试集
X, X_predict, y, y_predict = train_test_split(data, target, test_size=0.3, random_state=914)

#切分训练数据集为d1,d2两部分
X_d1, X_d2, y_d1, y_d2 = train_test_split(X, y, test_size=0.5, random_state=914)
dataset_d1 = np.zeros((X_d2.shape[0], len(clfs)))
dataset_d2 = np.zeros((X_predict.shape[0], len(clfs)))
 
for j, clf in enumerate(clfs):
    #依次训练各个单模型
    clf.fit(X_d1, y_d1)
    y_submission = clf.predict_proba(X_d2)[:, 1]
    dataset_d1[:, j] = y_submission
    #对于测试集，直接用这k个模型的预测值作为新的特征。
    dataset_d2[:, j] = clf.predict_proba(X_predict)[:, 1]
    print("val auc Score: %f" % roc_auc_score(y_predict, dataset_d2[:, j]))

#融合使用的模型
clf = GradientBoostingClassifier()
clf.fit(dataset_d1, y_d2)
y_submission = clf.predict_proba(dataset_d2)[:, 1]
print("Val auc Score of Blending: %f" % (roc_auc_score(y_predict, y_submission)))

val auc Score: 1.000000
val auc Score: 1.000000
val auc Score: 1.000000
val auc Score: 1.000000
Val auc Score of Blending: 1.000000

4.3 Blending与stacking的不同

stacking

stacking中由于两层使用的数据不同，所以可以避免信息泄露的问题。
在组队竞赛的过程中，不需要给队友分享自己的随机种子。

Blending

由于blending对将数据划分为两个部分，在最后预测时有部分数据信息将被忽略。
同时在使用第二层数据时可能会因为第二层数据较少产生过拟合现象。