机器学习中的调参

一、逻辑回归

class sklearn.linear_model.LogisticRegression(penalty='l2', dual=False, tol=0.0001, C=1.0, fit_intercept=True, intercept_scaling=1, class_weight=None, random_state=None, solver='liblinear', max_iter=100, multi_class='ovr', verbose=0, warm_start=False, n_jobs=1)

1.1 概述

在scikit-learn中,与逻辑回归有关的主要是这3个类。

  • logisticRegression
  • LogisticRegressionCV
  • logistic_regression_path

其中LogisticRegression和LogisticRegressionCV的主要区别是LogisticRegressionCV使用了交叉验证来选择正则化系数C。而LogisticRegression需要自己每次指定一个正则化系数。除了交叉验证,以及选择正则化系数C以外, LogisticRegression和LogisticRegressionCV的使用方法基本相同。
logistic_regression_path类则比较特殊,它拟合数据后,不能直接来做预测,只能为拟合数据选择合适逻辑回归的系数和正则化系数。主要是用在模型选择的时候。一般情况用不到这个类,所以后面不再讲述logistic_regression_path类。
此外,scikit-learn里面有个容易让人误解的类RandomizedLogisticRegression,虽然名字里有逻辑回归的词,但是主要是用L1正则化的逻辑回归来做特征选择的,属于维度规约的算法类,不属于我们常说的分类算法的范畴。
后面的讲解主要围绕LogisticRegression和LogisticRegressionCV中的重要参数的选择来来展开,这些参数的意义在这两个类中都是一样的。

1.2 正则化选择参数:penalty

penalty参数可选择的值为"l1"和"l2",默认是L2.

在调参时如果我们主要的目的只是为了解决过拟合,一般penalty选择L2正则化就够了。但是如果选择L2正则化发现还是过拟合,即预测效果差的时候,就可以考虑L1正则化。另外,如果模型的特征非常多,我们希望一些不重要的特征系数归零,从而让模型系数稀疏化的话,也可以使用L1正则化。

penalty参数的选择会影响我们损失函数优化算法的选择。即参数solver的选择,如果是L2正则化,那么4种可选的算法{‘newton-cg’, ‘lbfgs’, ‘liblinear’, ‘sag’}都可以选择。但是如果penalty是L1正则化的话,就只能选择‘liblinear’了。这是因为L1正则化的损失函数不是连续可导的,而{‘newton-cg’, ‘lbfgs’,‘sag’}这三种优化算法时都需要损失函数的一阶或者二阶连续导数。而‘liblinear’并没有这个依赖。

1.3 优化算法选择参数:solver

  • a) liblinear:使用了开源的liblinear库实现,内部使用了坐标轴下降法来迭代优化损失函数。
  • b) lbfgs:拟牛顿法的一种,利用损失函数二阶导数矩阵即海森矩阵来迭代优化损失函数。
  • c) newton-cg:也是牛顿法家族的一种,利用损失函数二阶导数矩阵即海森矩阵来迭代优化损失函数。
  • d) sag:即随机平均梯度下降,适合于样本数据多的时候,比如大于10万。SAG是一种线性收敛算法,这个速度远比SGD快。

在sklearn的官方文档中,对于solver的使用说明如下:

In a nutshell, one may choose the solver with the following rules:


  • Small dataset or L1 penalty:“liblinear”

  • Multinomial loss or large dataset:“lbfgs”, “sag” or “newton-cg”

  • Very Large dataset:“sag”


从上面的描述,大家可能觉得,既然newton-cg, lbfgs和sag这么多限制,如果不是大样本,我们选择liblinear不就行了嘛!错,因为liblinear也有自己的弱点!我们知道,逻辑回归有二元逻辑回归和多元逻辑回归。对于多元逻辑回归常见的有one-vs-rest(OvR)和many-vs-many(MvM)两种。而MvM一般比OvR分类相对准确一些。郁闷的是liblinear只支持OvR,不支持MvM,这样如果我们需要相对精确的多元逻辑回归时,就不能选择liblinear了。也意味着如果我们需要相对精确的多元逻辑回归不能使用L1正则化了。

总结而言,liblinear支持L1和L2,只支持OvR做多分类,“lbfgs”, “sag” “newton-cg”只支持L2,支持OvR和MvM做多分类。

1.4 分类方式选择参数:multi_class

multi_class参数决定了我们分类方式的选择,有 ovr和multinomial两个值可以选择,默认是 ovr。ovr即前面提到的one-vs-rest(OvR),而multinomial即前面提到的many-vs-many(MvM)。

OvR的思想很简单,无论你是多少元逻辑回归,我们都可以看做二元逻辑回归。具体做法是,对于第K类的分类决策,我们把所有第K类的样本作为正例,除了第K类样本以外的所有样本都作为负例,然后在上面做二元逻辑回归,得到第K类的分类模型。其他类的分类模型获得以此类推。
而MvM则相对复杂,这里举MvM的特例one-vs-one(OvO)作讲解。如果模型有T类,我们每次在所有的T类样本里面选择两类样本出来,不妨记为T1类和T2类,把所有的输出为T1和T2的样本放在一起,把T1作为正例,T2作为负例,进行二元逻辑回归,得到模型参数。我们一共需要T(T-1)/2次分类。
从上面的描述可以看出OvR相对简单,但分类效果相对略差(这里指大多数样本分布情况,某些样本分布下OvR可能更好)。而MvM分类相对精确,但是分类速度没有OvR快。

1.5 类型权重参数: class_weight

class_weight参数用于标示分类模型中各种类型的权重,可以不输入,即不考虑权重,或者说所有类型的权重一样。如果选择输入的话,可以选择balanced让类库自己计算类型权重,或者我们自己输入各个类型的权重,比如对于0,1的二元模型,我们可以定义class_weight={0:0.9, 1:0.1},这样类型0的权重为90%,而类型1的权重为10%。
如果class_weight选择balanced,那么类库会根据训练样本量来计算权重。某种类型样本量越多,则权重越低,样本量越少,则权重越高。
sklearn的官方文档中,当class_weight为balanced时,类权重计算方法如下:
n_samples / (n_classes * np.bincount(y)),n_samples为样本数,n_classes为类别数量,np.bincount(y)会输出每个类的样本数,例如y=[1,0,0,1,1],则np.bincount(y)=[2,3]

那么class_weight有什么作用呢?在分类模型中,我们经常会遇到两类问题:

第一种是误分类的代价很高。比如对合法用户和非法用户进行分类,将非法用户分类为合法用户的代价很高,我们宁愿将合法用户分类为非法用户,这时可以人工再甄别,但是却不愿将非法用户分类为合法用户。这时,我们可以适当提高非法用户的权重。

第二种是样本是高度失衡的,比如我们有合法用户和非法用户的二元样本数据10000条,里面合法用户有9995条,非法用户只有5条,如果我们不考虑权重,则我们可以将所有的测试集都预测为合法用户,这样预测准确率理论上有99.95%,但是却没有任何意义。这时,我们可以选择balanced,让类库自动提高非法用户样本的权重。
提高了某种分类的权重,相比不考虑权重,会有更多的样本分类划分到高权重的类别,从而可以解决上面两类问题。
当然,对于第二种样本失衡的情况,我们还可以考虑用下一节讲到的样本权重参数: sample_weight,而不使用class_weight。sample_weight在下一节讲。

1.6 样本权重参数: sample_weight

上一节我们提到了样本不失衡的问题,由于样本不平衡,导致样本不是总体样本的无偏估计,从而可能导致我们的模型预测能力下降。遇到这种情况,我们可以通过调节样本权重来尝试解决这个问题。调节样本权重的方法有两种,第一种是在class_weight使用balanced。第二种是在调用fit函数时,通过sample_weight来自己调节每个样本权重。

在scikit-learn做逻辑回归时,如果上面两种方法都用到了,那么样本的真正权重是class_weight*sample_weight.

以上就是scikit-learn中逻辑回归类库调参的一个小结,还有些参数比如正则化参数C(交叉验证就是 Cs),迭代次数max_iter等,由于和其它的算法类库并没有特别不同,这里不多累述了。

二、随机森林

1.每棵树的最大深度

默认采取最大深度,这样可以使得每棵树的偏差最小。但是这样的时间和空间开销都很大,如果样本集很大,可以参考特征个数来设定

2.树的颗数

树的颗数反应了模型的方差,颗数越多,模型的泛化性能越好。默认会根据误分率趋于稳定来终止

3.最大特征数

如果一共有M个特征,则最大特征默认选取m=sqrt(M)个,也可以用log2M个。对于100个特征,100颗树之后,一个特征一次都没被选用的概率低于1%

这里考察的是树与树之间的相关性,最大特征数越小,相关性越小,但同时每棵树的错误率会越大。上述过程是综合考量的结果

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