XGBoost完全指南

原文地址：Complete Guide to Parameter Tuning in XGBoost (with codes in Python)

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。

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：

1. 正则化

• 标准GBM的实现没有像XGBoost这样的正则化步骤。正则化对减少过拟合也是有帮助的。
• 实际上，XGBoost以“正则化提升(regularized boosting)”技术而闻名。

2. 并行处理

• XGBoost可以实现并行处理，相比GBM有了速度的飞跃。
• 不过，众所周知，Boosting算法是顺序处理的，它怎么可能并行呢？每一课树的构造都依赖于前一棵树，那具体是什么让我们能用多核处理器去构造一个树呢？我希望你理解了这句话的意思。如果你希望了解更多，点击这个链接。
• XGBoost 也支持Hadoop实现。

3. 高度的灵活性

• XGBoost 允许用户定义自定义优化目标和评价标准
• 它对模型增加了一个全新的维度，所以我们的处理不会受到任何限制。

4. 缺失值处理

• XGBoost内置处理缺失值的规则。
• 用户需要提供一个和其它样本不同的值，然后把它作为一个参数传进去，以此来作为缺失值的取值。XGBoost在不同节点遇到缺失值时采用不同的处理方法，并且会学习未来遇到缺失值时的处理方法。

• 当分裂时遇到一个负损失时，GBM会停止分裂。因此GBM实际上是一个贪心算法。
• XGBoost会一直分裂到指定的最大深度(max_depth)，然后回过头来剪枝。如果某个节点之后不再有正值，它会去除这个分裂。
• 这种做法的优点，当一个负损失（如-2）后面有个正损失（如+10）的时候，就显现出来了。GBM会在-2处停下来，因为它遇到了一个负值。但是XGBoost会继续分裂，然后发现这两个分裂综合起来会得到+8，因此会保留这两个分裂。

6. 内置交叉验证

• XGBoost允许在每一轮boosting迭代中使用交叉验证。因此，可以方便地获得最优boosting迭代次数。
• 而GBM使用网格搜索，只能检测有限个值。

7. 在已有的模型基础上继续

• XGBoost可以在上一轮的结果上继续训练。这个特性在某些特定的应用上是一个巨大的优势。
• sklearn中的GBM的实现也有这个功能，两种算法在这一点上是一致的。

深入了解相关信息，可参考：
XGBoost Guide - Introduce to Boosted Trees
Words from the Auther of XGBoost [Viedo]

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。 通用参数

这些参数用来控制XGBoost的宏观功能。

1、booster[默认gbtree]

• 选择每次迭代的模型，有两种选择：
  gbtree：基于树的模型
  gbliner：线性模型

2、silent[默认0]

• 当这个参数值为1时，静默模式开启，不会输出任何信息。
• 一般这个参数就保持默认的0，因为这样能帮我们更好地理解模型。

3、nthread[默认值为最大可能的线程数]

• 这个参数用来进行多线程控制，应当输入系统的核数。
• 如果你希望使用CPU全部的核，那就不要输入这个参数，算法会自动检测它。

还有两个参数，XGBoost会自动设置。

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]

• 和GBM中的 learning rate 参数类似。
• 通过减少每一步的权重，可以提高模型的鲁棒性。
• 典型值为0.01-0.2。

2. min_child_weight[默认1]

• 决定最小叶子节点样本权重和。
• 和GBM的 min_child_leaf 参数类似，但不完全一样。XGBoost的这个参数是最小样本权重的和，而GBM参数是最小样本总数。
• 这个参数用于避免过拟合。当它的值较大时，可以避免模型学习到局部的特殊样本。
• 但是如果这个值过高，会导致欠拟合。这个参数需要使用CV来调整。

3. max_depth[默认6]

• 和GBM中的参数相同，这个值为树的最大深度。
• 这个值也是用来避免过拟合的。max_depth越大，模型会学到更具体更局部的样本。
• 需要使用CV函数来进行调优。
• 典型值：3-10

4. max_leaf_nodes

• 树上最大的节点或叶子的数量。
• 可以替代max_depth的作用。因为如果生成的是二叉树，一个深度为n的树最多生成n2n2个叶子。
• 如果定义了这个参数，GBM会忽略max_depth参数。

5. gamma[默认0]

• 在节点分裂时，只有分裂后损失函数的值下降了，才会分裂这个节点。Gamma指定了节点分裂所需的最小损失函数下降值。
• 这个参数的值越大，算法越保守。这个参数的值和损失函数息息相关，所以是需要调整的。

6. max_delta_step[默认0]

• 这参数限制每棵树权重改变的最大步长。如果这个参数的值为0，那就意味着没有约束。如果它被赋予了某个正值，那么它会让这个算法更加保守。
• 通常，这个参数不需要设置。但是当各类别的样本十分不平衡时，它对逻辑回归是很有帮助的。
• 这个参数一般用不到，但是你可以挖掘出来它更多的用处。

7. subsample[默认1]

• 和GBM中的subsample参数一模一样。这个参数控制对于每棵树，随机采样的比例。
• 减小这个参数的值，算法会更加保守，避免过拟合。但是，如果这个值设置得过小，它可能会导致欠拟合。
• 典型值：0.5-1

8. colsample_bytree[默认1]

• 和GBM里面的max_features参数类似。用来控制每棵随机采样的列数的占比(每一列是一个特征)。
• 典型值：0.5-1

9. colsample_bylevel[默认1]

• 用来控制树的每一级的每一次分裂，对列数的采样的占比。
• 我个人一般不太用这个参数，因为subsample参数和colsample_bytree参数可以起到相同的作用。但是如果感兴趣，可以挖掘这个参数更多的用处。

10. lambda[默认1]

• 权重的L2正则化项。(和Ridge regression类似)。
• 这个参数是用来控制XGBoost的正则化部分的。虽然大部分数据科学家很少用到这个参数，但是这个参数在减少过拟合上还是可以挖掘出更多用处的。

11. alpha[默认1]

• 权重的L1正则化项。(和Lasso regression类似)。
• 可以应用在很高维度的情况下，使得算法的速度更快。

12. scale_pos_weight[默认1]

• 在各类别样本十分不平衡时，把这个参数设定为一个正值，可以使算法更快收敛。

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]

这个参数定义需要被最小化的损失函数。最常用的值有：

• binary:logistic 二分类的逻辑回归，返回预测的概率(不是类别)。
• multi:softmax 使用softmax的多分类器，返回预测的类别(不是概率)。 在这种情况下，你还需要多设一个参数：num_class(类别数目)。
• multi:softprob 和multi:softmax参数一样，但是返回的是每个数据属于各个类别的概率。

2. eval_metric[默认值取决于objective参数的取值]

• 对于有效数据的度量方法。
• 对于回归问题，默认值是rmse，对于分类问题，默认值是error。
• 典型值有：
• rmse 均方根误差
• mae 平均绝对误差
• logloss 负对数似然函数值
• error 二分类错误率(阈值为0.5)
• merror 多分类错误率
• mlogloss 多分类logloss损失函数
• auc 曲线下面积

3. seed(默认0)

• 随机数的种子
• 设置它可以复现随机数据的结果，也可以用于调整参数