基于R语言的梯度推进算法介绍
通常来说，我们可以从两个方面来提高一个预测模型的准确性：完善特征工程（feature engineering）或是直接使用Boosting算法。通过大量数据科学竞赛的试炼，我们可以发现人们更钟爱于Boosting算法，这是因为和其他方法相比，它在产生类似的结果时往往更加节约时间。
Boosting算法有很多种，比如梯度推进（Gradient Boosting）、XGBoost、AdaBoost、Gentle Boost等等。每一种算法都有自己不同的理论基础，通过对它们进行运用，算法之间细微的差别也能够被我们所察觉。如果你是一个新手，那么太好了，从现在开始，你可以用大约一周的时间来了解和学习这些知识。
在本文中，笔者将会向你介绍梯度推进算法的基本概念及其复杂性，此外，文中还分享了一个关于如何在R语言中对该算法进行实现的例子。
快问快答每当谈及Boosting算法，下列两个概念便会频繁的出现：Bagging和Boosting。那么，这两个概念是什么，它们之间究竟有什么区别呢？让我们快速简要地在这里解释一下：
Bagging：对数据进行随机抽样、建立学习算法并且通过简单平均来得到最终概率结论的一种方法。
Boosting：与Bagging类似，但在样本选择方面显得更为聪明一些——在算法进行过程中，对难以进行分类的观测值赋予了越来越大的权重。
我们知道你可能会在这方面产生疑问：什么叫做越来越大？我怎么知道我应该给一个被错分的观测值额外增加多少的权重呢？请保持冷静，我们将在接下来的章节里为你解答。
从一个简单的例子出发假设你有一个初始的预测模型M需要进行准确度的提高，你知道这个模型目前的准确度为80%（通过任何形式度量），那么接下来你应该怎么做呢？
有一个方法是，我们可以通过一组新的输入变量来构建一个全新的模型，然后对它们进行集成学习。但是，笔者在此要提出一个更简单的建议，如下所示：
Y = M(x) + error
如果我们能够观测到误差项并非白噪声，而是与我们的模型输出（Y）有着相同的相关性，那么我们为什么不通过这个误差项来对模型的准确度进行提升呢？比方说：
error = G(x) + error2
或许，你会发现模型的准确率提高到了一个更高的数字，比如84%。那么下一步让我们对error2进行回归。
error2 = H(x) + error3
然后我们将上述式子组合起来：
Y = M(x) + G(x) + H(x) + error3
这样的结果可能会让模型的准确度更进一步，超过84%。如果我们能像这样为三个学习算法找到一个最佳权重分配，
Y = alpha * M(x) + beta * G(x) + gamma * H(x) + error4
那么，我们可能就构建了一个更好的模型。
上面所述的便是Boosting算法的一个基本原则，当我初次接触到这一理论时，我的脑海中很快地冒出了这两个小问题：
1.我们如何判断回归／分类方程中的误差项是不是白噪声？如果无法判断，我们怎么能用这种算法呢？
2.如果这种算法真的这么强大，我们是不是可以做到接近100％的模型准确度？
接下来，我们将会对这些问题进行解答，但是需要明确的是，Boosting算法的目标对象通常都是一些弱算法，而这些弱算法都不具备只保留白噪声的能力；其次，Boosting有可能导致过度拟合，所以我们必须在合适的点上停止这个算法。
试着想象一个分类问题请看下图：
从最左侧的图开始看，那条垂直的线表示我们运用算法所构建的分类器，可以发现在这幅图中有3/10的观测值的分类情况是错误的。接着，我们给予那三个被误分的“＋”型的观测值更高的权重，使得它们在构建分类器时的地位非常重要。这样一来，垂直线就直接移动到了接近图形右边界的位置。反复这样的过程之后，我们在通过合适的权重组合将所有的模型进行合并。
算法的理论基础我们该如何分配观测值的权重呢？
通常来说，我们从一个均匀分布假设出发，我们把它称为D1，在这里，n个观测值分别被分配了1/n的权重。
步骤1：假设一个α（t）；
步骤2：得到弱分类器h（t）；
步骤3：更新总体分布，
其中，
步骤4：再次运用新的总体分布去得到下一个分类器；
觉得步骤3中的数学很可怕吗？让我们来一起击破这种恐惧。首先，我们简单看一下指数里的参数，α表示一种学习率，y是实际的回应值（＋1或－1），而h（x）则是分类器所预测的类别。简单来说，如果分类器预测错了，这个指数的幂就变成了1 *α， 反之则是－1*α。也就是说，如果某观测值在上一次预测中被预测错误，那么它对应的权重可能会增加。那么，接下来该做什么呢？
步骤5：不断重复步骤1-步骤4，直到无法发现任何可以改进的地方；
步骤6：对所有在上面步骤中出现过的分类器或是学习算法进行加权平均，权重如下所示：
案例练习
最近我参加了由Analytics Vidhya组织的在线hackathon活动。为了使变量变换变得容易，在complete_data中我们合并了测试集与训练集中的所有数据。我们将数据导入，并且进行抽样和分类。
library(caret)rm(list=ls())setwd("C:Usersts93856DesktopAV")library(Metrics)complete <- read.csv("complete_data.csv", stringsAsFactors = TRUE)train <- complete[complete$Train == 1,]score <- complete[complete$Train != 1,]set.seed(999)ind <- sample(2, nrow(train), replace=T, prob=c(0.60,0.40))trainData<-train[ind==1,]testData <- train[ind==2,]set.seed(999)ind1 <- sample(2, nrow(testData), replace=T, prob=c(0.50,0.50))trainData_ens1<-testData[ind1==1,]testData_ens1 <- testData[ind1==2,]table(testData_ens1$Disbursed)[2]/nrow(testData_ens1)#Response Rate of 9.052%
接下来，就是构建一个梯度推进模型（Gradient Boosting Model）所要做的：
fitControl <- trainControl(method = "repeatedcv", number = 4, repeats = 4)trainData$outcome1 <- ifelse(trainData$Disbursed == 1, "Yes","No")set.seed(33)gbmFit1 <- train(as.factor(outcome1) ~ ., data = trainData[,-26], method = "gbm", trControl = fitControl,verbose = FALSE)gbm_dev <- predict(gbmFit1, trainData,type= "prob")[,2]gbm_ITV1 <- predict(gbmFit1, trainData_ens1,type= "prob")[,2]gbm_ITV2 <- predict(gbmFit1, testData_ens1,type= "prob")[,2]auc(trainData$Disbursed,gbm_dev)auc(trainData_ens1$Disbursed,gbm_ITV1)auc(testData_ens1$Disbursed,gbm_ITV2)
在上述案例中，运行代码后所看到的所有AUC值将会非常接近0.84。我们随时欢迎你对这段代码进行进一步的完善。在这个领域，梯度推进模型（GBM）是最为广泛运用的方法，在未来的文章里，我们可能会对GXBoost等一些更加快捷的Boosting算法进行介绍。
结束语笔者曾不止一次见识过Boosting算法的迅捷与高效，在Kaggle或是其他平台的竞赛中，它的得分能力从未令人失望，当然了，也许这要取决于你能够把特征工程（feature engineering）做得多好了。
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1、K最近邻(k-NearestNeighbor，KNN)分类算法，是一个理论上比较成熟的方法，也是最简单的机器学习算法之一。该方法的思路是：如果一个样本在特征空间中的k个最相似(即特征空间中最邻近)的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别。
2、KNN算法中，所选择的邻居都是已经正确分类的对象。该方法在定类决策上只依据最邻近的一个或者几个样本的类别来决定待分样本所属的类别。 KNN方法虽然从原理上也依赖于极限定理，但在类别决策时，只与极少量的相邻样本有关。由于KNN方法主要靠周围有限的邻近的样本，而不是靠判别类域的方法来确定所属类别的，因此对于类域的交叉或重叠较多的待分样本集来说，KNN方法较其他方法更为适合。
3、KNN算法不仅可以用于分类，还可以用于回归。通过找出一个样本的k个最近邻居，将这些邻居的属性的平均值赋给该样本，就可以得到该样本的属性。更有用的方法是将不同距离的邻居对该样本产生的影响给予不同的权值(weight)，如权值与距离成正比。
简言之，就是将未标记的案例归类为与它们最近相似的、带有标记的案例所在的类 。
原理及举例
工作原理：我们知道样本集中每一个数据与所属分类的对应关系，输入没有标签的新数据后，将新数据与训练集的数据对应特征进行比较，找出“距离”最近的k（通常k<20）数据，选择这k个数据中出现最多的分类作为新数据的分类。
算法描述
1、计算已知数据集中的点与当前点的距离
2、按距离递增次序排序
3、选取与当前数据点距离最近的K个点
4、确定前K个点所在类别出现的频率
5、返回频率最高的类别作为当前类别的预测
距离计算方法有"euclidean"（欧氏距离）,”minkowski”（明科夫斯基距离）, "maximum"（切比雪夫距离）, "manhattan"（绝对值距离）,"canberra"（兰式距离）, 或 "minkowski"（马氏距离）等
Usage
knn(train, test, cl, k = 1, l = 0, prob =FALSE, use.all = TRUE)
Arguments
train
matrix or data frame of training set cases.
test
matrix or data frame of test set cases. A vector will be interpreted as a row vector for a single case.
cl
factor of true classifications of training set
k
number of neighbours considered.
l
minimum vote for definite decision, otherwisedoubt. (More precisely, less thank-ldissenting votes are allowed, even
ifkis increased by ties.)
prob
If this is true, the proportion of the votes for the
winning class are returned as attributeprob.
use.all
controls handling of ties. If true, all distances equal
to thekth largest are
included. If false, a random selection of distances equal to thekth is chosen to use exactlykneighbours.
kknn(formula = formula(train), train, test, na.action = na.omit(), k = 7, distance = 2, kernel = "optimal", ykernel = NULL, scale=TRUE, contrasts = c('unordered' = "contr.dummy", ordered = "contr.ordinal"))
参数：
formula A formula object.
train Matrix or data frame of training set cases.
test Matrix or data frame of test set cases.
na.action A function which indicates what should happen when the data contain ’NA’s.
k Number of neighbors considered.
distance Parameter of Minkowski distance.
kernel Kernel to use. Possible choices are "rectangular" (which is standard unweighted knn), "triangular", "epanechnikov" (or beta(2,2)), "biweight" (or beta(3,3)), "triweight" (or beta(4,4)), "cos", "inv", "gaussian", "rank" and "optimal".
ykernel Window width of an y-kernel, especially for prediction of ordinal classes.
scale Logical, scale variable to have equal sd.
contrasts A vector containing the ’unordered’ and ’ordered’ contrasts to use
kknn的返回值如下：
fitted.values Vector of predictions.
CL Matrix of classes of the k nearest neighbors.
W Matrix of weights of the k nearest neighbors.
D Matrix of distances of the k nearest neighbors.
C Matrix of indices of the k nearest neighbors.
prob Matrix of predicted class probabilities.
response Type of response variable, one of continuous, nominal or ordinal.
distance Parameter of Minkowski distance.
call The matched call.
terms The ’terms’ object used.
iris%>%ggvis(~Length,~Sepal.Width,fill=~Species)
library（kknn）
data（iris）
dim(iris)
m<-(dim(iris))[1]
val<-sample(1:m,size=round(m/3）,replace=FALSE,prob=rep(1/m,m))
建立训练数据集
data.train<-iris[-val,]
建立测试数据集
data.test<-iris[val,]
调用kknn 之前首先定义公式
formula ： Species ~ Sepal.Length + Sepal.Width + Petal.Length + Petal.Width
iris.kknn<-kknn(Species~.,iris.train,iris.test,distance=1,kernel="triangular")
summary(iris.kknn)
# 获取fitted.values
fit <- fitted(iris.kknn)
# 建立表格检验判类准确性
table(iris.valid$Species, fit)
# 绘画散点图，k-nearest neighbor用红色高亮显示
pcol <- as.character(as.numeric(iris.valid$Species))
pairs(iris.valid[1:4], pch = pcol, col = c("green3", "red")[(iris.valid$Species != fit)+1]
二、R语言knn算法
install.packages("class")
library(class)
对于新的测试样例基于距离相似度的法则，确定其K个最近的邻居，在K个邻居中少数服从多数
确定新测试样例的类别
1、获得数据
2、理解数据
对数据进行探索性分析，散点图
如上例
3、确定问题类型，分类数据分析
4、机器学习算法knn
5、数据处理，归一化数据处理
normalize <- function(x){
num <- x - min(x)
denom <- max(x) - min(x)
return(num/denom)
}
iris_norm <-as.data.frame(lapply(iris[,1:4], normalize))
summary(iris_norm)
6、训练集与测试集选取
一般按照3:1的比例选取
方法一、set.seed(1234)
ind <- sample(2,nrow(iris), replace=TRUE, prob=c(0.67, 0.33))
iris_train <-iris[ind==1, 1:4]
iris_test <-iris[ind==2, 1:4]
train_label <-iris[ind==1, 5]
test_label <-iris[ind==2, 5]
方法二、
ind<-sample(1:150,50)
iris_train<-iris[-ind,]
iris_test<-iris[ind,1:4]
iris_train<-iris[-ind,1:4]
train_label<-iris[-ind,5]
test_label<-iris[ind,5]
7、构建KNN模型
iris_pred<-knn(train=iris_train,test=iris_test,cl=train_label,k=3)
8、模型评价
交叉列联表法
table（test_label,iris_pred)
实例二
数据集
http://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/breast-cancer-wisconsin/wdbc.data
导入数据
dir <-'http://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/breast-cancer-wisconsin/wdbc.data'wdbc.data <-read.csv(dir,header = F)
names(wdbc.data) <- c('ID','Diagnosis','radius_mean','texture_mean','perimeter_mean','area_mean','smoothness_mean','compactness_mean','concavity_mean','concave points_mean','symmetry_mean','fractal dimension_mean','radius_sd','texture_sd','perimeter_sd','area_sd','smoothness_sd','compactness_sd','concavity_sd','concave points_sd','symmetry_sd','fractal dimension_sd','radius_max_mean','texture_max_mean','perimeter_max_mean','area_max_mean','smoothness_max_mean','compactness_max_mean','concavity_max_mean','concave points_max_mean','symmetry_max_mean','fractal dimension_max_mean')
table(wdbc.data$Diagnosis)## M = malignant, B = benign
wdbc.data$Diagnosis <- factor(wdbc.data$Diagnosis,levels =c('B','M'),labels = c(B ='benign',M ='malignant'))
Viterbi译码算法是由Viterbi于1967年提出的一种最大似然译码办法，译码器根据接收序列R按最大似然准则力图找出正确的原始码序列。随着大规模集成电路技术的发展，采用Viterbi算法的卷积编码技术已成为广泛应用的纠错方案。Viterbi译码过程可用状态表示。Sj，t和Sj N/2，t表示t时刻的两个状态。在t1时刻，这两个状态值根据路径为0或者1，转移到状态S2j，t1和S2j1，t1。每一种可能的状态转移都根据接收到的有噪声的序列R计算路径度量，然后选择出各个状态的最小度量路径(幸存路径)。Viterbi算法就是通过在状态中寻找最小量路径向前回溯L步，最后得到的即为译码输出。在卷积码(n，k，m)表示法中，参数k表示每次输入信息码位数，n表示编码的输出卷积码位数，m称为约束长度(一些书中采用k=m1为约束长度，也可称(2，1，2)码网格图，r=k/n称为信息率，即编码效率。本文运用的是(2，1，3)码，约速长度为2，状态数为22=－4。
TMS320C6000系列DSPs(数字信号处理器)是TI公司推出的一种并行处理的数字信号处理器，是基于TI的VLIW技术的。本文采用的是TMS320C6211。该处理器的工作频率经过倍频可达到150MHz，每个时钟周期最多可并行执行8条指令，从而可以实现1200MIPS定点运算能力。
