何为集成方法?

 

集成学习是一种机器学习范式。在集成学习中,我们会训练多个模型(通常称为「弱学习器」)解决相同的问题,并将它们结合起来以获得更好的结果。最重要的假设是:当弱模型被正确组合时,我们可以得到更精确和/或更鲁棒的模型。

 

在集成学习理论中,我们将弱学习器(或基础模型)称为「模型」,这些模型可用作设计更复杂模型的构件。在大多数情况下,这些基本模型本身的性能并不是非常好,这要么是因为它们具有较高的偏置(例如,低自由度模型),要么是因为他们的方差太大导致鲁棒性不强(例如,高自由度模型)。

 

集成方法的思想是通过将这些弱学习器的偏置和/或方差结合起来,从而创建一个「强学习器」(或「集成模型」),从而获得更好的性能。

  

组合弱学习器

 

为了建立一个集成学习方法,我们首先要选择待聚合的基础模型。在大多数情况下(包括在众所周知的 bagging 和 boosting 方法中),我们会使用单一的基础学习算法,这样一来我们就有了以不同方式训练的同质弱学习器。

 

这样得到的集成模型被称为「同质的」。然而,也有一些方法使用不同种类的基础学习算法:将一些异质的弱学习器组合成「异质集成模型」。

 

很重要的一点是:我们对弱学习器的选择应该和我们聚合这些模型的方式相一致。如果我们选择具有低偏置高方差的基础模型,我们应该使用一种倾向于减小方差的聚合方法;而如果我们选择具有低方差高偏置的基础模型,我们应该使用一种倾向于减小偏置的聚合方法。

 

这就引出了如何组合这些模型的问题。我们可以用三种主要的旨在组合弱学习器的「元算法」: 

 

  • bagging,该方法通常考虑的是同质弱学习器,相互独立地并行学习这些弱学习器,并按照某种确定性的平均过程将它们组合起来。Datawhale 零基础⼊入⻔门CV-Task5 模型集成

  • boosting,该方法通常考虑的也是同质弱学习器。它以一种高度自适应的方法顺序地学习这些弱学习器(每个基础模型都依赖于前面的模型),并按照某种确定性的策略将它们组合起来。Datawhale 零基础⼊入⻔门CV-Task5 模型集成

  • stacking,该方法通常考虑的是异质弱学习器,并行地学习它们,并通过训练一个「元模型」将它们组合起来,根据不同弱模型的预测结果输出一个最终的预测结果。

Datawhale 零基础⼊入⻔门CV-Task5 模型集成

非常粗略地说,我们可以说 bagging 的重点在于获得一个方差比其组成部分更小的集成模型,而 boosting 和 stacking 则将主要生成偏置比其组成部分更低的强模型(即使方差也可以被减小)。

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