XGBoost学习（四）：实战-python3

XGBoost学习（一）：原理
XGBoost学习（二）：安装及介绍
XGBoost学习（三）：模型详解
XGBoost学习（四）：实战
XGBoost学习（五）：参数调优
XGBoost学习（六）：输出特征重要性以及筛选特征
完整代码及其数据

Xgboost实战

Xgboost有两大类接口：Xgboost原生接口 和sklearn接口，并且Xgboost能够实现分类回归两种任务。下面对这四种情况做以解析。

1，基于Xgboost原生接口的分类

from sklearn.datasets import load_iris
import xgboost as xgb
from xgboost import plot_importance
import matplotlib.pyplot  as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score  # 准确率
 
# 记载样本数据集
iris = load_iris()
X,y = iris.data,iris.target
# 数据集分割
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=123457)
 
# 算法参数
params = {
    'booster':'gbtree',
    'objective':'multi:softmax',
    'num_class':3,
    'gamma':0.1,
    'max_depth':6,
    'lambda':2,
    'subsample':0.7,
    'colsample_bytree':0.7,
    'min_child_weight':3,
    'slient':1,
    'eta':0.1,
    'seed':1000,
    'nthread':4,
}
 
plst = params.items()
 
# 生成数据集格式
dtrain = xgb.DMatrix(X_train,y_train)
num_rounds = 500
# xgboost模型训练
model = xgb.train(plst,dtrain,num_rounds)
 
# 对测试集进行预测
dtest = xgb.DMatrix(X_test)
y_pred = model.predict(dtest)
 
# 计算准确率
accuracy = accuracy_score(y_test,y_pred)
print('accuarcy:%.2f%%'%(accuracy*100))
 
# 显示重要特征
plot_importance(model)
plt.show()

输出预测正确率以及特征重要性：
accuarcy:93.33%

2，基于Xgboost原生接口的回归

import xgboost as xgb
from xgboost import plot_importance
from matplotlib import pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.datasets import load_boston
from sklearn.metrics import mean_squared_error
 
# 加载数据集,此数据集时做回归的
boston = load_boston()
X,y = boston.data,boston.target
 
# Xgboost训练过程
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=0)
 
# 算法参数
params = {
    'booster':'gbtree',
    'objective':'reg:gamma',
    'gamma':0.1,
    'max_depth':5,
    'lambda':3,
    'subsample':0.7,
    'colsample_bytree':0.7,
    'min_child_weight':3,
    'slient':1,
    'eta':0.1,
    'seed':1000,
    'nthread':4,
}
 
dtrain = xgb.DMatrix(X_train,y_train)
num_rounds = 300
plst = params.items()
model = xgb.train(plst,dtrain,num_rounds)
 
# 对测试集进行预测
dtest = xgb.DMatrix(X_test)
ans = model.predict(dtest)
 
# 显示重要特征
plot_importance(model)
plt.show()

重要特征（值越大，说明该特征越重要）显示结果：

3，Xgboost使用sklearn接口的分类（推荐）
XGBClassifier

from xgboost.sklearn import XGBClassifier
clf = XGBClassifier(
    silent=0,  # 设置成1则没有运行信息输出，最好是设置为0，是否在运行升级时打印消息
    # nthread = 4  # CPU 线程数 默认最大
    learning_rate=0.3 , # 如同学习率
    min_child_weight = 1,
    # 这个参数默认为1，是每个叶子里面h的和至少是多少，对正负样本不均衡时的0-1分类而言
    # 假设h在0.01附近，min_child_weight为1 意味着叶子节点中最少需要包含100个样本
    # 这个参数非常影响结果，控制叶子节点中二阶导的和的最小值，该参数值越小，越容易过拟合
    max_depth=6, # 构建树的深度，越大越容易过拟合
    gamma = 0,# 树的叶子节点上做进一步分区所需的最小损失减少，越大越保守，一般0.1 0.2这样子
    subsample=1, # 随机采样训练样本，训练实例的子采样比
    max_delta_step=0,  # 最大增量步长，我们允许每个树的权重估计
    colsample_bytree=1, # 生成树时进行的列采样
    reg_lambda=1, #控制模型复杂度的权重值的L2正则化项参数，参数越大，模型越不容易过拟合
    # reg_alpha=0, # L1正则项参数
    # scale_pos_weight =1 # 如果取值大于0的话，在类别样本不平衡的情况下有助于快速收敛，平衡正负权重
    # objective = 'multi:softmax', # 多分类问题，指定学习任务和响应的学习目标
    # num_class = 10,  # 类别数，多分类与multisoftmax并用
    n_estimators=100,  # 树的个数
    seed = 1000,  # 随机种子
    # eval_metric ='auc'
)

基于Sckit-learn接口的分类

from sklearn.datasets import load_iris
import xgboost as xgb
from xgboost import plot_importance
from matplotlib import pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score
 
# 加载样本数据集
iris = load_iris()
X,y = iris.data,iris.target
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=12343)
 
# 训练模型
model = xgb.XGBClassifier(max_depth=5,learning_rate=0.1,n_estimators=160,silent=True,objective='multi:softmax')
model.fit(X_train,y_train)
 
# 对测试集进行预测
y_pred = model.predict(X_test)
 
#计算准确率
accuracy = accuracy_score(y_test,y_pred)
print('accuracy:%2.f%%'%(accuracy*100))
 
# 显示重要特征
plot_importance(model)
plt.show()

输出结果：
accuracy:93%

4，基于Scikit-learn接口的回归

import xgboost as xgb
from xgboost import plot_importance
from matplotlib import pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.datasets import load_boston
 
# 导入数据集
boston = load_boston()
X ,y = boston.data,boston.target
 
# Xgboost训练过程
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=0)
 
model = xgb.XGBRegressor(max_depth=5,learning_rate=0.1,n_estimators=160,silent=True,objective='reg:gamma')
model.fit(X_train,y_train)
 
# 对测试集进行预测
ans = model.predict(X_test)
 
# 显示重要特征
plot_importance(model)
plt.show()

根据其在输入数组中的索引，特征被自动命名为f0-f7。在问题描述中手动的将这些索引映射到名称，我们可以看到，F5（身体质量指数）具有最高的重要性，F3（皮肤折叠厚度）具有最低的重要性。

5，根据xgboost特征重要性得分进行特征选择

特征重要性得分，可以用于在scikit-learn中进行特征选择。通过SelectFromModel类实现，该类采用模型并将数据集转换为具有选定特征的子集。这个类可以采取预先训练的模型，例如在整个数据集上训练的模型。然后，它可以阈值来决定选择哪些特征。当在SelectFromModel实例上调用transform()方法时，该阈值被用于在训练集和测试集上一致性选择相同特征。

在下面的示例中，我们首先在训练集上训练xgboost模型，然后在测试上评估。使用从训练数据集计算的特征重要性，然后，将模型封装在一个SelectFromModel实例中。我们使用这个来选择训练集上的特征，用所选择的特征子集训练模型，然后在相同的特征方案下对测试集进行评估。

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示例：

# select features using threshold
selection = SelectFromModel(model, threshold=thresh, prefit=True)
select_X_train = selection.transform(X_train)
# train model
selection_model = XGBClassifier()
selection_model.fit(select_X_train, y_train)
# eval model
select_X_test = selection.transform(X_test)
y_pred = selection_model.predict(select_X_test)

我们可以通过测试多个阈值，来从特征重要性中选择特征。具体而言，每个输入变量的特征重要性，本质上允许我们通过重要性来测试每个特征子集。

完整示例如下：

# use feature importance for feature selection
from numpy import loadtxt
from numpy import sort
from xgboost import XGBClassifier
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score
from sklearn.feature_selection import SelectFromModel
# load data
dataset = loadtxt('pima-indians-diabetes.csv', delimiter=",")
# split data into X and y
X = dataset[:,0:8]
Y = dataset[:,8]
# split data into train and test sets
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, Y, test_size=0.33, random_state=7)
# fit model on all training data
model = XGBClassifier()
model.fit(X_train, y_train)
# make predictions for test data and evaluate
y_pred = model.predict(X_test)
predictions = [round(value) for value in y_pred]
accuracy = accuracy_score(y_test, predictions)
print("Accuracy: %.2f%%" % (accuracy * 100.0))
# Fit model using each importance as a threshold
thresholds = sort(model.feature_importances_)
for thresh in thresholds:
	# select features using threshold
	selection = SelectFromModel(model, threshold=thresh, prefit=True)
	select_X_train = selection.transform(X_train)
	# train model
	selection_model = XGBClassifier()
	selection_model.fit(select_X_train, y_train)
	# eval model
	select_X_test = selection.transform(X_test)
	y_pred = selection_model.predict(select_X_test)
	predictions = [round(value) for value in y_pred]
	accuracy = accuracy_score(y_test, predictions)
	print("Thresh=%.3f, n=%d, Accuracy: %.2f%%" % (thresh, select_X_train.shape[1], accuracy*100.0))

运行示例，得到输出：

Accuracy: 77.95%
Thresh=0.071, n=8, Accuracy: 77.95%
Thresh=0.073, n=7, Accuracy: 76.38%
Thresh=0.084, n=6, Accuracy: 77.56%
Thresh=0.090, n=5, Accuracy: 76.38%
Thresh=0.128, n=4, Accuracy: 76.38%
Thresh=0.160, n=3, Accuracy: 74.80%
Thresh=0.186, n=2, Accuracy: 71.65%
Thresh=0.208, n=1, Accuracy: 63.78%
我们可以看到，模型的性能通常随着所选择的特征的数量而减少。在这一问题上，可以对测试集准确率和模型复杂度做一个权衡，例如选择4个特征，接受准确率从77.95%降到76.38%。这可能是对这样一个小数据集的清洗，但对于更大的数据集和使用交叉验证作为模型评估方案可能是更有用的策略。

6，整理代码1（原生XGB）

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn import metrics
from  sklearn.datasets  import  make_hastie_10_2
import xgboost as xgb
#记录程序运行时间
import time
start_time = time.time()
X, y = make_hastie_10_2(random_state=0)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.5, random_state=0)##test_size测试集合所占比例
#xgb矩阵赋值
xgb_train = xgb.DMatrix(X_train, label=y_train)
xgb_test = xgb.DMatrix(X_test,label=y_test)
##参数
params={
'booster':'gbtree',
'silent':1 ,#设置成1则没有运行信息输出，最好是设置为0.
#'nthread':7,# cpu 线程数 默认最大
'eta': 0.007, # 如同学习率
'min_child_weight':3,
# 这个参数默认是 1，是每个叶子里面 h 的和至少是多少，对正负样本不均衡时的 0-1 分类而言
#，假设 h 在 0.01 附近，min_child_weight 为 1 意味着叶子节点中最少需要包含 100 个样本。
#这个参数非常影响结果，控制叶子节点中二阶导的和的最小值，该参数值越小，越容易 overfitting。
'max_depth':6, # 构建树的深度，越大越容易过拟合
'gamma':0.1,  # 树的叶子节点上作进一步分区所需的最小损失减少,越大越保守，一般0.1、0.2这样子。
'subsample':0.7, # 随机采样训练样本
'colsample_bytree':0.7, # 生成树时进行的列采样
'lambda':2,  # 控制模型复杂度的权重值的L2正则化项参数，参数越大，模型越不容易过拟合。
#'alpha':0, # L1 正则项参数
#'scale_pos_weight':1, #如果取值大于0的话，在类别样本不平衡的情况下有助于快速收敛。
#'objective': 'multi:softmax', #多分类的问题
#'num_class':10, # 类别数，多分类与 multisoftmax 并用
'seed':1000, #随机种子
#'eval_metric': 'auc'
}
plst = list(params.items())
num_rounds = 100 # 迭代次数
watchlist = [(xgb_train, 'train'),(xgb_test, 'val')]
  
#训练模型并保存
# early_stopping_rounds 当设置的迭代次数较大时，early_stopping_rounds 可在一定的迭代次数内准确率没有提升就停止训练
model = xgb.train(plst, xgb_train, num_rounds, watchlist,early_stopping_rounds=100,pred_margin=1)
#model.save_model('./model/xgb.model') # 用于存储训练出的模型
print "best best_ntree_limit",model.best_ntree_limit
y_pred = model.predict(xgb_test,ntree_limit=model.best_ntree_limit)
print ('error=%f' % (  sum(1 for i in range(len(y_pred)) if int(y_pred[i]>0.5)!=y_test[i]) /float(len(y_pred)))) 
#输出运行时长
cost_time = time.time()-start_time
print "xgboost success!",'\n',"cost time:",cost_time,"(s)......"

7，整理代码2（XGB使用sklearn）

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn import metrics
from  sklearn.datasets  import  make_hastie_10_2
from xgboost.sklearn import XGBClassifier
X, y = make_hastie_10_2(random_state=0)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.5, random_state=0)##test_size测试集合所占比例
clf = XGBClassifier(
silent=0 ,#设置成1则没有运行信息输出，最好是设置为0.是否在运行升级时打印消息。
#nthread=4,# cpu 线程数 默认最大
learning_rate= 0.3, # 如同学习率
min_child_weight=1,
# 这个参数默认是 1，是每个叶子里面 h 的和至少是多少，对正负样本不均衡时的 0-1 分类而言
#，假设 h 在 0.01 附近，min_child_weight 为 1 意味着叶子节点中最少需要包含 100 个样本。
#这个参数非常影响结果，控制叶子节点中二阶导的和的最小值，该参数值越小，越容易 overfitting。
max_depth=6, # 构建树的深度，越大越容易过拟合
gamma=0,  # 树的叶子节点上作进一步分区所需的最小损失减少,越大越保守，一般0.1、0.2这样子。
subsample=1, # 随机采样训练样本 训练实例的子采样比
max_delta_step=0,#最大增量步长，我们允许每个树的权重估计。
colsample_bytree=1, # 生成树时进行的列采样
reg_lambda=1,  # 控制模型复杂度的权重值的L2正则化项参数，参数越大，模型越不容易过拟合。
#reg_alpha=0, # L1 正则项参数
#scale_pos_weight=1, #如果取值大于0的话，在类别样本不平衡的情况下有助于快速收敛。平衡正负权重
#objective= 'multi:softmax', #多分类的问题 指定学习任务和相应的学习目标
#num_class=10, # 类别数，多分类与 multisoftmax 并用
n_estimators=100, #树的个数
seed=1000 #随机种子
#eval_metric= 'auc'
)
clf.fit(X_train,y_train,eval_metric='auc')
#设置验证集合 verbose=False不打印过程
clf.fit(X_train, y_train,eval_set=[(X_train, y_train), (X_val, y_val)],eval_metric='auc',verbose=False)
#获取验证集合结果
evals_result = clf.evals_result()
y_true, y_pred = y_test, clf.predict(X_test)
print"Accuracy : %.4g" % metrics.accuracy_score(y_true, y_pred)
#回归
#m_regress = xgb.XGBRegressor(n_estimators=1000,seed=0)