xgboost 参数调优指南

一、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GBDT 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GBDT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？其实 XGBoost并行指代的是更低粒度的并行，是在特征层面的并行。
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。

5 剪枝

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。

二、XGBoost的参数

XGBoost的作者把所有的参数分成了三类：

通用参数：宏观函数控制。
Booster参数：控制每一步的booster(tree/regression)。
学习目标参数：控制训练目标的表现。
除了以上参数还可能有其它参数，在命令行中使用

1 通用参数

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，目前你不用管它。

4）num_feature [set automatically by xgboost, no need to be set by user]

boosting过程中用到的特征维数，设置为特征个数。XGBoost会自动设置，不需要手工设置。

2 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 $n^{2}$
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。
模型在默认情况下，对于一个节点的划分只有在其loss function 得到结果大于0的情况下才进行，而gamma 给定了所需的最低loss function的值
gamma值使得算法更conservation，且其值依赖于loss function ，在模型中应该进行调参

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。

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。
大于0的取值可以处理类别不平衡的情况。帮助模型更快收敛。

另外：Parameter for Linear Booster

lambda [default=0]
- L2 正则的惩罚系数
- 用于处理XGBoost的正则化部分。通常不使用，但可以用来降低过拟合
alpha [default=0]
- L1 正则的惩罚系数
- 当数据维度极高时可以使用，使得算法运行更快。
lambda_bias
- 在偏置上的L2正则。缺省值为0（在L1上没有偏置项的正则，因为L1时偏置不重要）

3 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：

“reg:linear” –线性回归。
“reg:logistic” –逻辑回归。
“binary:logistic” –二分类的逻辑回归问题，输出为概率。
“binary:logitraw” –二分类的逻辑回归问题，输出的结果为wTx。
“count:poisson” –计数问题的poisson回归，输出结果为poisson分布。
在poisson回归中，max_delta_step的缺省值为0.7。(used to safeguard optimization)
“multi:softmax” –让XGBoost采用softmax目标函数处理多分类问题，同时需要设置参数num_class（类别个数）
“multi:softprob” –和softmax一样，但是输出的是ndata * nclass的向量，可以将该向量reshape成ndata行nclass列的矩阵。每行数据表示样本所属于每个类别的概率。
“rank:pairwise” –set XGBoost to do ranking task by minimizing the pairwise loss

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 $\frac{\sum_{i = 1}^{N} | ϵ |}{N}$
- 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

如果你比较习惯scikit-learn的参数形式，那么XGBoost的Python 版本也提供了sklearn形式的接口 XGBClassifier。

它使用sklearn形式的参数命名方式，对应关系如下：

1、eta -> learning_rate
2、lambda -> reg_lambda
3、alpha -> reg_alpha

另外：Console Parameters

The following parameters are only used in the console version of xgboost
* use_buffer [ default=1 ]
- 是否为输入创建二进制的缓存文件，缓存文件可以加速计算。缺省值为1
* num_round
- boosting迭代计算次数。
* data
- 输入数据的路径
* test:data
- 测试数据的路径
* save_period [default=0]
- 表示保存第i*save_period次迭代的模型。例如save_period=10表示每隔10迭代计算XGBoost将会保存中间结果，设置为0表示每次计算的模型都要保持。
* task [default=train] options: train, pred, eval, dump
- train：训练模型
- pred：对测试数据进行预测
- eval：通过eval[name]=filenam定义评价指标
- dump：将学习模型保存成文本格式
* model_in [default=NULL]
- 指向模型的路径在test, eval, dump都会用到，如果在training中定义XGBoost将会接着输入模型继续训练
* model_out [default=NULL]
- 训练完成后模型的保存路径，如果没有定义则会输出类似0003.model这样的结果，0003是第三次训练的模型结果。
* model_dir [default=models]
- 输出模型所保存的路径。
* fmap
- feature map, used for dump model
* name_dump [default=dump.txt]
- name of model dump file
* name_pred [default=pred.txt]
- 预测结果文件
* pred_margin [default=0]
- 输出预测的边界，而不是转换后的概率

你肯定在疑惑为啥咱们没有介绍和GBM中的n_estimators类似的参数。XGBClassifier中确实有一个类似的参数，但是，是在标准XGBoost实现中调用拟合函数时，把它作为num_boosting_rounds参数传入。
XGBoost Guide 的一些部分是我强烈推荐大家阅读的，通过它可以对代码和参数有一个更好的了解：

XGBoost Parameters (official guide)
XGBoost Demo Codes (xgboost GitHub repository)
Python API Reference (official guide)

三、调参示例

我们从Data Hackathon 3.x AV版的hackathon中获得数据集，和GBM 介绍文章中是一样的。更多的细节可以参考competition page
数据集可以从这里下载。我已经对这些数据进行了一些处理：

City变量，因为类别太多，所以删掉了一些类别。
DOB变量换算成年龄，并删除了一些数据。
增加了 EMI_Loan_Submitted_Missing 变量。如果EMI_Loan_Submitted变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的EMI_Loan_Submitted变量。
EmployerName变量，因为类别太多，所以删掉了一些类别。
因为Existing_EMI变量只有111个值缺失，所以缺失值补充为中位数0。
增加了 Interest_Rate_Missing 变量。如果Interest_Rate变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的Interest_Rate变量。
删除了Lead_Creation_Date，从直觉上这个特征就对最终结果没什么帮助。
Loan_Amount_Applied, Loan_Tenure_Applied 两个变量的缺项用中位数补足。
增加了 Loan_Amount_Submitted_Missing 变量。如果Loan_Amount_Submitted变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的Loan_Amount_Submitted变量。
增加了 Loan_Tenure_Submitted_Missing 变量。如果 Loan_Tenure_Submitted 变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的 Loan_Tenure_Submitted 变量。
删除了LoggedIn, Salary_Account 两个变量
增加了 Processing_Fee_Missing 变量。如果 Processing_Fee 变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的 Processing_Fee 变量。
Source前两位不变，其它分成不同的类别。
进行了离散化和独热编码(一位有效编码)。

如果你有原始数据，可以从资源库里面下载data_preparation的Ipython notebook 文件，然后自己过一遍这些步骤。

首先，import必要的库，然后加载数据。

注意我import了两种XGBoost：

xgb - 直接引用xgboost。接下来会用到其中的“cv”函数。
XGBClassifier - 是xgboost的sklearn包。这个包允许我们像GBM一样使用Grid Search 和并行处理。

在向下进行之前，我们先定义一个函数，它可以帮助我们建立XGBoost models 并进行交叉验证。好消息是你可以直接用下面的函数，以后再自己的models中也可以使用它。

这个函数和GBM中使用的有些许不同。注意xgboost的sklearn包没有“feature_importance”这个量度，但是get_fscore()函数有相同的功能。

四、参数调优的一般方法

我们会使用和GBM中相似的方法。需要进行如下步骤：

选择较高的学习速率(learning rate)。一般情况下，学习速率的值为0.1。但是，对于不同的问题，理想的学习速率有时候会在0.05到0.3之间波动。选择对应于此学习速率的理想决策树数量。XGBoost有一个很有用的函数“cv”，这个函数可以在每一次迭代中使用交叉验证，并返回理想的决策树数量。
对于给定的学习速率和决策树数量，进行决策树特定参数调优(max_depth, min_child_weight, gamma, subsample, colsample_bytree)。在确定一棵树的过程中，我们可以选择不同的参数，待会儿我会举例说明。
xgboost的正则化参数的调优。(lambda, alpha)。这些参数可以降低模型的复杂度，从而提高模型的表现。
降低学习速率，确定理想参数。

咱们一起详细地一步步进行这些操作。

第一步：确定学习速率和tree_based 参数调优的估计器数目

为了确定boosting参数，我们要先给其它参数一个初始值。咱们先按如下方法取值：

1、max_depth = 5 :这个参数的取值最好在3-10之间。我选的起始值为5，但是你也可以选择其它的值。起始值在4-6之间都是不错的选择。

2、min_child_weight = 1:在这里选了一个比较小的值，因为这是一个极不平衡的分类问题。因此，某些叶子节点下的值会比较小。

3、gamma = 0: 起始值也可以选其它比较小的值，在0.1到0.2之间就可以。这个参数后继也是要调整的。

4、subsample, colsample_bytree = 0.8: 这个是最常见的初始值了。典型值的范围在0.5-0.9之间。

5、scale_pos_weight = 1: 这个值是因为类别十分不平衡。
注意哦，上面这些参数的值只是一个初始的估计值，后继需要调优。这里把学习速率就设成默认的0.1。然后用xgboost中的cv函数来确定最佳的决策树数量。前文中的函数可以完成这个工作。

简单调参方法：

首先调整max_depth ,通常max_depth 这个参数与其他参数关系不大，初始值设置为10，找到一个最好的误差值，然后就可以调整参数与这个误差值进行对比。比如调整到8，如果此时最好的误差变高了，那么下次就调整到12；如果调整到12,误差值比10 的低，那么下次可以尝试调整到15.
在找到了最优的max_depth之后，可以开始调整subsample,初始值设置为1，然后调整到0.8 如果误差值变高，下次就调整到0.9，如果还是变高，就保持为1.0
接着开始调整min_child_weight , 方法与上面同理
再接着调整colsample_bytree
经过上面的调整，已经得到了一组参数，这时调整eta 到0.05，然后让程序运行来得到一个最佳的num_round,(在 误差值开始上升趋势的时候为最佳 )

参考：https://blog.csdn.net/wzmsltw/article/details/50994481

https://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/52665396