用AdaBoost和GBDT模型处理信用卡违约问题

GBDT

(Gradient Boosting Decision Tree梯度提升树) 又叫 MART（Multiple Additive Regression Tree)，是一种迭代的决策树算法，该算法由多棵决策树组成，所有树的结论累加起来做最终答案。与其他有监督算法一样，可用于分类问题的识别和预测问题的解决。

该集成算法体现了3方面的优势，分别是提升Boosting，梯度Gradient，和决策树Decision Tree。提升是指将多个弱分类器通过线下组合实现强分类器的过程，梯度是指算法在提升过程中求解损失函数时增强了灵活性和便捷性，决策树是指算法所使用的弱分类器为CART回归树。

先讨论决策树，随机森林是利用Bootstrap抽样技术生成多个数据集，然后通过这些数据集构造多棵决策树，进而运用投票或平均的思想实现分类和预测问题的解决，但是这样的随机性会导致树与树之间并没有太多的相关性，往往会导致随机森林算法在拟合效果上不好，于是有了“提升”的概念，即通过改变样本点的权值和各个弱分类器的权重，将这些弱分类器组合，实现预测准确性的突破，然后又为了求解损失函数容易和方便，又提出了GBDT。

GBDT的核心在于累加所有树的结果作为最终结果，回归树（预测实数值）是可以累加的，而分类树（分类标签值）是没办法累加的，所以GBDT中的树都是回归树，不是分类树，尽管GBDT调整后也可用于分类但不代表GBDT的树是分类树。

以年龄为例：
回归树在每个节点（不一定是叶子节点）都会得一个预测值，该预测值等于属于这个节点的所有人年龄的平均值。分枝时穷举每一个feature的每个阈值找最好的分割点，但衡量最好的标准不再是最大熵，而是最小化均方差--即（每个人的年龄-预测年龄）^2 的总和 / N，或者说是每个人的预测误差平方和 除以 N。这很好理解，被预测出错的人数越多，错的越离谱，均方差就越大，通过最小化均方差能够找到最靠谱的分枝依据。分枝直到每个叶子节点上人的年龄都唯一或者达到预设的终止条件（如叶子个数上限），若最终叶子节点上人的年龄不唯一，则以该节点上所有人的平均年龄做为该叶子节点的预测年龄。

Boosting，迭代，即通过迭代多棵树来共同决策。GBDT是把所有树的结论累加起来做最终结论的，每棵树的结论并不是年龄本身，而是年龄的一个累加量。GBDT的核心就在于，每一棵树学的是之前所有树结论和的残差，这个残差就是一个加预测值后能得真实值的累加量。比如A的真实年龄是18岁，但第一棵树的预测年龄是12岁，差了6岁，即残差为6岁。那么在第二棵树里我们把A的年龄设为6岁去学习，如果第二棵树真的能把A分到6岁的叶子节点，那累加两棵树的结论就是A的真实年龄；如果第二棵树的结论是5岁，则A仍然存在1岁的残差，第三棵树里A的年龄就变成1岁，继续学。

是boosting，但不是Adaboost。GBDT不是Adaboost Decistion Tree。就像提到决策树大家会想起C4.5，提到boost多数人也会想到Adaboost。Adaboost是另一种boost方法，它按分类对错，分配不同的weight，计算cost function时使用这些weight，从而让“错分的样本权重越来越大，使它们更被重视”。Bootstrap也有类似思想，它在每一步迭代时不改变模型本身，也不计算残差，而是从N个样本训练集中按一定概率重新抽取N个样本出来（单个样本可以被重复抽样），对这N个新的样本再训练一轮。由于数据集变了迭代模型训练结果也不一样，而一个样本被前面分错的越厉害，它的概率就被设的越高，这样就能同样达到逐步关注被分错的样本，逐步完善的效果。Adaboost的方法被实践证明是一种很好的防止过拟合的方法。Adaboost是一种最具代表的提升树。Adaboost也可以用于分类或者回归。

GBDT是提升算法的扩展板，在原始的提升算法中，如果损失函数为平方损失或指数损失，求解损失函数的最小值问题会很简单，但如果损失函数为更一般的函数（比如绝对值损失函数获Huber损失函数）,目标值的求解会复杂，Freidman提出了梯度提升算法，即在第m轮基础模型中，利用损失函数的负梯度值作为该轮基础模型损失值的近似，并利用这个近似值构建下一轮基础模型。

优点：
参数少，准确率高，运算时间少，对异常数据稳定。

AdaBoost

通过组合多个分类器（可以不同）的分类结果，获得了比简单的分类器更好的效果。选择不同的分类器可以缓解同一分类器可能放大的过拟合问题。

有三种集成方法：Bagging、Boosting 和 Random Forset。Bagging通过随机抽样 S 次（有放回的抽样），得到 S 个与原数据集大小相同的数据集，作用到 S 个分类器上，最后根据投票决定分到哪一个类；Boosting 在 Bagging 上更进一步，它在数据集上顺序应用了多个不同的分类器。

Boosting 中最流行的的一个算法是 AdaBoost，是一种迭代算法，其核心思想是针对同一个训练集训练不同的分类器(弱分类器)，以弱学习器作为基分类器，并且输入数据，使其通过权重向量进行加权。在第一次迭代中，所有数据等权重，在后续迭代中，前次迭代中分错的数据的权值增大，将修改过权值的新数据集送给下层分类器进行训练，最后将每次训练得到的分类器最后融合起来，作为最后的决策分类器。这种针对错误的调节能力正是 AdaBoost 的长处。

优点：
很好的利用了弱分类器进行级联；
可以将不同的分类算法作为弱分类器；
AdaBoost 具有很高的精度；
相对于 Bagging 算法和 Random Forest 算法，AdaBoost 充分考虑的每个分类器的权重；
泛化错误率低，易编码，可以应用在大部分分类器上，无参数调整。

缺点：
AdaBoost 迭代次数也就是弱分类器数目不太好设定，可以使用交叉验证来进行确定；
数据不平衡导致分类精度下降；
训练比较耗时，每次重新选择当前分类器最好切分点；
对离散点敏感。

应用领域：
模式识别、计算机视觉领域，用于二分类和多分类场景。

# 导入第三方包
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

# 读入数据
default = pd.read_excel(r'F:\default.xls')
default.head()

自变量包括客户的性别、受教育水平、年龄、婚姻状况、信用额度、6个月的历史还款状态、账单金额以及还款金额，因变量y表示用户在下个月的信用卡还款是否存在违约的情况（1表示违约，9表示不违约）

首先查看因变量中各类别的比例差异，通过饼图：

# 数据集中是否违约的客户比例
# 为确保绘制的饼图为圆形，需执行如下代码
plt.axes(aspect = 'equal')
# 中文乱码和坐标轴负号的处理
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
#重命名因变量
default.rename(columns={'default payment next month':'y'},inplace=True)
# 统计客户是否违约的频数
counts = default.y.value_counts()
# 绘制饼图
plt.pie(x = counts, # 绘图数据
        labels=pd.Series(counts.index).map({0:'不违约',1:'违约'}), # 添加文字标签
        autopct='%.1f%%' # 设置百分比的格式，这里保留一位小数
       )
# 显示图形
plt.show()

违约客户比例占比22.1%，不违约客户占比77.9%，总体来说，两个类别的比例不算失衡。

一般而言，如果两个类别比例为9：1，则认为失衡，为99：1，认为严重失衡。

拆分数据

# 将数据集拆分为训练集和测试集
# 导入第三方包
from sklearn import model_selection
from sklearn import ensemble
from sklearn import metrics

# 排除数据集中的ID变量和因变量，剩余的数据用作自变量X
X = default.drop(['ID','y'], axis = 1)
y = default.y
# 数据拆分
X_train,X_test,y_train,y_test = model_selection.train_test_split(X,y,test_size = 0.25, random_state = 1234)

构建AdaBoost模型

# 构建AdaBoost算法的类
AdaBoost1 = ensemble.AdaBoostClassifier()
# 算法在训练数据集上的拟合
AdaBoost1.fit(X_train,y_train)
# 算法在测试数据集上的预测
pred1 = AdaBoost1.predict(X_test)

# 返回模型的预测效果
print('模型的准确率为：\n',metrics.accuracy_score(y_test, pred1))
print('模型的评估报告：\n',metrics.classification_report(y_test, pred1))

使用模型默认参数，准确率为81.25%，预测客户违约（y=1）的精确率为68%，覆盖率为32%，绘制ROC曲线

# 计算客户违约的概率值，用于生成ROC曲线的数据
y_score = AdaBoost1.predict_proba(X_test)[:,1]
fpr,tpr,threshold = metrics.roc_curve(y_test, y_score)
# 计算AUC的值
roc_auc = metrics.auc(fpr,tpr)

# 绘制面积图
plt.stackplot(fpr, tpr, color='steelblue', alpha = 0.5, edgecolor = 'black')
# 添加边际线
plt.plot(fpr, tpr, color='black', lw = 1)
# 添加对角线
plt.plot([0,1],[0,1], color = 'red', linestyle = '--')
# 添加文本信息
plt.text(0.5,0.3,'ROC curve (area = %0.2f)' % roc_auc)
# 添加x轴与y轴标签
plt.xlabel('1-Specificity')
plt.ylabel('Sensitivity')
# 显示图形
plt.show()

面积AUC为0.78，不到0.8，通过调整参数，即交叉验证的方法来选择相对合理的参数值，并且可以进一步做特征筛选（按照重要因素）

# 自变量的重要性排序
importance = pd.Series(AdaBoost1.feature_importances_, index = X.columns)
importance.sort_values().plot(kind = 'barh')
plt.show()

取出重要性比较高的变量再利用交叉验证选择参数建模

importance[importance>0.02]

importance[importance>0.02].index

# 取出重要性比较高的自变量建模
predictors = list(importance[importance>0.02].index)
predictors

先对基础模型决策树DecisionTreeClassifier的参数进行调优

# 通过网格搜索法选择基础模型所对应的合理参数组合
# 导入第三方包
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

max_depth = [3,4,5,6]
params1 = {'base_estimator__max_depth':max_depth}
base_model = GridSearchCV(estimator = ensemble.AdaBoostClassifier(base_estimator = DecisionTreeClassifier()),
                          param_grid= params1, scoring = 'roc_auc', cv = 5, n_jobs = 4, verbose = 1)
base_model.fit(X_train[predictors],y_train)
# 返回参数的最佳组合和对应AUC值
base_model.best_params_, base_model.best_score_

经过5重交叉验证，最大的树深度选择为3

再对提升树AdaBoostClassifier模型的参数调优

# 通过网格搜索法选择提升树的合理参数组合
# 导入第三方包
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

n_estimators = [100,200,300]
learning_rate = [0.01,0.05,0.1,0.2]
params2 = {'n_estimators':n_estimators,'learning_rate':learning_rate}
adaboost = GridSearchCV(estimator = ensemble.AdaBoostClassifier(base_estimator = DecisionTreeClassifier(max_depth = 3)),
                        param_grid= params2, scoring = 'roc_auc', cv = 5, n_jobs = 4, verbose = 1)
adaboost.fit(X_train[predictors] ,y_train)
# 返回参数的最佳组合和对应AUC值
adaboost.best_params_, adaboost.best_score_

经过5重交叉验证，AdaBoost算法的最佳基础模型个数为300，学习率为0..01

基于以上调参结果重新构造模型

# 使用最佳的参数组合构建AdaBoost模型
AdaBoost2 = ensemble.AdaBoostClassifier(base_estimator = DecisionTreeClassifier(max_depth = 3),
                                       n_estimators = 300, learning_rate = 0.01)
# 算法在训练数据集上的拟合
AdaBoost2.fit(X_train[predictors],y_train)
# 算法在测试数据集上的预测
pred2 = AdaBoost2.predict(X_test[predictors])

# 返回模型的预测效果
print('模型的准确率为：\n',metrics.accuracy_score(y_test, pred2))
print('模型的评估报告：\n',metrics.classification_report(y_test, pred2))

准确率只提升了0.35%,可以考虑其他模型

# 计算正例的预测概率，用于生成ROC曲线的数据
y_score = AdaBoost2.predict_proba(X_test[predictors])[:,1]
fpr,tpr,threshold = metrics.roc_curve(y_test, y_score)
# 计算AUC的值
roc_auc = metrics.auc(fpr,tpr)

# 绘制面积图
plt.stackplot(fpr, tpr, color='steelblue', alpha = 0.5, edgecolor = 'black')
# 添加边际线
plt.plot(fpr, tpr, color='black', lw = 1)
# 添加对角线
plt.plot([0,1],[0,1], color = 'red', linestyle = '--')
# 添加文本信息
plt.text(0.5,0.3,'ROC curve (area = %0.2f)' % roc_auc)
# 添加x轴与y轴标签
plt.xlabel('1-Specificity')
plt.ylabel('Sensitivity')
# 显示图形
plt.show()

构建GBDT模型

# 运用网格搜索法选择梯度提升树的合理参数组合
learning_rate = [0.01,0.05,0.1,0.2]
n_estimators = [100,300,500]
max_depth = [3,4,5,6]
params = {'learning_rate':learning_rate,'n_estimators':n_estimators,'max_depth':max_depth}
gbdt_grid = GridSearchCV(estimator = ensemble.GradientBoostingClassifier(),
                         param_grid= params, scoring = 'roc_auc', cv = 5, n_jobs = 4, verbose = 1)
gbdt_grid.fit(X_train[predictors],y_train)
# 返回参数的最佳组合和对应AUC值
gbdt_grid.best_params_, gbdt_grid.best_score_

# 基于最佳参数组合的GBDT模型，对测试数据集进行预测
pred = gbdt_grid.predict(X_test[predictors])
# 返回模型的预测效果
print('模型的准确率为：\n',metrics.accuracy_score(y_test, pred))
print('模型的评估报告：\n',metrics.classification_report(y_test, pred))

与AdaBoost结果一致，说明GBDT采用一阶导函数的值近似残差是合理的

# 计算违约客户的概率值，用于生成ROC曲线的数据
y_score = gbdt_grid.predict_proba(X_test[predictors])[:,1]
fpr,tpr,threshold = metrics.roc_curve(y_test, y_score)
# 计算AUC的值
roc_auc = metrics.auc(fpr,tpr)

# 绘制面积图
plt.stackplot(fpr, tpr, color='steelblue', alpha = 0.5, edgecolor = 'black')
# 添加边际线
plt.plot(fpr, tpr, color='black', lw = 1)
# 添加对角线
plt.plot([0,1],[0,1], color = 'red', linestyle = '--')
# 添加文本信息
plt.text(0.5,0.3,'ROC curve (area = %0.2f)' % roc_auc)
# 添加x轴与y轴标签
plt.xlabel('1-Specificity')
plt.ylabel('Sensitivity')
# 显示图形
plt.show()