[笔记]GBDT理论知识总结

一. GBDT的经典paper：《Greedy Function Approximation：A Gradient Boosting Machine》

Abstract

Function approximation是从function space方面进行numerical optimization，其将stagewise additive expamsions和steepest-descent minimization结合起来。而由此而来的Gradient Boosting Decision Tree（GBDT）可以适用于regression和classification，都具有完整的，鲁棒性高，解释性好的优点。

1. Function estimation

在机器学习的任务中，我们一般面对的问题是构造loss function，并求解其最小值。可以写成如下形式：

通常的loss function有：

1. regression：均方误差(y-F)²，绝对误差|y-F|

2. classification：negative binomial log-likelihood log(1+e^-2yF)

一般情况下，我们会把F(x)看做是一系列带参数的函数集合 F(x;P)，于是进一步将其表示为“additive”的形式：

1.1 Numerical optimizatin

我们可以通过选取一个参数模型F(x;P)，来将function optimization问题转化为一个parameter optimization问题：

进一步，我们可以把要优化的参数也表示为“additive”的形式：

1.2 Steepest-descent

梯度下降是最简单，最常用的numerical optimization method之一。

首先，计算出当前的梯度：

where 

而梯度下降的步长为：

where ，称为“line search”。

2. Numerical optimization in function space

现在，我们考虑“无参数”模型，转而考虑直接在function space 进行numerical optimization。这时候，我们将在每个数据点x处的函数值F(x)看做是一个“参数”，仍然是来对loss funtion求解最小值。

在function space，为了表示一个函数F(x)，理想状况下有无数个点，但在现实中，我们用有限个(N个）离散点来表示它：。

按照之前的numerical optimization的方式，我们需要求解：

使用steepest-descent，有：

where ，and 

3. Finite data

当我们面对的情况为：用有限的数据集表示x，y的联合分布的时候，上述的方法就有点行不通了。我们可以试试“greedy-stagewise”的方法：

但是对于一般的loss function和base learner来说，（9）式是很难求解的。给定了m次迭代后的当前近似函数F_m-1(x)，当步长的direction是指数函数集合当中的一员时，可以看做是在求解最优值上的greedy step，同样，它也可以被看做是相同限制下的steepest-descent step。作为比较，给出了在无限制条件下，在F_m-1(x)处的steepest-descent step direction。一种行之有效的方法就是在求解的时候，把它取为无限制条件下的负梯度方向：

where 

这就把（9）式中较难求解的优化问题转化为了一个基于均方误差的拟合问题。

Gradient Boosting的通用解法如下：

二. 对于GBDT的一些理解

1. Boosting

GBDT的全称是Gradient Boosting Decision Tree，Gradient Boosting和Decision Tree是两个独立的概念。因此我们先说说Boosting。Boosting的概念很好理解，意思是用一些弱分类器的组合来构造一个强分类器。因此，它不是某个具体的算法，它说的是一种理念。和这个理念相对应的是一次性构造一个强分类器。像支持向量机，逻辑回归等都属于后者。通常，我们通过相加来组合分类器，形式如下：

2. Gradient Boosting Modeling（GBM）

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给定一个问题，我们如何构造这些弱分类器呢?Gradient Boosting Modeling (GBM) 就是构造 这些弱分类的一种方法。同样，它指的不是某个具体的算法，仍然只是一个理念。在理解 Gradient Boosting Modeling 之前，我们先看看一个典型的优化问题:

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针对这种优化问题，有一个经典的算法叫 Steepest Gradient Descent，也就是最深梯度下降法。 这个算法的过程大致如下:

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span.s1 { }

以上迭代过程可以这么理解:整个寻优的过程就是个小步快跑的过程，每跑一小步，都往函数当前下降最快的那个方向走一点。

这样寻优得到的结果可以表示成加和形式，即:

这个形式和以上F_m(x)是不是非常相似? Gradient Boosting 正是由此启发而来。 构造F_m(x)本身也是一个寻优的过程，只不过我们寻找的不是一个最优点，而是一个最优的函数。优化的目标通常都是通过一个损失函数来定义，即:

其中Loss(F(xi), yi)表示损失函数Loss在第i个样本上的损失值，xi和yi分别表示第 i 个样本的特征和目标值。常见的损失函数如平方差函数:

类似最深梯度下降法，我们可以通过梯度下降法来构造弱分类器f1, f2, ... , fm，只不过每次迭代时，令

即对损失函数L，以 F 为参考求取梯度。

这里有个小问题，一个函数对函数的求导不好理解，而且通常都无法通过上述公式直接求解 到梯度函数gi。为此，采取一个近似的方法，把函数F_i−1理解成在所有样本上的离散的函数值，即:

不难理解，这是一个 N 维向量，然后计算

这是一个函数对向量的求导，得到的也是一个梯度向量。注意，这里求导时的变量还是函数F，不是样本x_k。

严格来说 ĝi(xk) for k = 1,2, ... , N 只是描述了gi在某些个别点上的值，并不足以表达gi，但我们可以通过函数拟合的方法从ĝi(xk) for k = 1,2, ... , N 构造gi，这样我们就通过近似的方法得到了函数对函数的梯度求导。

因此 GBM 的过程可以总结为如下:

常量函数f₀通常取样本目标值的均值，即

3. Gradient Boosting Decision Tree

以上 Gradient Boosting Modeling 的过程中，还没有说清楚如何通过离散值 ĝ_i−1(xj) for j = 1,2,3,...N 构造拟合函数g_i−1。函数拟合是个比较熟知的概念，有很多现成的方法，不过有一种拟合方法广为应用，那就是决策树 Decision Tree，有关决策树的概念，理解GBDT重点首先是Gradient Boosting，其次才是 Decision Tree。GBDT 是 Gradient Boosting 的一种具体实例，只不过这里的弱分类器是决策树。如果你改用其他弱分类器 XYZ，你也可以称之为 Gradient Boosting XYZ。只不过 Decision Tree 很好用，GBDT 才如此引人注目。

4. 损失函数

谈到 GBDT，常听到一种简单的描述方式:“先构造一个(决策)树，然后不断在已有模型和实际样本输出的残差上再构造一颗树，依次迭代”。其实这个说法不全面，它只是 GBDT 的一种特殊情况，为了看清这个问题，需要对损失函数的选择做一些解释。

从对GBM的描述里可以看到Gradient Boosting过程和具体用什么样的弱分类器是完全独立的，可以任意组合，因此这里不再刻意强调用决策树来构造弱分类器，转而我们来仔细看看弱分类器拟合的目标值，即梯度ĝ_i−1(xj )，之前我们已经提到过

5. GBDT 和 AdaBoost

Boosting 是一类机器学习算法，在这个家族中还有一种非常著名的算法叫 AdaBoost，是 Adaptive Boosting 的简称，AdaBoost 在人脸检测问题上尤其出名。既然也是 Boosting，可以想象它的构造过程也是通过多个弱分类器来构造一个强分类器。那 AdaBoost 和 GBDT 有什么区别呢?

两者最大的区别在于，AdaBoost 不属于 Gradient Boosting，即它在构造弱分类器时并没有利用到梯度下降法的思想，而是用的Forward Stagewise Additive Modeling (FSAM)。为了理解 FSAM，在回过头来看看之前的优化问题。

严格来说之前描述的优化问题要求我们同时找出α1, α2, ... , αm和f1, f2, f3 ... , fm，这个问题很 难。为此我们把问题简化为分阶段优化，每个阶段找出一个合适的α 和f 。假设我们已经 得到前 m-1 个弱分类器，即Fm−1(x)，下一步在保证Fm−1(x)不变的前提下，寻找合适的 αmfm(x)。按照损失函数的定义，我们可以得到

如果 Loss 是平方差函数，则我们有

这里yi − Fm−1(xi)就是当前模型在数据上的残差，可以看出，求解合适的αmfm(x)就是在这 当前的残差上拟合一个弱分类器，且损失函数还是平方差函数。这和 GBDT 选择平方差损失 函数时构造弱分类器的方法恰好一致。

（1）拟合的是“残差”，对应于GBDT中的梯度方向。

（2）损失函数是平方差函数，对应于GBDT中用Decision Tree来拟合“残差”。

其中 wim−1= exp(−yi(Fm−1(xi))和要求解的αmfm(x)无关，可以当成样本的权重，因此在这种情况下，构造弱分类器就是在对样本设置权重后的数据上拟合，且损失函数还是指数形式。 这个就是 AdaBoost，不过 AdaBoost 最早并不是按这个思路推出来的，相反，是在 AdaBoost 提出 5 年后，人们才开始用 Forward Stagewise Additive Modeling 来解释 AdaBoost 背后的原理。

为什么要把平方差和指数形式 Loss 函数单独拿出来说呢?这是因为对这两个损失函数来说， 按照 Forward Stagewise Additive Modeling 的思路构造弱分类器时比较方便。如果是平方差损 失函数，就在残差上做平方差拟合构造弱分类器; 如果是指数形式的损失函数，就在带权 重的样本上构造弱分类器。但损失函数如果不是这两种，问题就没那么简单，比如绝对差值 函数，虽然构造弱分类器也可以表示成在残差上做绝对差值拟合，但这个子问题本身也不容 易解，因为我们是要构造多个弱分类器的，所以我们当然希望构造弱分类器这个子问题比较 好解。因此 FSAM 思路无法推广到其他一些实用的损失函数上。相比而言，Gradient Boosting Modeling (GBM) 有什么优势呢?GBM 每次迭代时，只需要计算当前的梯度，并在平方差损 失函数的基础上拟合梯度。虽然梯度的计算依赖原始问题的损失函数形式，但这不是问题， 只要损失函数是连续可微的，梯度就可以计算。至于拟合梯度这个子问题，我们总是可以选 择平方差函数作为这个子问题的损失函数，因为这个子问题是一个独立的回归问题。

因此 FSAM 和 GBM 得到的模型虽然从形式上是一样的，都是若干弱模型相加，但是他们求 解弱分类器的思路和方法有很大的差别。只有当选择平方差函数为损失函数时，这两种方法 等同。

6. 为何GBDT受人青睐

以上比较了 GBM 和 FSAM，可以看到 GBM 在损失函数的选择上有更大的灵活性，但这不足以解释GBDT的全部优势。GBDT是拿Decision Tree作为GBM里的弱分类器，GBDT的优势 首先得益于 Decision Tree 本身的一些良好特性，具体可以列举如下:

1. Decision Tree 可以很好的处理 missing feature，这是他的天然特性，因为决策树的每个节点只依赖一个 feature，如果某个 feature 不存在，这颗树依然可以拿来做决策，只是少一些路径。像逻辑回归，SVM 就没这个好处。

2. Decision Tree 可以很好的处理各种类型的 feature，也是天然特性，很好理解，同样逻辑回归和 SVM 没这样的天然特性。

3. 对特征空间的 outlier 有鲁棒性，因为每个节点都是 x <