林軒田教授機器學習技法 Machine Learning Techniques 第 11 講學習筆記

前言

本系列部落格文章將分享我在 Coursera 上台灣大學林軒田教授所教授的機器學習技法(Machine Learning Techniques)課程整理成的心得,並對照林教授的投影片作說明。若還沒有閱讀過 第 10 講 的碼農們,我建議可以先回頭去讀一下再回來喔!

範例原始碼:FukuML - 簡單易用的機器學習套件

我在分享機器學習基石課程時,也跟著把每個介紹過的機器學習演算法都實作了一遍,原始碼都放在 GitHub 上了,所以大家可以去參考看看每個演算法的實作細節,看完原始碼會對課程中的數學式更容易理解。

如果大家對實作沒有興趣,只想知道怎麼使用機器學習演算法,那 FukuML 絕對會比起其他機器學習套件簡單易用,且方法及變數都會跟林軒田教授的課程類似,有看過課程的話,說不定連文件都不用看就會使用 FukuML 了。不過我還是有寫 Tutorial 啦,之後會不定期更新,讓大家可以容易上手比較重要!

熱身回顧一下

上一講的 Random Forest 演算核心主要就是利用 bootstrap data 的方式訓練出許多不同的 Decision Trees 再 uniform 結合起來。

AdaBoost Decision Tree

這一講接下來要介紹的 AdaBoost Decision Tree 其實乍看有些類似,但它的訓練資料集並不是透過 bootstrap 來打亂,而是使用之前 AdaBoost 的方式再每一輪資料計算加權 u(t) 去訓練出許多不同的 Decision Tree,最後再以 alpha(t) 的權重將所有的 Decision Tree 結合起來。

權重會影響演算法

由於 AdaBoost Decision Tree 會考慮到權重,因此應該要像之前介紹過的 AdaBoost 會將權重傳進 Decision Stump 一樣,AdaBoost Decision Tree 應該也要將權重傳進 Decision Tree 裡做訓練,但這樣就需要調整 Decision Tree 原本的演算法,我們不喜歡這樣。

轉換一個方式,也許我們可以一樣使用抽樣的方式來將訓練資料依造 u(t) 的權重做抽樣,這樣就可以直接將用權重抽樣玩的訓練資料集傳進 Decision Tree 做訓練,達到相同的效果,如此就不用改原本 Decision Tree 的演算法了。

要使用 Weak Decision Tree

另外要注意的是,如果 AdaBoost Decision Tree 使用了 fully grown 的 Decision Tree,這樣 alpha(t) 就會變得無限大,如此訓練完的 AdaBoost Decision Tree 做預測時就只會參考這個權重無限大的 Decision Tree,這樣就沒有 Aggregation Model 的效果了,我們應該要避免這個問題,所以要使用弱一點的 Decision Tree,比如透過 pruned 來避免 Decision Tree fully grown。

特例:使用 Extremely Pruned Tree

如果 AdaBoost Decision Tree 使用了 Extremely Pruned Tree,比如限制樹的高度只有 1,那這樣其實就是之前學過的 AdaBoost,這是 AdaBoost Decision Tree 中的一個特例。

Gradien Boost

這邊的數學演算太過複雜,大家可以直接觀看影片學習,我這邊直接說數學推導最後得出來的結論。

AdaBoost 透過一些數學特性的推導之後,可得出圖中的式子,代表要最佳化 binary-output Error,這個式子可以換成是要算 real-output Error,這樣就是所謂的 Gradien Boost。

由於 real-output Error 的最佳化是一個連續函數,我們可以使用跟之前的 logistic regression 一樣的方式使用 gradient decent 找出最佳的 ita 及 h(x)。

Gradien Boost 演算法

Gradien Boost 演算法的數學推導這邊也請大家去看影片,我直接講數學推導完之後得到的結論,整個演算法看起來很簡單,第一步先使用 xn 與餘數 (yn - sn) 做訓練,得出 gt,第二步再使用 gt 對 xn 做資料轉換,再使用 gt(xn) 與餘數 (yn - sn) 做 linear regression 算出 alphat,最後使用 sn + alphat * gt(xn) 得出新的 sn,重複這個過程,將各個 Decision Tree 結合起來就是 Gradien Boost Decision Tree 了!

Blending Models

課程到這邊已經介紹完了 Blending Models 的各種形式,有 uniform、non-uniform、conditional 的形式,uniform 可以帶來穩定性,non-uniform 及 conditional 可以帶來模型複雜度,但要小心 overfiting。

Aggregation Learning Model

從上述的 blending 方式,我們可以發展出不同的 Aggregation Model,如 Badding 使用 uniform vote、AdaBoost 使用 linear vote by reweighting、Decision Tree 使用 conditional vote、GradientBoost 使用 linear vote by residual(餘數) fitting。

Aggregation Model 的好處

Aggregation Model 可以避免 underfitting,讓 weak learner 結合起來也可以做複雜的預測,其實跟 feature transform 的效果很類似。Aggregation Model 也可以避免 overfitting,因為 Aggregation 會選出比較中庸的結果,這其實跟 regularization 的效果類似。所以使用了 Aggregation 也就是 Ensemble 方法通常也就代表了更好的效果。

總結

在這一講,我們從 Random Forest 延伸到了 AdaBoost Decision Tree,再從 AdaBoost Decision Tree 延伸到 Gradient Boosting,基本上對大部分的 Aggregation Model 都有一些認識了。

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