что такое случайный лес random forest

Random Forest: прогулки по зимнему лесу

1. Вступление

Это небольшое практическое руководство по применению алгоритмов машинного обучения. Разумеется, существует немалое число алгоритмов машинного обучения и способов математического (статистического) анализа информации, однако, эта заметка посвящена именно Random Forest. В заметке показаны примеры использования этого алгоритма для задач классификации и регрессии, а также даны некоторые теоретические пояснения.

2. Несколько слов о деревьях

Прежде всего, рассмотрим некоторые базовые теоретические принципы работы этого алгоритма, а начнём с такого понятия, как деревья решений. Наша основная задача — принять решение на основе имеющейся информации. В самом простом случае у нас есть всего один признак (метрика, предиктор, регрессор) с хорошо различимыми границами между классов (максимальное значение для одного класса явно меньше минимального значения для другого). Например, зная массу тела нужно отличить кита от пчелы, если известно, что среди всех наблюдений нет ни одного кита, который бы имел массу тела как у пчелы. Следовательно, достаточно всего одного показателя (предиктора), чтобы дать точный ответ, предсказав тем самым верный класс.

Допустим, что точки одного класса (пусть они будут показаны красным цветом) во всех наблюдениях находятся выше точек синего цвета. Человек может провести между ними прямую линию и сказать, что это и будет граница классов. Следовательно, всё расположенное выше этой границы будет относиться к одному классу, а всё ниже линии — к другому.

Отобразим это в виде древовидной структуры. Если мы воспользуемся одним из алгоритмов (CART) для создания дерева решений по указанным ранее данным, то получим следующее условие классификации:

Следовательно, его визуальное представление будет таким:

Разумеется, каждый признак обладает разной степенью важности. Из следующего набора данных (формат LibSVM) видно, что первый признак (его индекс 1, так как нумерация начинается не с нуля) абсолютно идентичен у представителей всех классов. Фактически, этот показатель не имеет никакой ценности для классификации, следовательно, его можно назвать избыточной информацией, которая не несёт никакой практической пользы. Аналогичная ситуация и со вторым признаком (предиктором). Однако, третий из них отличается.

Именно третий признак (feature 2) и будет служить тем самым заветным различием, с помощью которого можно предсказывать класс по вектору. Логично предположить, что задача может быть решена одним единственным условием (If-Else). Действительно, каждое дерево в алгоритме машинного обучения правильно смогло понять различия. Далее показана отладочная информация (использован классификатор Random Forest из фреймворка Apache Spark 2.1.0) для нескольких деревьев ансамбля случайного леса.

Для более сложных задач необходимы более сложные деревья. В следующем примере закономерность перестала быть такой очевидной для человека. Нужно более внимательно посмотреть набор данных, чтобы заметить различия. Условие будет немного более сложным, так как нужна дополнительная проверка.

Вот такие дополнительные проверки требуют новых ветвлений (узлов) дерева. После каждого ветвления необходимо будет делать ещё проверки, т.е. новые ветвления. Это видно на отладочной информации. В целях экономии места я привожу только несколько деревьев:

А теперь представим себе набор данных из миллиона строк и из нескольких сотен (даже тысяч) столбцов. Согласитесь, что простыми условиями такие задачи будет сложно решить. Более того, при очень сложных условиях (глубокое дерево) оно может быть слишком специфично для конкретного набора данных (переобучено). Одно дерево стойко к масштабированию данных, но не стойко к шумам. Если объединить большое количество деревьев в одну композицию, то можно получить значительно более хорошие результаты. В итоге получается весьма эффективная и достаточно универсальная модель.

3. Random Forest

По сути, Random Forest является композицией (ансамблем) множества решающих деревьев, что позволяет снизить проблему переобучения и повысить точность в сравнении с одним деревом. Прогноз получается в результате агрегирования ответов множества деревьев. Тренировка деревьев происходит независимо друг от друга (на разных подмножествах), что не просто решает проблему построения одинаковых деревьев на одном и том же наборе данных, но и делает этот алгоритм весьма удобным для применения в системах распределённых вычислений. Вообще, идея бэггинга, предложенная Лео Брейманом, хорошо подходит для распределения вычислений.

Для бэггинга (независимого обучения алгоритмов классификации, где результат определяется голосованием) есть смысл использовать большое количество деревьев решений с достаточно большой глубиной. Во время классификации финальным результатом будет тот класс, за который проголосовало большинство деревьев, при условии, что одно дерево обладает одним голосом.

Так, например, если в задаче бинарной классификации была сформирована модель с 500 деревьями, среди которых 100 указывают на нулевой класс, а остальные 400 на первый класс, то в результате модель будет предсказывать именно первый класс. Если использовать Random Forest для задач регрессии, то подход выбора того решения, за которое проголосовало большинство деревьев будет неподходящим. Вместо этого происходит выбор среднего решения по всем деревьям.

Random Forest (по причине независимого построения глубоких деревьев) требует весьма много ресурсов, а ограничение на глубину повредит точности (для решения сложных задач нужно построить много глубоких деревьев). Можно заметить, что время обучения деревьев возрастает приблизительно линейно их количеству.

Естественно, увеличение высоты (глубины) деревьев не самым лучшим образом сказывается на производительности, но повышает эффективность этого алгоритма (хотя и вместе с этим повышается склонность к переобучению). Слишком сильно бояться переобучения не следует, так как это будет скомпенсировано числом деревьев. Но и увлекаться тоже не следует. Везде важны оптимально подобранные параметры (гиперпараметры).

Рассмотрим пример классификации на языке программирования R. Так как нам сейчас нужна классификационная модель, а не регрессионная, то в качестве первого параметра следует явно задать, что класс является именно фактором. Кроме количества деревьев уделим внимание числу признаков (mtry), которое будет использовать элементарная модель (дерево) для ветвлений. Фактически, это два основных параметра, которые есть смысл настраивать в первую очередь.

Убедимся, что это именно модель для классификации:

Ознакомимся с результатами confusion matrix:

Интересно увидеть предсказанные значения (на основе out-of-bag):

А функции varImpPlot и importance предназначены для отображения важности предикторов (ценности для точности работы классификатора).

Разумеется, для получения вероятного класса существует специальная функция. Она называется predict. В качестве первого аргумента требует модель, а в качестве второго — набор данных. Результатом будет вектор предсказанных классов. Для надёжной проверки необходимо выполнять тренировку на одном наборе данных, а проверку на другом наборе данных.

Ещё один пример. На этот раз используем Apache Spark 2.1.0 и язык программирования Scala. Информацию мы прочитаем из файла формата LibSVM. После этого необходимо будет явно разделить набор данных на две части. Одна из них будет учебная, а вторая — проверочная. Выполнять стандартизацию или нормализацию нет особого смысла. Наша модель устойчива к этому, равно как и достаточно устойчива к данным различной природы (вес, возраст, доход).

Повторюсь, что обучение необходимо производить только на учебной выборке. Количество классов в этом примере будет равно двум. Количество деревьев пусть будет 50. Оставим индекс Джинни в качестве критерия расщепления, так как теоретически применение энтропии не будет значительно более эффективным критерием. Глубину дерева ограничим девятью.

Теперь используем тестовый набор данных, чтобы проверить работу классификатора с указанными параметрами. Следует заметить, что порог точности (пригодность модели) определяется индивидуально в каждом конкретном случае.

Получив на вход вектор предикторов, система должна угадать (с допустимой вероятностью) класс объекта. Если в результате нескольких проверок на большом наборе данных это удалось сделать, то можно утверждать о точности модели. Однако, никакой человек и никакая система не смогут угадать с очень высокой точностью по росту человека его уровень образования. Следовательно, без правильно собранных и подготовленных данных сложно (или вообще невозможно) будет решить задачу.

4. Несколько мыслей о практическом применении

Бывают такие ситуации, когда простым условием или методами описательной статистики задачу сходу решить не получается. Как раз в задачах повышения эффективности интернет-проектов (анализ клиентов, выявление вероятности покупки, оптимальные стратегии рекламы, выбор товаров для показа в популярных блоках, рекомендации и персональные ранжирования, классификация записей в каталогах и справочниках) и встречаются подобные сложные наборы данных.

Помню, несколько лет назад впервые столкнулся с необходимостью применения ML-технологий. Была ситуация, когда мы с коллегами (группа разработчиков) пытались придумать метод классификации материалов подробного справочника на очень большом портале. Раньше классификация выполнялась вручную другими специалистами, что требовало огромного количества времени. А вот автоматизировать никак не получалось (правила и статистические методы не дали нужной точности). У нас уже был набор векторов, который ранее разметили специалисты.

Тогда меня удивило, что несколько строк кода (применение одной из популярных библиотек машинного обучения) смогли решить проблему буквально сразу. Естественно, что изучалась возможность применения различных моделей (включая нейронные сети) и продумывались рациональные гиперпараметры. Но так как эта заметка про случайный лес, то пример на языке программирования Python будет посвящён именно ему. Естественно, код примера написан с учётом новых версий готовых классификаторов, а не используемых тогда:

Таких примеров очень много. Расскажу ещё одну историю. Была задача повысить эффективность огромной системы управления рекламой. Её работа напрямую зависела от точности предсказания рейтинга товаров и услуг. У каждого из них был вектор из 64-ти признаков. Стратегически важно было заранее дать относительно точный прогноз значения рейтинга для каждого нового вектора признаков. До этого система управлялась нехитрыми правилами и описательной статистикой. Но, как известно, эффективности и точности в таких вопросах много не бывает. Для решения задачи повышения эффективности была использована регрессионная модель, похожая на указанную в примере:

В итоге мы получаем достаточно мощный инструментарий анализа информации, который способен прийти на помощь в тех задачах, где другие методы дают не самые лучшие результаты.

Источник

🤖 Машинное обучение для начинающих: алгоритм случайного леса (Random Forest)

Alex Maszański

В каких задачах используется?

Благодаря своей гибкости Random Forest применяется для решения практически любых проблем в области машинного обучения. Сюда относятся классификации (RandomForestClassifier) и регрессии (RandomForestRegressor), а также более сложные задачи, вроде отбора признаков, поиска выбросов/аномалий и кластеризации.

Основным полем для применения алгоритма случайного дерева являются первые два пункта, решение других задач строится уже на их основе. Так, для задачи отбора признаков мы осуществляем следующий код:

Здесь мы на основе классификации просто добавляем метод для отбора признаков.

Порядок действий в алгоритме

Теоретическая составляющая алгоритма случайного дерева

По сравнению с другими методами машинного обучения, теоретическая часть алгоритма Random Forest проста. У нас нет большого объема теории, необходима только формула итогового классификатора a(x) :

Стоит также отметить, что для задачи классификации мы выбираем решение голосованием по большинству, а в задаче регрессии – средним.

Реализация алгоритма Random Forest

Реализуем алгоритм на простом примере для задачи классификации, используя библиотеку scikit-learn:

Работаем с алгоритмом по стандартному порядку действий, принятому в scikit-learn. Вычисляем AUC-ROC (площадь под кривой ошибок) для тренировочной и тестовой частей модели, чтобы определить ее качество:

Необходимые параметры алгоритма

Число деревьев – n_estimators

Критерий расщепления – criterion

Простой метод перебора поможет выбрать, что использовать для решения конкретной проблемы.

Число признаков для выбора расщепления – max_features

Минимальное число объектов для расщепления – min_samples_split

Второстепенный по своему значению параметр, его можно оставить в состоянии по умолчанию.

Ограничение числа объектов в листьях – min_samples_leaf

Максимальная глубина деревьев – max_depth

Чем меньше максимальная глубина, тем быстрее строится и работает алгоритм случайного дерева.

Неглубокие деревья рекомендуется использовать в задачах со значительным количеством шумовых объектов (выбросов).

Преимущества алгоритма

Недостатки алгоритма

Заключение

Метод случайного дерева (Random Forest) – это универсальный алгоритм машинного обучения с учителем. Его можно использовать во множестве задач, но в основном он применяется в проблемах классификации и регрессии.

Вы можете использовать случайный лес, если вам нужны чрезвычайно точные результаты или у вас есть огромный объем данных для обработки, и вам нужен достаточно сильный алгоритм, который позволит вам эффективно обработать все данные.

Источник

Анализ малых данных

КвазиНаучный блог Александра Дьяконова

Случайный лес (Random Forest)

Случайный лес — один из самых потрясающих алгоритмов машинного обучения, придуманные Лео Брейманом и Адель Катлер ещё в прошлом веке. Он дошёл до нас в «первозданном виде» (никакие эвристики не смогли его существенно улучшить) и является одним из немногих универсальных алгоритмов. Универсальность заключается, во-первых, в том, что он хорош во многих задачах (по моим оценкам, 70% из встречающихся на практике, если не учитывать задачи с изображениями), во-вторых, в том, что есть случайные леса для решения задач классификации, регрессии, кластеризации, поиска аномалий, селекции признаков и т.д.

Этот пост — краткое практическое руководство для новичков — путеводитель по основным параметрам алгоритма с картинками (которые, кстати, построены на данных последнего конкурса Сбербанка и одной модельной задачи). Под тестом здесь понимается результат на скользящем контроле (для построения графиков использовано 5 фолдов), хотя для отложенного контроля (hold out) выводы будут такими же. Графики лежат в коридорах: дисперсионном и (если есть второй коридор) макс-минном. Все выводы и рекомендации — общие — не для конкретной задачи.

RF (random forest) — это множество решающих деревьев. В задаче регрессии их ответы усредняются, в задаче классификации принимается решение голосованием по большинству. Все деревья строятся независимо по следующей схеме:

Понятно, что такая схема построения соответствует главному принципу ансамблирования (построению алгоритма машинного обучения на базе нескольких, в данном случае решающих деревьев): базовые алгоритмы должны быть хорошими и разнообразными (поэтому каждое дерево строится на своей обучающей выборке и при выборе расщеплений есть элемент случайности).

В библиотеке scikit-learn есть такая реализация RF (привожу только для задачи классификации):

С алгоритмом работают по стандартной схеме, принятой в scikit-learn:

Опишем, что означают основные параметры:

Число деревьев — n_estimators

Чем больше деревьев, тем лучше качество, но время настройки и работы RF также пропорционально увеличиваются. Обратите внимание, что часто при увеличении n_estimators качество на обучающей выборке повышается (может даже доходить до 100%), а качество на тесте выходит на асимптоту (можно прикинуть, скольких деревьев Вам достаточно).

Число признаков для выбора расщепления — max_features

График качества на тесте от значения этого праметра унимодальный, на обучении он строго возрастает. При увеличении max_features увеличивается время построения леса, а деревья становятся «более однообразными». По умолчанию он равен sqrt(n) в задачах классификации и n/3 в задачах регрессии. Это самый важный параметр! Его настраивают в первую очередь (при достаточном числе деревьев в лесе).

Минимальное число объектов, при котором выполняется расщепление — min_samples_split

Этот параметр, как правило, не очень важный и можно оставить значение по умолчанию (2). График качества на контроле может быть похожим на «расчёску» (нет явного оптимума). При увеличении параметра качество на обучении падает, а время построения RF сокращается.

Ограничение на число объектов в листьях — min_samples_leaf

Всё, что было описано про min_samples_split, годится и для описания этого параметра. Часто можно оставить значение по умолчанию (1). Кстати, по классике, в задачах регрессии рекомендуется использовать значение 5 (в библиотеке randomForest для R так и реализовано, в sklearn — 1).

Максимальная глубина деревьев — max_depth

Ясно, что чем меньше глубина, тем быстрее строится и работает RF. При увеличении глубины резко возрастает качество на обучении, но и на контроле оно, как правило, увеличивается. Рекомендуется использовать максимальную глубину (кроме случаев, когда объектов слишком много и получаются очень глубокие деревья, построение которых занимает значительное время). При использовании неглубоких деревьев изменение параметров, связанных с ограничением числа объектов в листе и для деления, не приводит к значимому эффекту (листья и так получаются «большими»). Неглубокие деревья рекомендуют использовать в задачах с большим числом шумовых объектов (выбросов).

Критерий расщепления — criterion

По смыслу это очень важный параметр, но по факту здесь нет вариантов выбора. В библиотеке sklearn для регрессии реализованы два критерия: “mse” и “mae”, соответствуют функциям ошибки, которые они минимизируют. В большинстве задач используется mse. Сравнить их пока не берусь, т.к. mae появился совсем недавно — в версии 0.18 (и по-моему, реализован с ошибкой). Для классификации реализованы критерии “gini” и “entropy”, которые соответствуют классическим критериям расщепления: Джини и энтропийному. Простой перебор поможет Вам выбрать, что использовать в конкретной задаче (в авторской реализации алгоритма использовался Джини). Подробнее о критериях надо писать отдельный пост;)

В sklearn-реализации случайного леса нет параметра samplesize, который регламентирует, из скольких объектов делать подвыборку для построения каждого дерева. Такой параметр есть в R-реализации, но, по сути, часто оптимально выбирать из всей выборки. Также рекомендуется выбирать подвыборку с возвращением: bootstrap=True (это и есть бэггинг — bootstrap aggregating).

Совет

По умолчанию в sklearn-овских методах n_jobs=1, т.е. случайный лес строится на одном процессоре. Если Вы хотите существенно ускорить построение, используйте n_jobs=-1 (строить на максимально возможном числе процессоров). Для построения воспроизводимых экспериментов используйте предустановку генератора псевдослучайных чисел: random_state.

П.С. Метод RF хорош ещё тем, что при построении леса параллельно может вычисляться т.н. oob-оценка качества алгоритма (которая очень точная и получается не в ущерб разделения на обучение/тест), oob-ответы алгоритмы (ответы, которые выдавал бы алгоритм на обучающей выборке, если бы «обучался не на ней»), оцениваются важности признаков (но об этом, опять же, надо писать в отдельном посте). Ну, и не стоит забывать про полный перебор значений параметров (если объектов в задаче не очень много).

Источник

Реализация и разбор алгоритма «случайный лес» на Python

Авторизуйтесь

Реализация и разбор алгоритма «случайный лес» на Python

Использование готовых библиотек, таких как Scikit-Learn, позволяет легко реализовать на Python сотни алгоритмов машинного обучения.

В этой статье мы научимся создать и использовать алгоритм «случайный лес» (Random Forest) на Python. Помимо непосредственного изучения кода, мы постараемся понять принципы работы модели. Этот алгоритм составлен из множества деревьев решений, поэтому сначала мы разберёмся, как одно такое дерево решает проблему классификации. После этого с помощью алгоритма решим проблему, используя набор реальных научных данных. Весь код, используемый в этой статье, доступен на GitHub в Jupyter Notebook.

Как работает дерево решений

Дерево решений — интуитивно понятная базовая единица алгоритма случайный лес. Мы можем рассматривать его как серию вопросов да/нет о входных данных. В конечном итоге вопросы приводят к предсказанию определённого класса (или величины в случае регрессии). Это интерпретируемая модель, так как решения принимаются так же, как и человеком: мы задаём вопросы о доступных данных до тех пор, пока не приходим к определённому решению (в идеальном мире).

Базовая идея дерева решений заключается в формировании запросов, с которыми алгоритм обращается к данным. При использовании алгоритма CART вопросы (также называемые разделением узлов) определяются таким образом, чтобы ответы вели к уменьшению загрязнения Джини (Gini Impurity). Это означает, что дерево решений формирует узлы, содержащие большое количество образцов (из набора исходных данных), принадлежащих к одному классу. Алгоритм старается обнаружить параметры со сходными значениями.

Подробности, касающиеся загрязнения Джини, мы обсудим позже, а сейчас давайте создадим дерево решений, чтобы понять, как работает этот алгоритм.

Дерево решений для простой задачи

Начнём с проблемы простой бинарной классификации, изображённой на диаграмме.

Наш набор данных имеет всего два параметра (две заданные переменные), x1 и x2, а также 6 образцов, несущих эти параметры. Образцы разделены метками на два класса. Хотя это простая задача, линейно классы разделить невозможно. Это означает, что мы не можем нарисовать на предложенной плоскости прямую линию, которая отделит один класс от другого.

13–15 декабря, Онлайн, Беcплатно

В то же время мы можем разбить плоскость на участки (узлы) несколькими прямыми линиями. Именно это делает дерево решений в процессе тренировки. По сути дерево решений — нелинейная модель, создаваемая с помощью множества линейных ограничителей.

Мы используем Scikit-Learn, чтобы создать дерево решений и обучить ( fit ) его, используя наши данные.

Во время обучения мы используем и параметры, и метки, чтобы модель научилась сортировать данные на основе параметров. Для таких простых задач не используется тестовый набор данных. Но при тестировании модели мы сообщаем только параметры и сравниваем результат сортировки с теми метками, которые ожидали получить.

Можно проверить точность предсказаний нашей модели:

Разумеется, мы получим точность 100 %, так как сообщили модели правильные ответы ( y ) и не ограничивали глубину дерева. Но следует помнить, что подобная подгонка дерева решений под тренировочные данные может спровоцировать переобучение модели.

Визуализация дерева решений

Что же на самом деле происходит при обучении дерева решений? Хороший способ понять это — визуализация модели при помощи соответствующей функции Scikit-Learn (подробнее функция рассматривается в данной статье).

Во всех узлах, кроме листьев (цветные узлы без исходящих связей), содержится 5 частей:

Листья не содержат вопроса, так как являются финальными прогнозируемыми значениями классификации. Чтобы обработать новый элемент набора данных, нужно просто двигаться вниз по дереву, используя параметры элемента для ответов на вопросы. В финале вы доберётесь до одного из листьев, значение Class которого и будет прогнозируемым классом элемента.

Чтобы взглянуть на дерево решений под другим углом, мы спроецируем разделения модели на исходные данные.

Каждое разделение отображается одной линией, разделяющей образцы данных на узлы в соответствии со значением параметров. Поскольку максимальная глубина дерева не ограничена, разделение размещает каждый элемент в узел, содержащий только элементы того же класса. Позже мы рассмотрим, как идеальное разделение обучающих данных может привести к переобучению.

Загрязнение Джини

Теперь самое время рассмотреть концепцию загрязнения Джини (математика не так уж страшна, как кажется). Загрязнение Джини — вероятность неверной маркировки в узле случайно выбранного образца. К примеру, в верхнем (корневом) узле вероятность неверной классификации образца равна 44.4 %. Это можно вычислить с помощью уравнения:

Загрязнение Джини узла n равно 1 минус сумма отношений класса к общему количеству образцов p_i, возведённых в квадрат, для каждого из множества классов J (в нашем случае это всего 2 класса). Звучит сложно, поэтому покажем, как вычисляется загрязнение Джини для корневого узла:

В каждом узле дерево решений ищет такое значение определённого параметра, которое приведёт к максимальному уменьшению загрязнения Джини. В качестве альтернативы для разделения узлов также можно использовать концепцию накопления информации.

Затем процесс разделения повторяется с использованием «жадной», рекурсивной процедуры, пока дерево не достигнет максимальной глубины или в каждом узле не останутся только образцы одного класса. Общевзвешенное загрязнение Джини должно уменьшаться с каждым уровнем. В нашем случае на втором уровне оно составит 0.333:

Удельный вес загрязнения Джини для каждого узла равен отношению количества образцов, обработанных этим узлом, к количеству обработанных родительским узлом. Вы можете самостоятельно рассчитать загрязнение Джини для последующих уровней дерева и отдельных узлов, используя данные визуализации. Таким образом, эффективная модель строится на базовых математических операциях.

В итоге общевзвешенное загрязнение Джини последнего слоя сводится к нулю. Это значит, что каждый конечный узел содержит только образцы одного класса, и случайно выбранный образец не может быть неверно классифицирован. Звучит отлично, но помните, что это может быть сигналом того, что модель переобучена. Это происходит, потому что узлы смоделированы только на обучающих данных.

Переобучение, или почему лес лучше одного дерева

Может создаться впечатление, что для решения задачи хватило бы и одного дерева решений. Ведь эта модель не делает ошибок. Однако важно помнить, что алгоритм безошибочно отсортировал только тренировочные данные. Этого и следовало ожидать, поскольку мы указали верные ответы и не ограничили глубину дерева (количество слоёв). Но цель машинного обучения состоит в том, чтобы научить алгоритм обобщать полученную информацию и верно обрабатывать новые, ранее не встречавшиеся данные.

Переобучение происходит, когда мы используем очень гибкую модель (с высокой вместимостью), которая просто запоминает обучающий набор данных, подгоняя узлы под него. Проблема в том, что такая модель выявляет не только закономерности в данных, но и любой присутствующий в них шум. Такую гибкую модель часто называют высоковариативной, поскольку параметры, формирующиеся в процессе обучения (такие как структура дерева решений) будут значительно варьироваться в зависимости от обучающего набора данных.

С другой стороны, у недостаточно гибкой модели будет высокий уровень погрешности, поскольку она делает предположения относительно тренировочных данных (модель смещается в сторону предвзятых предположений о данных). К примеру, линейный классификатор предполагает, что данные распределены линейно. Из-за этого он не обладает достаточной гибкостью для соответствия нелинейным структурам. Ригидная модель может оказаться недостаточно ёмкой даже для соответствия тренировочным данным.

В обоих случаях — и при высокой вариативности, и при высокой погрешности — модель не сможет эффективно обрабатывать новые данные.

Поиск баланса между излишней и недостаточной гибкостью модели является ключевой концепцией машинного обучения и называется компромиссом между вариативностью и погрешностью (bias-variance tradeoff).

Алгоритм дерева решений переобучается, если не ограничить его максимальную глубину. Он обладает неограниченной гибкостью и может разрастаться, пока не достигнет состояния идеальной классификации, в которой каждому образцу из набора данных будет соответствовать один лист. Если вернуться назад к созданию дерева и ограничить его глубину двумя слоями (сделав только одно разделение), классификация больше не будет на 100 % верной. Мы уменьшаем вариативность за счёт увеличения погрешности.

В качестве альтернативы ограничению глубины, которое ведёт к уменьшению вариативности (хорошо) и увеличению погрешности (плохо), мы можем собрать множество деревьев в единую модель. Это и будет классификатор на основе комитета деревьев принятия решений или просто «случайный лес».

Случайный лес

Случайный лес — модель, состоящая из множества деревьев решений. Вместо того,чтобы просто усреднять прогнозы разных деревьев (такая концепция называется просто «лес»), эта модель использует две ключевые концепции, которые и делают этот лес случайным.

Случайная выборка тренировочных образцов

В процессе тренировки каждое дерево случайного леса учится на случайном образце из набора данных. Выборка образцов происходит с возмещением (в статистике этот метод называется бутстреппинг, bootstrapping). Это даёт возможность повторно использовать образцы одним и тем же деревом. Хотя каждое дерево может быть высоковариативным по отношению к определённому набору тренировочных данных, обучение деревьев на разных наборах образцов позволяет понизить общую вариативность леса, не жертвуя точностью.

При тестировании результат выводится путём усреднения прогнозов, полученных от каждого дерева. Подход, при котором каждый обучающийся элемент получает собственный набор обучающих данных (с помощью бутстреппинга), после чего результат усредняется, называется бэггинг (bagging, от bootstrap aggregating).

Случайные наборы параметров для разделения узлов

Вторая базовая концепция случайного леса заключается в использовании определённой выборки параметров образца для разделения каждого узла в каждом отдельном дереве. Обычно размер выборки равен квадратному корню из общего числа параметров. То есть, если каждый образец набора данных содержит 16 параметров, то в каждом отдельном узле будет использовано 4. Хотя обучение случайного леса можно провести и с полным набором параметров, как это обычно делается при регрессии. Этот параметр можно настроить в реализации случайного леса в Scikit-Learn.

Случайный лес сочетает сотни или тысячи деревьев принятия решений, обучая каждое на отдельной выборке данных, разделяя узлы в каждом дереве с использованием ограниченного набора параметров. Итоговый прогноз делается путём усреднения прогнозов от всех деревьев.

Чтобы лучше понять преимущество случайного леса, представьте следующий сценарий: вам нужно решить, поднимется ли цена акций определённой компании. У вас есть доступ к дюжине аналитиков, изначально не знакомых с делами этой компании. Каждый из аналитиков характеризуется низкой степенью погрешности, так как не делает каких-либо предположений. Кроме того, они могут получать новые данные из новостных источников.

Трудность задачи в том, что новости, помимо реальных сигналов, могут содержать шум. Поскольку предсказания аналитиков базируются исключительно на данных — обладают высокой гибкостью — они могут быть искажены не относящейся к делу информацией. Аналитики могут прийти к разным заключениям, исходя из одних и тех же данных. Кроме того, каждый аналитик старается делать прогнозы, максимально коррелирующие с полученными отчётами (высокая вариативность) и предсказания могут значительно различаться при разных наборах новостных источников.

Поэтому нужно не опираться на решение какого-то одного аналитика, а собрать вместе их прогнозы. Более того, как и при использовании случайного леса, нужно разрешить каждому аналитику доступ только к определённым новостным источникам, в надежде на то, что эффекты шумов будут нейтрализованы выборкой. В реальной жизни мы полагаемся на множество источников (никогда не доверяйте единственному обзору на Amazon). Интуитивно нам близка не только идея дерева решений, но и комбинирование их в случайный лес.

Алгоритм Random Forest на практике

Настало время реализовать алгоритм случайного леса на языке Python с использованием Scikit-Learn. Вместо того чтобы работать над элементарной теоретической задачей, мы используем реальный набор данных, разбив его на обучающий и тестовый сеты. Тестовые данные мы используем для оценки того, насколько хорошо наша модель справляется с новыми данными, что поможет нам выяснить уровень переобучения.

Набор данных

Мы попробуем рассчитать состояние здоровья пациентов в бинарной системе координат. В качестве параметров мы используем социально-экономические и персональные характеристики субъектов. В качестве меток мы используем 0 для плохого здоровья и 1 для хорошего. Этот набор данных был собран Центром по Контролю и Предотвращению Заболеваний и размещён в свободном доступе.

Как правило 80 % работы над научным проектом заключается в изучении, очистке и синтезировании параметров из сырых данных (подробнее узнать можно здесь). Однако в этой статье мы сосредоточимся на построении модели.

В данном примере мы сталкиваемся с задачей несбалансированной классификации, поэтому простой параметр точности модели не отобразит истинной её производительности. Вместо этого мы используем площадь под кривой операционных характеристик приёмника (ROC AUC), измерив от 0 (в худшем случае) до 1 (в лучшем случае) со случайным прогнозом на уровне 0,5. Мы также можем построить указанную кривую, чтобы проанализировать модель.

В этом Jupyter notebook содержатся реализации и дерева решений, и случайного леса, но здесь мы сфокусируемся на последнем. После получения данных мы можем создать и обучить этот алгоритм следующим образом:

После нескольких минут обучения модель будет готова выдавать прогнозы для тестовых данных:

Мы рассчитаем прогнозы классификации ( predict ) наряду с прогностической вероятностью ( predict_proba ), чтобы вычислить ROC AUC.

Результаты

Итоговое тестирование ROC AUC для случайного леса составило 0.87, в то время как для единичного дерева с неограниченной глубиной — 0.67. Если вернуться к результатам обработки тренировочных данных, обе модели покажут эффективность, равную 1.00 на ROC AUC. Этого и следовало ожидать, ведь мы предоставили готовые ответы и не ограничивали максимальную глубину каждого дерева.

Несмотря на то, что случайный лес переобучен (показывает на тренировочных данных лучшую производительность, чем на тестовых), он всё же гораздо больше способен к обобщениям, чем одиночное дерево. При низкой вариативности (хорошо) случайный лес наследует от одиночного дерева решений низкую склонность к погрешности (что тоже хорошо).

Мы можем визуализовать кривую ROC для одиночного дерева (верхняя диаграмма) и для случайного леса в целом (нижняя диаграмма). Кривая лучшей модели стремится вверх и влево:

Случайный лес значительно превосходит по точности одиночное дерево.

Ещё один способ оценить эффективность построенной модели — матрица погрешностей для тестовых прогнозов.

На диаграмме верные прогнозы, сделанные моделью, отображаются в верхнем левом углу и в нижнем правом, а неверные в нижнем левом и верхнем правом. Подобные диаграммы мы можем использовать, чтобы оценить, достаточно ли проработана наша модель и готова ли она к релизу.

Значимость параметра

Значимость параметра в случайном лесу — это суммарное уменьшение загрязнения Джини во всех узлах, использующих этот параметр для разделения. Мы можем использовать это значение для определения опытным путём, какие переменные более всего принимаются во внимание нашей моделью. Мы можем рассчитать значимость параметров в уже обученной модели и экспортировать результаты этих вычислений в Pandas DataFrame следующим образом:

Рассматриваемая величина может также использоваться для синтезирования дополнительных параметров, объединяющих несколько наиболее важных. При отборе параметров их значимость может указать на те, которые можно удалить из набора данных без ущерба производительности модели.

Визуализация единичного дерева леса

Мы также можем визуализовать единичное дерево случайного леса. В данном случае нам придётся ограничить его глубину, иначе оно может оказаться слишком большим для преобразования в изображение. Для этого изображения глубина была ограничена до 6 уровней. Результат всё равно слишком велик, однако, внимательно его изучив, мы можем понять, как работает наша модель.

Следующие шаги

Следующим шагом будет оптимизация случайного леса, которую можно выполнить через случайный поиск, используя RandomizedSearchCV в Scikit-Learn. Оптимизация подразумевает поиск лучших гиперпараметров для модели на текущем наборе данных. Лучшие гиперпараметры будут зависеть от набора данных, поэтому нам придётся проделывать оптимизацию (настройку модели) отдельно для каждого набора.

Можно рассматривать настройку модели как поиск лучших установок для алгоритма машинного обучения. Примеры параметров, которые можно оптимизировать: количество деревьев, их максимальная глубина, максимальное количество параметров, принимаемых каждым узлом, максимальное количество образцов в листьях.

Реализацию случайного поиска для оптимизации модели можно изучить в Jupyter Notebook.

Полностью рабочий образец кода

Приведённый ниже код создан с помощью repl.it и представляет полностью рабочий пример создания алгоритма случайного леса на Python. Можете самостоятельно его запустить и попробовать поэкспериментировать, изменяя код (загрузка пакетов может занять некоторое время).

Заключение и выводы

Хотя мы действительно можем создавать мощные модели машинного обучения на Python, не понимая принципов их работы, знание основ позволит работать более эффективно. В этой статье мы не только построили и использовали на практике алгоритм случайного леса, но и разобрали, как работает эта модель.

Мы изучили работу дерева принятия решений, элемента, из которого состоит случайный лес, и увидели, как можно преодолеть высокую вариативность единичного дерева, комбинируя сотни таких деревьев в лес. Случайный лес работает на принципах случайной выборки образцов, случайного набора параметров и усреднения прогнозов.

В этой статье мы разобрали следующие ключевые концепции:

Источник