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XGBoost参数调优完全指南（附Python代码）

2019-05-26  本文已影响69人  婉妃

1. 简介

如果你的预测模型表现得有些不尽如人意，那就用XGBoost吧。XGBoost算法现在已经成为很多数据工程师的重要武器。它是一种十分精致的算法，可以处理各种不规则的数据。
构造一个使用XGBoost的模型十分简单。但是，提高这个模型的表现就有些困难(至少我觉得十分纠结)。这个算法使用了好几个参数。所以为了提高模型的表现，参数的调整十分必要。在解决实际问题的时候，有些问题是很难回答的——你需要调整哪些参数？这些参数要调到什么值，才能达到理想的输出？
这篇文章最适合刚刚接触XGBoost的人阅读。在这篇文章中，我们会学到参数调优的技巧，以及XGboost相关的一些有用的知识。以及，我们会用Python在一个数据集上实践一下这个算法。

2. 你需要知道的

XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)是Gradient Boosting算法的一个优化的版本。因为我在前一篇文章，基于Python的Gradient Boosting算法参数调整完全指南，里面已经涵盖了Gradient Boosting算法的很多细节了。我强烈建议大家在读本篇文章之前，把那篇文章好好读一遍。它会帮助你对Boosting算法有一个宏观的理解，同时也会对GBM的参数调整有更好的体会。

特别鸣谢：我个人十分感谢Mr Sudalai Rajkumar (aka SRK)大神的支持，目前他在AV Rank中位列第二。如果没有他的帮助，就没有这篇文章。在他的帮助下，我们才能给无数的数据科学家指点迷津。给他一个大大的赞！

3. 内容列表

1、XGBoost的优势
2、理解XGBoost的参数
3、调参示例

4. 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：

4.1 正则化

4.2 并行处理

4.3 高度的灵活性

4.4 缺失值处理

4.5 剪枝

4.6 内置交叉验证

4.7、在已有的模型基础上继续

相信你已经对XGBoost强大的功能有了点概念。注意这是我自己总结出来的几点，你如果有更多的想法，尽管在下面评论指出，我会更新这个列表的！

你的胃口被我吊起来了吗？棒棒哒！如果你想更深入了解相关信息，可以参考下面这些文章：
XGBoost Guide - Introduce to Boosted Trees
Words from the Auther of XGBoost [Viedo]

5. XGBoost的参数

XGBoost的作者把所有的参数分成了三类：

  1. 通用参数：宏观函数控制。
  2. Booster参数：控制每一步的booster(tree/regression)。
  3. 学习目标参数：控制训练目标的表现。

在这里我会类比GBM来讲解，所以作为一种基础知识，强烈推荐先阅读这篇文章。

5.1 通用参数

这些参数用来控制XGBoost的宏观功能。

1、booster[默认gbtree]

2、silent[默认0]

3、nthread[默认值为最大可能的线程数]

还有两个参数，XGBoost会自动设置，目前你不用管它。接下来咱们一起看booster参数。

5.2 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]

2、min_child_weight[默认1]

3、max_depth[默认6]

4、max_leaf_nodes

5、gamma[默认0]

6、max_delta_step[默认0]

7、subsample[默认1]

8、colsample_bytree[默认1]

9、colsample_bylevel[默认1]

10、lambda[默认1]

11、alpha[默认1]

12、scale_pos_weight[默认1]

5.3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]

2、eval_metric[默认值取决于objective参数的取值]

3、seed(默认0)

如果你之前用的是Scikit-learn,你可能不太熟悉这些参数。但是有个好消息，python的XGBoost模块有一个sklearn包，XGBClassifier。这个包中的参数是按sklearn风格命名的。会改变的函数名是：

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

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)

6. 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：

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。

#Import libraries:
import pandas as pd
import numpy as np
import xgboost as xgb
from xgboost.sklearn import XGBClassifier
from sklearn import cross_validation, metrics   #Additional     scklearn functions
from sklearn.grid_search import GridSearchCV   #Perforing grid search
import matplotlib.pylab as plt
%matplotlib inline
from matplotlib.pylab import rcParams
rcParams['figure.figsize'] = 12, 4
train = pd.read_csv('train_modified.csv')
target = 'Disbursed'
IDcol = 'ID'

注意我import了两种XGBoost：

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。

def modelfit(alg, dtrain, predictors,useTrainCV=True, cv_folds=5, early_stopping_rounds=50):
if useTrainCV:
    xgb_param = alg.get_xgb_params()
    xgtrain = xgb.DMatrix(dtrain[predictors].values, label=dtrain[target].values)
    cvresult = xgb.cv(xgb_param, xgtrain, num_boost_round=alg.get_params()['n_estimators'], nfold=cv_folds,
        metrics='auc', early_stopping_rounds=early_stopping_rounds, show_progress=False)
    alg.set_params(n_estimators=cvresult.shape[])
#Fit the algorithm on the data
alg.fit(dtrain[predictors], dtrain['Disbursed'],eval_metric='auc')
#Predict training set:
dtrain_predictions = alg.predict(dtrain[predictors])
dtrain_predprob = alg.predict_proba(dtrain[predictors])[:,1]
#Print model report:
print "\nModel Report"
print "Accuracy : %.4g" % metrics.accuracy_score(dtrain['Disbursed'].values, dtrain_predictions)
print "AUC Score (Train): %f" % metrics.roc_auc_score(dtrain['Disbursed'], dtrain_predprob)
feat_imp = pd.Series(alg.booster().get_fscore()).sort_values(ascending=False)
feat_imp.plot(kind='bar', title='Feature Importances')
plt.ylabel('Feature Importance Score')

这个函数和GBM中使用的有些许不同。不过本文章的重点是讲解重要的概念，而不是写代码。如果哪里有不理解的地方，请在下面评论，不要有压力。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。

6.1 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：

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

#Choose all predictors except target & IDcols
predictors = [x for x in train.columns if x not in [target,IDcol]]
xgb1 = XGBClassifier(
 learning_rate =0.1,
 n_estimators=,
 max_depth=,
 min_child_weight=,
 gamma=,
 subsample=0.8,
 colsample_bytree=0.8,
 objective= 'binary:logistic',
 nthread=,
 scale_pos_weight=,
 seed=)
modelfit(xgb1, train, predictors)
image.png

从输出结果可以看出，在学习速率为0.1时，理想的决策树数目是140。这个数字对你而言可能比较高，当然这也取决于你的系统的性能。

注意：在AUC(test)这里你可以看到测试集的AUC值。但是如果你在自己的系统上运行这些命令，并不会出现这个值。因为数据并不公开。这里提供的值仅供参考。生成这个值的代码部分已经被删掉了。

第二步： max_depth 和 min_weight 参数调优

我们先对这两个参数调优，是因为它们对最终结果有很大的影响。首先，我们先大范围地粗调参数，然后再小范围地微调。
注意：在这一节我会进行高负荷的栅格搜索(grid search)，这个过程大约需要15-30分钟甚至更久，具体取决于你系统的性能。你也可以根据自己系统的性能选择不同的值。

param_test1 = {
 'max_depth':range(3,10,2),
 'min_child_weight':range(1,6,2)
}
gsearch1 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier(         learning_rate =0.1, n_estimators=140, max_depth=5,
min_child_weight=, gamma=0, subsample=0.8,             colsample_bytree=0.8,
 objective= 'binary:logistic', nthread=4,     scale_pos_weight=1, seed=27), 
 param_grid = param_test1,     scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
gsearch1.fit(train[predictors],train[target])
gsearch1.grid_scores_, gsearch1.best_params_,     gsearch1.best_score_

至此，我们对于数值进行了较大跨度的12中不同的排列组合，可以看出理想的max_depth值为5，理想的min_child_weight值为5。在这个值附近我们可以再进一步调整，来找出理想值。我们把上下范围各拓展1，因为之前我们进行组合的时候，参数调整的步长是2。

param_test2 = {
 'max_depth':[4,5,6],
 'min_child_weight':[4,5,6]
}
gsearch2 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier(     learning_rate=0.1, n_estimators=140, max_depth=5,
 min_child_weight=, gamma=0, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8,
 objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), 
 param_grid = param_test2, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
gsearch2.fit(train[predictors],train[target])
gsearch2.grid_scores_, gsearch2.best_params_,     gsearch2.best_score_

至此，我们得到max_depth的理想取值为4，min_child_weight的理想取值为6。同时，我们还能看到cv的得分有了小小一点提高。需要注意的一点是，随着模型表现的提升，进一步提升的难度是指数级上升的，尤其是你的表现已经接近完美的时候。当然啦，你会发现，虽然min_child_weight的理想取值是6，但是我们还没尝试过大于6的取值。像下面这样，就可以尝试其它值。

param_test2b = {
 'min_child_weight':[6,8,10,12]
 }
gsearch2b = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier(     learning_rate=0.1, n_estimators=140, max_depth=4,
 min_child_weight=, gamma=0, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test2b, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
gsearch2b.fit(train[predictors],train[target])
modelfit(gsearch3.best_estimator_, train, predictors)
gsearch2b.grid_scores_, gsearch2b.best_params_, gsearch2b.best_score_

我们可以看出，6确确实实是理想的取值了。

第三步：gamma参数调优

在已经调整好其它参数的基础上，我们可以进行gamma参数的调优了。Gamma参数取值范围可以很大，我这里把取值范围设置为5了。你其实也可以取更精确的gamma值。

param_test3 = {
 'gamma':[i/10.0 for i in range(0,5)]
}
gsearch3 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=140, max_depth=4, min_child_weight=6, gamma=0, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test3, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
gsearch3.fit(train[predictors],train[target])
gsearch3.grid_scores_, gsearch3.best_params_, gsearch3.best_score_

从这里可以看出来，我们在第一步调参时设置的初始gamma值就是比较合适的。也就是说，理想的gamma值为0。在这个过程开始之前，最好重新调整boosting回合，因为参数都有变化。


从这里，可以看出，得分提高了。所以，最终得到的参数是：

xgb2 = XGBClassifier(
 learning_rate =0.1,
 n_estimators=,
 max_depth=,
 min_child_weight=,
 gamma=,
 subsample=0.8,
 colsample_bytree=0.8,
 objective= 'binary:logistic',
 nthread=,
scale_pos_weight=,
seed=)
modelfit(xgb2, train, predictors)

第四步：调整subsample 和 colsample_bytree 参数

下一步是尝试不同的subsample 和 colsample_bytree 参数。我们分两个阶段来进行这个步骤。这两个步骤都取0.6,0.7,0.8,0.9作为起始值。

param_test4 = {
 'subsample':[i/10.0 for i in range(6,10)],
 'colsample_bytree':[i/10.0 for i in range(6,10)]
}
gsearch4 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=177, max_depth=3, min_child_weight=4, gamma=0.1, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test4, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
gsearch4.fit(train[predictors],train[target])
gsearch4.grid_scores_, gsearch4.best_params_, gsearch4.best_score_

从这里可以看出来，subsample 和 colsample_bytree 参数的理想取值都是0.8。现在，我们以0.05为步长，在这个值附近尝试取值。

param_test5 = {
 'subsample':[i/100.0 for i in range(75,90,5)],
 'colsample_bytree':[i/100.0 for i in range(75,90,5)]
}
gsearch5 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=177, max_depth=4, min_child_weight=6, gamma=0, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test5, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
gsearch5.fit(train[predictors],train[target])

我们得到的理想取值还是原来的值。因此，最终的理想取值是:

第五步：正则化参数调优

下一步是应用正则化来降低过拟合。由于gamma函数提供了一种更加有效地降低过拟合的方法，大部分人很少会用到这个参数。但是我们在这里也可以尝试用一下这个参数。我会在这里调整’reg_alpha’参数，然后’reg_lambda’参数留给你来完成。

param_test6 = {
 'reg_alpha':[1e-5, 1e-2, 0.1, 1, 100]
}
gsearch6 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=177, max_depth=4, min_child_weight=6, gamma=0.1, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test6, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
gsearch6.fit(train[predictors],train[target])
gsearch6.grid_scores_, gsearch6.best_params_, gsearch6.best_score_

我们可以看到，相比之前的结果，CV的得分甚至还降低了。但是我们之前使用的取值是十分粗糙的，我们在这里选取一个比较靠近理想值(0.01)的取值，来看看是否有更好的表现。

param_test7 = {
 'reg_alpha':[0, 0.001, 0.005, 0.01, 0.05]
}
gsearch7 = GridSearchCV(estimator = XGBClassifier( learning_rate =0.1, n_estimators=177, max_depth=4, min_child_weight=6, gamma=0.1, subsample=0.8, colsample_bytree=0.8, objective= 'binary:logistic', nthread=4, scale_pos_weight=1,seed=27), param_grid = param_test7, scoring='roc_auc',n_jobs=4,iid=False, cv=5)
gsearch7.fit(train[predictors],train[target])
gsearch7.grid_scores_, gsearch7.best_params_, gsearch7.best_score_

可以看到，CV的得分提高了。现在，我们在模型中来使用正则化参数，来看看这个参数的影响。

xgb3 = XGBClassifier(
 learning_rate =0.1,
 n_estimators=,
 max_depth=,
 min_child_weight=,
 gamma=,
 subsample=0.8,
 colsample_bytree=0.8,
 reg_alpha=0.005,
 objective= 'binary:logistic',
 nthread=,
 scale_pos_weight=,
 seed=)
modelfit(xgb3, train, predictors)

然后我们发现性能有了小幅度提高。

第6步：降低学习速率

最后，我们使用较低的学习速率，以及使用更多的决策树。我们可以用XGBoost中的CV函数来进行这一步工作。

xgb4 = XGBClassifier(
 learning_rate =0.01,
 n_estimators=,
 max_depth=,
 min_child_weight=,
 gamma=,
 subsample=0.8,
 colsample_bytree=0.8,
 reg_alpha=0.005,
 objective= 'binary:logistic',
 nthread=,
 scale_pos_weight=,
 seed=)
modelfit(xgb4, train, predictors)

[图片上传失败...(image-ab147b-1558836319886)]

至此，你可以看到模型的表现有了大幅提升，调整每个参数带来的影响也更加清楚了。
在文章的末尾，我想分享两个重要的思想：
1、仅仅靠参数的调整和模型的小幅优化，想要让模型的表现有个大幅度提升是不可能的。GBM的最高得分是0.8487，XGBoost的最高得分是0.8494。确实是有一定的提升，但是没有达到质的飞跃。
2、要想让模型的表现有一个质的飞跃，需要依靠其他的手段，诸如，特征工程(feature egineering) ，模型组合(ensemble of model),以及堆叠(stacking)等。

你可以从 这里 下载iPython notebook文件，里面包含了文章中提到的所有代码。如果你使用R语言，请阅读这篇文章。
详见: https://www.2cto.com/kf/201607/528771.html

结束语

这篇文章主要讲了如何提升XGBoost模型的表现。首先，我们介绍了相比于GBM，为何XGBoost可以取得这么好的表现。紧接着，我们介绍了每个参数的细节。我们定义了一个可以重复使用的构造模型的函数。
最后，我们讨论了使用XGBoost解决问题的一般方法，在AV Data Hackathon 3.x problem数据上实践了这些方法。
希望看过这篇文章之后，你能有所收获，下次使用XGBoost解决问题的时候可以更有信心哦~

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