【机器学习-4】 | 集成学习 / 随机森林篇

集成学习与随机森林学习笔记

0 序言

本文将系统介绍Bagging、Boosting两种集成学习方法及随机森林算法，涵盖其原理、过程、参数等内容。通过学习，你能理解两种方法的区别，掌握随机森林的随机含义、算法步骤、优点及关键参数使用，明确各知识点的逻辑关联，本篇将主要围绕原理方面展开，下篇文章再具体用一个项目来加深巩固本文提到的随机森林算法。

1 Bagging（套袋法）

1.1 算法过程

样本抽取：采用Bootstrapping方法从原始样本集随机抽取n个训练样本，经过k轮抽取，得到k个相互独立且元素可重复的训练集。这样做是为了获得不同的训练数据，为后续构建多样化模型做准备。

举个例子：假设原始样本集是学生成绩数据集，包含 100 名学生的语文、数学、英语成绩（即(n = 100) ），要进行(k = 5)轮抽取。
每一轮都从这 100 条数据里，有放回地随机选 100 条，就像抽奖箱里有 100 个写着学生成绩的球，每次摸一个记录后再放回去，摸 100 次组成一轮的训练集。
5 轮后，得到 5 个训练集，每个训练集都是 100 条数据，数据可能有重复，也可能有遗漏，它们相互独立，为后续训练不同模型提供多样数据。

模型训练：使用得到的k个训练集分别训练k个模型，这里的模型可以是决策树、KNN等。通过多个模型的训练，能够综合不同模型的优势。

举个例子：接着上面学生成绩的例子，用 5 个训练集，分别训练 5 个决策树模型。
每个决策树依据各自训练集里的成绩数据，学习如何根据语文、数学成绩去判断学生的英语成绩等级。因为训练集不同，每个决策树学到的判断逻辑会有差异，后续就能综合这些差异模型的能力。

结果判定：在分类问题中，通过投票表决来确定最终结果，且所有模型的重要性相同。这是因为各模型是基于不同训练集独立训练的，地位平等。

举个例子：还是学生成绩分类任务，5 个决策树模型分别对一名新学生的成绩输出判断。
比如模型 1 认为是A 等，模型 2 认为是B 等，模型 3 认为是A 等，模型 4 认为是A 等，模型 5 认为是B 等 。
统计投票，A 等得 3 票，B 等得 2 票，最终就判定该学生英语等级为A 等，每个模型一票，公平表决。

所以，根据以上的例子，我们放到我们的训练集中去体现这个思想，

那就可以参照下图进行理解。

2 Boosting（提升法）

2.1 算法过程

样本权重：为训练集样本建立权值$w_i$，权值表示对样本的关注度，对于误分类概率高的样本会加大其权值。这样可以让模型更关注难以分类的样本，提升模型性能。

模型组合：迭代生成弱分类器，然后通过一定策略进行组合，例如AdaBoost算法会给弱分类器进行加权线性组合，其中误差小的弱分类器权值更大。通过这种方式，能让性能好的弱分类器在最终结果中发挥更大作用。

可以参考下面图片辅助理解。

3 Bagging与Boosting的主要区别

4 随机森林

4.1 基本概念

随机森林由Bagging + 决策树组成，其产生是为了解决决策树泛化能力弱的问题。
通过利用Bagging方法产生不同的数据集来生成多棵决策树，从而提升预测准确率，但会损失部分直观解释性。

4.2 随机含义

样本随机：使用Bootstrap方法从样本集中随机选取n个样本用于训练每棵树。这样能保证每棵树的训练样本具有差异性。
特征随机：从所有属性中随机选取k个，然后选择最佳分割属性来构建CART决策树（也可使用SVM等其他模型）。通过特征的随机选择，进一步增加了树的多样性。

4.3 算法步骤

重复样本随机、特征随机的步骤m次，构建m棵CART决策树。
多棵树通过投票表决（如一票否决、少数服从多数、加权多数等方式）来决定分类结果。

具体流程可以参考下图：

4.4 优点

• 由于只选择部分样本和特征进行训练，能够避免模型过拟合。
• 随机选择样本与特征的方式，使得模型的抗噪能力好、性能稳定。
• 可以处理高维数据，无需进行特征选择。
• 适合进行并行计算，且实现简单。

4.5 流程可视化与局限性

4.5.1 流程可视化理解

可见下图，随机森林先预设超参数（如树的数量、层数 ），再通过随机采样（样本 + 特征双随机 ）训练多棵决策树，最后整合结果（分类求众数、回归求均值 ）。
流程清晰体现多棵树并行训练→结合器统一输出的模式。

4.5.2 局限性

模型存在泛化与复杂度矛盾：虽通过随机化提升泛化，但整体过于General，遇到极复杂、超出训练规律的样本，因单棵树能力有限，集成后也难精准处理，即 起点高（基于 Bagging 和决策树已有基础）但天花板低（依赖基础组件能力，难突破单个弱学习器上限） 。
在实际应用中，需结合场景权衡。
简单规律任务表现好，超复杂、需深度挖掘的场景，可能需更复杂模型配合。

4.6 sklearn函数及参数

4.6.1 关键参数max_features

Auto/None：使用所有特征。
sqrt：每棵子树使用总特征数的平方根个特征。
log2：$max\_features=log2(n\_features)$。
0.2：子树使用20%的特征，也可采用0.x格式来考察不同特征占比的作用。
增加max_features理论上可能因为节点选择更多样而提升模型性能，这是随机森林的优势之一，但会降低单树的多样性，并且会使算法速度下降，因此需要平衡选择。

4.6.2 核心参数解析

n_estimators

• 含义：子树的数量。
• 影响：数量越多，模型性能通常更好，但代码运行速度会变慢。需要选择处理器能够承受的高值，默认值为10，一般至少设置为100，以让预测更优更稳定。

max_depth

• 设置树的最大深度，默认值为None，此时叶节点要么是单一类别，要么达到min_samples_split条件。

min_samples_split

• 分割内部节点所需的最少样本数量，默认值为2。

min_samples_leaf

• 叶子节点包含的最少样本数，默认值为1。

bootstrap

• 控制是否进行有放回抽样，默认值为True。

min_impurity_decrease

• 规则：只有当分裂后杂质度的减少效果高于该值（默认值为0）时，节点才会分裂。

min_weight_fraction_leaf

• 条件：节点对应的实例数与总样本数的比值≥该值（默认值为0）时，才能成为叶子节点。

max_leaf_nodes

• 默认值为None，此时会以最优优先方式生成树，优先选择杂质少（纯度高）的叶子节点。

min_impurity_split

• 阈值：当节点的杂质度高于此值时则进行分裂，低于此值则成为叶子节点，用于控制树的增长。

criterion

• "gini"（默认值，用于计算基尼不纯度）或"entropy"（用于计算信息增益），用于选择最优节点。

splitter

• "best"（默认值，选择不纯度最大的属性）或"random"（随机选择属性），建议使用默认值。

n_jobs

• 指定引擎可用的处理器数量，-1表示无限制，1表示使用1个，输入数字n则使用n个，这对于并行的Bagging等集成算法很重要。

random_state

• 使结果可复现，当确定该值后，在参数和训练数据不变的情况下，结果相同。

4.6 程序示例

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score

# 加载数据集
data = load_iris()
X = data.data
y = data.target

# 划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=42)

# 创建随机森林分类器
rf = RandomForestClassifier(n_estimators=100, max_features='sqrt', random_state=42)

# 训练模型
rf.fit(X_train, y_train)

# 预测
y_pred = rf.predict(X_test)

# 计算准确率
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
print(f"模型准确率：{accuracy}")

5 小结

本文先介绍了Bagging和Boosting两种集成学习方法的算法过程及主要区别，我们可以了解到它们在样本选择、权重处理等方面的不同。随后重点讲解了随机森林，包括其基本概念、随机的两层含义、算法步骤、优点以及sklearn中相关参数的解析，并给出了程序示例。

通过学习，我们能清楚随机森林是如何结合Bagging和决策树的优势，以及如何根据实际需求调整参数来构建模型，为解决分类等问题提供了有效的方法和思路。

下文我们将具体通过一个项目来将这些原理应用进去。