Python28-11 CatBoost梯度提升算法

CatBoost（Categorical Boosting）是由Yandex(一家俄罗斯互联网企业，旗下的搜索引擎曾在俄国内拥有逾60%的市场占有率，同时也提供其他互联网产品和服务)开发的一种基于梯度提升的机器学习算法。CatBoost特别擅长处理类别特征，并且能够有效地避免过拟合和数据泄露问题。CatBoost的全称是“Categorical Boosting”，它的设计初衷是为了在处理包含大量类别特征的数据时表现得更好。

CatBoost的特点

1. 处理类别特征：CatBoost可以直接处理类别特征而不需要进行额外的编码（如one-hot编码）。

2. 避免过拟合：CatBoost采用了一种新的处理类别特征的方法，有效地减少了过拟合。

3. 高效性：CatBoost在训练速度和预测速度方面都表现优异。

4. 支持CPU和GPU训练：CatBoost既可以在CPU上运行，也可以利用GPU进行加速训练。

5. 自动处理缺失值：CatBoost可以自动处理缺失值，无需额外的预处理步骤。

CatBoost的核心原理

CatBoost的核心原理基于梯度提升决策树（GBDT），但在处理类别特征和避免过拟合方面进行了创新。以下是一些关键的技术点：

1. 类别特征处理：

   • CatBoost引入了一个称为“均值编码”的方法，基于类别的均值计算新特征。

   • 使用一种称为“目标编码”的技术，将类别特征转化为数值特征时，通过使用目标值的平均值来减少数据泄露的风险。

   • 在训练过程中，通过使用统计信息对数据进行处理，避免直接使用目标变量进行编码。

2. 有序提升（Ordered Boosting）：

   • 为了防止数据泄露和过拟合，CatBoost在训练时对数据进行了有序处理。

   • 有序提升通过在训练过程中随机打乱数据，并确保模型在某一时刻只看到过去的数据，而不会使用未来的信息进行决策。

3. 计算优化：

   • CatBoost通过预计算和缓存的方式加速了特征的计算过程。

   • 支持CPU和GPU训练，能够在大规模数据集上表现出色。

CatBoost的基本使用

以下是一个使用CatBoost进行分类任务的基本示例，我们使用Auto MPG（Miles Per Gallon）数据集，它是一个经典的回归问题数据集，常用于机器学习和统计分析。该数据集记录了不同型号汽车的燃油效率（即每加仑燃油行驶的英里数）以及其他多个相关特征。

数据集特征:

• mpg: 每加仑燃油行驶的英里数（目标变量）。

• cylinders: 气缸数量，表示发动机的气缸数。

• displacement: 发动机排量（立方英寸）。

• horsepower: 发动机功率（马力）。

• weight: 车辆重量（磅）。

• acceleration: 0到60英里每小时的加速度时间（秒）。

• model_year: 车辆生产年份。

• origin: 车辆产地（1=美国，2=欧洲，3=日本）。

数据集前几行：

    mpg  cylinders  displacement  horsepower  weight  acceleration  model_year  origin
0  18.0          8         307.0       130.0  3504.0          12.0          70       1
1  15.0          8         350.0       165.0  3693.0          11.5          70       1
2  18.0          8         318.0       150.0  3436.0          11.0          70       1
3  16.0          8         304.0       150.0  3433.0          12.0          70       1
4  17.0          8         302.0       140.0  3449.0          10.5          70       1

代码示例：

import pandas as pd  # 导入Pandas库，用于数据处理
import numpy as np  # 导入Numpy库，用于数值计算
from sklearn.model_selection import train_test_split  # 从sklearn库导入train_test_split，用于划分数据集
from sklearn.metrics import mean_squared_error, mean_absolute_error  # 导入均方误差和平均绝对误差，用于评估模型性能
from catboost import CatBoostRegressor  # 导入CatBoost库中的CatBoostRegressor，用于回归任务
import matplotlib.pyplot as plt  # 导入Matplotlib库，用于绘图
import seaborn as sns  # 导入Seaborn库，用于绘制统计图# 设置随机种子以便结果复现
np.random.seed(42)# 从UCI机器学习库加载Auto MPG数据集
url = "http://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/auto-mpg/auto-mpg.data"
column_names = ['mpg', 'cylinders', 'displacement', 'horsepower', 'weight', 'acceleration', 'model_year', 'origin']
data = pd.read_csv(url, names=column_names, na_values='?', comment='\t', sep=' ', skipinitialspace=True)# 查看数据集的前几行
print(data.head())# 处理缺失值
data = data.dropna()# 特征和目标变量
X = data.drop('mpg', axis=1)  # 特征变量
y = data['mpg']  # 目标变量# 将类别特征转换为字符串类型（CatBoost可以直接处理类别特征）
X['cylinders'] = X['cylinders'].astype(str)
X['model_year'] = X['model_year'].astype(str)
X['origin'] = X['origin'].astype(str)# 将数据集划分为训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)# 定义CatBoost回归器
model = CatBoostRegressor(iterations=1000,  # 迭代次数learning_rate=0.1,  # 学习率depth=6,  # 决策树深度loss_function='RMSE',  # 损失函数verbose=100  # 输出训练过程信息
)# 训练模型
model.fit(X_train, y_train, eval_set=(X_test, y_test), early_stopping_rounds=50)# 进行预测
y_pred = model.predict(X_test)# 评估模型性能
mse = mean_squared_error(y_test, y_pred)  # 计算均方误差
mae = mean_absolute_error(y_test, y_pred)  # 计算平均绝对误差# 打印模型的评估结果
print(f'Mean Squared Error (MSE): {mse:.4f}')
print(f'Mean Absolute Error (MAE): {mae:.4f}')# 绘制真实值与预测值的对比图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.scatter(y_test, y_pred, alpha=0.5)  # 绘制散点图
plt.plot([y_test.min(), y_test.max()], [y_test.min(), y_test.max()], '--k')  # 绘制对角线
plt.xlabel('True Values')  # X轴标签
plt.ylabel('Predictions')  # Y轴标签
plt.title('True Values vs Predictions')  # 图标题
plt.show()# 特征重要性可视化
feature_importances = model.get_feature_importance()  # 获取特征重要性
feature_names = X.columns  # 获取特征名称plt.figure(figsize=(10, 6))
sns.barplot(x=feature_importances, y=feature_names)  # 绘制特征重要性条形图
plt.title('Feature Importances')  # 图标题
plt.show()# 输出
'''
mpg  cylinders  displacement  horsepower  weight  acceleration  \
0  18.0          8         307.0       130.0  3504.0          12.0   
1  15.0          8         350.0       165.0  3693.0          11.5   
2  18.0          8         318.0       150.0  3436.0          11.0   
3  16.0          8         304.0       150.0  3433.0          12.0   
4  17.0          8         302.0       140.0  3449.0          10.5   model_year  origin  
0          70       1  
1          70       1  
2          70       1  
3          70       1  
4          70       1  
0: learn: 7.3598113 test: 6.6405869 best: 6.6405869 (0) total: 1.7ms remaining: 1.69s
100: learn: 1.5990203 test: 2.3207830 best: 2.3207666 (94) total: 132ms remaining: 1.17s
200: learn: 1.0613606 test: 2.2319632 best: 2.2284239 (183) total: 272ms remaining: 1.08s
Stopped by overfitting detector  (50 iterations wait)bestTest = 2.21453232
bestIteration = 238Shrink model to first 239 iterations.
Mean Squared Error (MSE): 4.9042
Mean Absolute Error (MAE): 1.6381<Figure size 1000x600 with 1 Axes>
<Figure size 1000x600 with 1 Axes>
'''

Mean Squared Error (MSE): 均方误差，表示预测值与实际值之间的平均平方差异。值越小，模型性能越好，在这里MSE的值是4.9042。

Mean Absolute Error (MAE): 平均绝对误差，表示预测值与实际值之间的平均绝对差异。值越小，模型性能越好，在这里MAE的值是1.6381。

1. 散点图：图中的每个点表示一个测试样本。横坐标表示该样本的真实值（MPG），纵坐标表示模型的预测值（MPG）。

2. 对角线：图中的黑色虚线是45度对角线，表示理想情况下的预测结果，即预测值等于真实值。

3. 点的分布：

   • 靠近对角线：表示模型的预测值与真实值非常接近，预测准确。

   • 远离对角线：表示预测值与真实值有较大差距，预测不准确。

通过图中的点可以看到大部分点都集中在对角线附近，这表明模型的预测性能良好，但也有一些点离对角线较远，表示这些样本的预测值与真实值存在一定的差距。

1. 条形图：每个条形表示一个特征在模型中的重要性。条形越长，表示该特征对模型预测的贡献越大。

2. 特征名称：在Y轴上列出了所有特征的名称。

3. 特征重要性值：在X轴上显示了每个特征的相对重要性值。

从图中可以看到：

1. model_year：在所有特征中最重要，表示汽车的生产年份对预测燃油效率有很大的影响。

2. weight：汽车的重量是第二重要的特征，对燃油效率也有显著影响。

3. displacement 和 horsepower：发动机的排量和功率对燃油效率也有较大的贡献。

在实例中，我们使用CatBoost处理Auto MPG数据集，其主要目的是构建一个回归模型，以预测汽车的燃油效率（即每加仑燃油行驶的英里数，MPG）。

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