随机森林在乳腺癌数据上的调参

[yoggieCDA]

这篇文章中，使用基于方差和偏差的调参方法，在乳腺癌数据上进行一次随机森林的调参。乳腺癌数据是 sklearn 自带的分类数据之一。

案例中，往往使用真实数据，为什么我们要使用 sklearn 自带的数据呢？因为真实数据在随机森林下的调参过程，往往非常缓慢。真实数据量大，维度高，在使用随机森林之前需要一系列的处理，因此不太适合用来做直播中的案例演示。原本，我为大家准备了 kaggle 上下载的辨别手写数字的数据，有 4W 多条记录 700 多个左右的特征，随机森林在这个辨别手写数字的数据上有非常好的表现，其调参案例也是非常经典，但是由于数据的维度太高，太过复杂，运行一次完整的网格搜索需要四五个小时，因此不太可能拿来给大家进行演示。经典的泰坦尼克号数据，用来调参的话也是需要很长时间，因此我才选择 sklearn 当中自带的，结构相对清晰简单的数据来为大家做这个案例。大家感兴趣的话，可以进公众号（ CDA 微课学院）去下载数据，也可以直接到 kaggle 上进行下载，数据集名称是 Digit Recognizer （ https://www.kaggle.com/c/digit-recognizer ）。

那我们接下来，就用乳腺癌数据，来看看我们的调参代码。

1. 导入需要的库

from sklearn.datasets import load_breast_cancer
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.model_selection import cross_val_score
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import numpy as np

2. 导入数据集，探索数据

data = load_breast_cancer()

data

data.data.shape

data.target

可以看到，乳腺癌数据集有 569 条记录，30 个特征，单看维度虽然不算太高，但是样本量非常少。过拟合的情况可能存在。

3. 简单建模

进行一次简单的建模，看看模型本身在数据集上的效果

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=100,random_state=90)
score_pre = cross_val_score(rfc,data.data,data.target,cv=10).mean()
score_pre

这里可以看到，随机森林在乳腺癌数据上的表现本就还不错，在现实数据集上，基本上不可能什么都不调就看到 95%以上的准确率。

4. 调参第一步：无论如何先来调 n_estimators

在这里我们选择学习曲线，可以使用网格搜索吗？可以，但是只有学习曲线，才能看见趋势 我个人的倾向是，要看见 n_estimators 在什么取值开始变得平稳，是否一直推动模型整体准确率的上升等信息 第一次的学习曲线，可以先用来帮助我们划定范围，我们取每十个数作为一个阶段，来观察 n_estimators 的变化如何引起模型整体准确率的变化

##### [ TIME WARNING: 30 seconds ] #####

scorel = []
for i in range(0,200,10):
    rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=i+1,
                                 n_jobs=-1,
                                 random_state=90)
    score = cross_val_score(rfc,data.data,data.target,cv=10).mean()
    scorel.append(score)
print(max(scorel),(scorel.index(max(scorel))*10)+1)
plt.figure(figsize=[20,5])
plt.plot(range(1,201,10),scorel)
plt.show()

#list.index([object])，返回这个 object 在列表 list 中的索引

从运行结果来看，当 n_estimators=41 的时候 score 取得最大值 0.968 。

5. 调参第二步：细化学习曲线

在确定好的范围内，进一步细化学习曲线

scorel = []
for i in range(35,45):
    rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=i,
                                 n_jobs=-1,
                                 random_state=90)
    score = cross_val_score(rfc,data.data,data.target,cv=10).mean()
    scorel.append(score)
print(max(scorel),([*range(35,45)][scorel.index(max(scorel))]))
plt.figure(figsize=[20,5])
plt.plot(range(35,45),scorel)
plt.show()

调整 n_estimators 的效果显著，模型的准确率立刻上升了 0.005 。接下来就进入网格搜索，我们将使用网格搜索对参数一个个进行调整。为什么我们不同时调整多个参数呢？原因有两个：1 ）同时调整多个参数会运行非常缓慢，在课堂上我们没有这么多的时间。2 ）同时调整多个参数，会让我们无法理解参数的组合是怎么得来的，所以即便网格搜索调出来的结果不好，我们也不知道从哪里去改。在这里，为了使用复杂度-泛化误差方法（方差-偏差方法），我们对参数进行一个个地调整。

6. 书写网格搜索的参数

书写网格搜索的参数，为网格搜索做准备。

有一些参数是没有参照的，很难说清一个范围，这种情况下我们使用学习曲线，看趋势 从曲线跑出的结果中选取一个更小的区间，再跑曲线

param_grid = {'n_estimators':np.arange(0, 200, 10)}

param_grid = {'max_depth':np.arange(1, 20, 1)}

param_grid = {'max_leaf_nodes':np.arange(25,50,1)}
#对于大型数据集，可以尝试从 1000 来构建，先输入 1000，每 100 个叶子一个区间，再逐渐缩小范围

有一些参数是可以找到一个范围的，或者说我们知道他们的取值和随着他们的取值，模型的整体准确率会如何变化，这样的参数我们就可以直接跑网格搜索

param_grid = {'criterion':['gini', 'entropy']}

param_grid = {'min_samples_split':np.arange(2, 2+20, 1)}

param_grid = {'min_samples_leaf':np.arange(1, 1+10, 1)}
	
param_grid = {'max_features':np.arange(5,30,1)} 

7. 调整 max_depth

开始按照参数对模型整体准确率的影响程度进行调参，首先调整 max_depth

#调整 max_depth

param_grid = {'max_depth':np.arange(1, 20, 1)}

#	一般根据数据的大小来进行一个试探，乳腺癌数据很小，所以可以采用 1~10，或者 1~20 这样的试探
#	但对于像 digit recognition 那样的大型数据来说，我们应该尝试 30~50 层深度（或许还不足够
#   更应该画出学习曲线，来观察深度对模型的影响

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=39
                             ,random_state=90
                            )
GS = GridSearchCV(rfc,param_grid,cv=10)
GS.fit(data.data,data.target)

GS.best_params_

GS.best_score_

在这里，我们注意到，将 max_depth 设置为有限之后，模型的准确率下降了。限制 max_depth，是让模型变得简单，把模型向左推，而模型整体的准确率下降了，即整体的泛化误差上升了，这说明模型现在位于图像左边，即泛化误差最低点的左边（偏差为主导的一边）。通常来说，随机森林应该在泛化误差最低点的右边，树模型应该倾向于过拟合，而不是拟合不足。这和数据集本身有关，但也有可能是我们调整的 n_estimators 对于数据集来说太大，因此将模型拉到泛化误差最低点去了。然而，既然我们追求最低泛化误差，那我们就保留这个 n_estimators，除非有其他的因素，可以帮助我们达到更高的准确率。

当模型位于图像左边时，我们需要的是增加模型复杂度（增加方差，减少偏差）的选项，因此 max_depth 应该尽量大，min_samples_leaf 和 min_samples_split 都应该尽量小。这几乎是在说明，除了 max_features，我们没有任何参数可以调整了，因为 max_depth，min_samples_leaf 和 min_samples_split 是剪枝参数，是减小复杂度的参数。在这里，我们可以预言，我们已经非常接近模型的上限，模型很可能没有办法再进步了。

那我们这就来调整一下 max_features，看看模型如何变化。

8. 调整 max_features

max_features 是唯一一个即能够将模型往左（低方差高偏差）推，也能够将模型往右（高方差低偏差）推的参数。我们需要根据调参前，模型所在的位置（在泛化误差最低点的左边还是右边）来决定我们要将 max_features 往哪边调。现在模型位于图像左侧，我们需要的是更高的复杂度，因此我们应该把 max_features 往更大的方向调整，可用的特征越多，模型才会越复杂。max_features 的默认最小值是 sqrt(n_features)，因此我们使用这个值作为调参范围的最小值。

#调整 max_features
param_grid = {'max_features':np.arange(5,30,1)} 

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=39
                             ,random_state=90
                            )
GS = GridSearchCV(rfc,param_grid,cv=10)
GS.fit(data.data,data.target)

GS.best_params_

GS.best_score_

网格搜索返回了 max_features 的最小值，可见 max_features 升高之后，模型的准确率降低了。这说明，我们把模型往右推，模型的泛化误差增加了。前面用 max_depth 往左推，现在用 max_features 往右推，泛化误差都增加，这说明模型本身已经处于泛化误差最低点，已经达到了模型的预测上限，没有参数可以左右的部分了。剩下的那些误差，是噪声决定的，已经没有方差和偏差的舞台了。

如果是现实案例，我们到这一步其实就可以停下了，因为复杂度和泛化误差的关系已经告诉我们，模型不能再进步了。调参和训练模型都需要很长的时间，明知道模型不能进步了还继续调整，不是一个有效率的做法。如果我们希望模型更进一步，我们会选择更换算法，或者更换做数据预处理的方式。但是在课上，出于练习和探索的目的，我们继续调整我们的参数，让大家观察一下模型的变化，看看我们预测得是否正确。

依然按照参数对模型整体准确率的影响程度进行调参。

9. 调整 min_samples_leaf

对于 min_samples_split 和 min_samples_leaf,一般是从他们的最小值开始向上增加 10 或 20 面对高维度高样本量数据，如果不放心，也可以直接+50，对于大型数据，可能需要 200~300 的范围 如果调整的时候发现准确率无论如何都上不来，那可以放心大胆调一个很大的数据，大力限制模型的复杂度

#调整 min_samples_leaf
param_grid={'min_samples_leaf':np.arange(1, 1+10, 1)}

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=39
                             ,random_state=90
                            )
GS = GridSearchCV(rfc,param_grid,cv=10)
GS.fit(data.data,data.target)

GS.best_params_

GS.best_score_

可以看见，网格搜索返回了 min_samples_leaf 的最小值，并且模型整体的准确率还降低了，这和 max_depth 的情况一致，参数把模型向左推，但是模型的泛化误差上升了。在这种情况下，我们显然是不要把这个参数设置起来的，就让它默认就好了。

10. 调整 min_samples_split

不懈努力，继续尝试 min_samples_split

#调整 min_samples_split
param_grid={'min_samples_split':np.arange(2, 2+20, 1)}

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=39
                             ,random_state=90
                            )
GS = GridSearchCV(rfc,param_grid,cv=10)
GS.fit(data.data,data.target)

GS.best_params_

GS.best_score_

和 min_samples_leaf 一样的结果，返回最小值并且模型整体的准确率降低了。

11. 调整 criterion

最后尝试一下 criterion

#调整 Criterion
param_grid = {'criterion':['gini', 'entropy']}

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=39
                             ,random_state=90
                            )
GS = GridSearchCV(rfc,param_grid,cv=10)
GS.fit(data.data,data.target)

GS.best_params_

GS.best_score_

12. 总结最佳参数

调整完毕，总结出模型的最佳参数

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=39,random_state=90)
score = cross_val_score(rfc,data.data,data.target,cv=10).mean()
score

score - score_pre

在整个调参过程之中，我们首先调整了 n_estimators （无论如何都请先走这一步），然后调整 max_depth，通过 max_depth 产生的结果，来判断模型位于复杂度-泛化误差图像的哪一边，从而选择我们应该调整的参数和调参的方向。如果感到困惑，也可以画很多学习曲线来观察参数会如何影响我们的准确率，选取学习曲线中单调的部分来放大研究（如同我们对 n_estimators 做的）。学习曲线的拐点也许就是我们一直在追求的，最佳复杂度对应的泛化误差最低点（也是方差和偏差的平衡点）。

网格搜索也可以一起调整多个参数，大家只要有时间，可以自己跑一下，看看网格搜索会给我们怎样的结果，有时候，它的结果比我们的好，有时候，我们手动调整的结果会比较好。当然了，我们的乳腺癌数据集非常完美，所以只需要调 n_estimators 一个参数就达到了随机森林在这个数据集上表现得极限。在我们上周使用的泰坦尼克号案例的数据中，我们使用同样的方法调出了如下的参数组合。

rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=68
                             ,random_state=90
                             ,criterion="gini"
                             ,min_samples_split=8
                             ,min_samples_leaf=1
                             ,max_depth=12
                             ,max_features=2
                             ,max_leaf_nodes=36
                             )

基于泰坦尼克号数据调整出来的参数，这个组合的准确率达到了 83.915%，比单棵决策树提升了大约 7%，比调参前的随机森林提升了 2.02%，这对于调参来说其实是一个非常巨大的进步。不过，泰坦尼克号数据的运行缓慢，大家量力量时间而行，可以试试看用复杂度-泛化误差方法（方差-偏差方法）来解读一下这个调参结果和过程。