机器学习：LightGBM算法原理（附案例实战）

作者：i阿极

作者简介：Python领域新星作者、多项比赛获奖者：博主个人首页

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1、LightGBM算法原理

LightGBM是一个基于决策树的梯度提升框架，被广泛应用于机器学习任务，如分类、回归和排序等。LightGBM采用了一些独特的技术，例如基于直方图的决策树学习和GOSS（Gradient-based One-Side Sampling）等，以提高模型的训练效率和准确性。

LightGBM的核心思想是采用基于直方图的决策树算法。直方图是对特征值进行离散化处理后，将连续的数值分段成多个区间，每个区间内的数值数量作为该区间的计数值。然后通过直方图算法来优化决策树的分裂点选择，从而提高决策树的训练效率。

具体来说，LightGBM采用了以下几种优化方法：

• 基于直方图的决策树算法
  LightGBM采用了基于直方图的算法来对连续特征进行离散化处理，将特征值分段成多个区间，计算每个区间内的样本数量，然后根据区间的计数值来选择最佳的分裂点。这种方法避免了对特征进行排序和遍历的操作，从而提高了训练速度。

• 基于梯度的单边采样
  LightGBM采用了基于梯度的单边采样算法来加速训练过程。该算法在每次迭代时，优先选择梯度较大的样本进行训练，从而可以快速找到最佳的模型参数。

• 基于直方图的特征选取
  LightGBM还采用了基于直方图的特征选取算法，该算法通过计算每个特征的直方图信息来评估特征的重要性，然后根据特征重要性的排序选择最佳的特征集合。

• 带深度的叶节点优化
  LightGBM采用了带深度的叶节点优化算法，该算法可以避免过拟合问题，提高模型的泛化能力。具体来说，该算法通过限制叶节点的深度来控制模型的复杂度，从而防止模型在训练数据上过拟合。

2、实验环境

Python 3.9

Anaconda

Jupyter Notebook

3、LightGBM算法案例实战

3.1案例背景

投资商经常会通过多个不同渠道投放广告，以此来获得经济利益。在本案例中我们选取公司在电视、广播和报纸上的投入，来预测广告收益，这对公司策略的制定是有较重要的意义。

3.2模型搭建

读取数据

import pandas as pd
df = pd.read_excel('/home/mw/input/XG3004/广告收益数据.xlsx')
df.head()

提取特征变量和目标变量

X = df.drop(columns='收益') 
y = df['收益'] 

划分训练集和测试集

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=123)

模型训练和搭建

from lightgbm import LGBMRegressor
model = LGBMRegressor()
model.fit(X_train, y_train)

3.3模型预测及评估

预测测试数据

y_pred = model.predict(X_test)
y_pred[0:5]

预测值和实际值对比

a = pd.DataFrame()  # 创建一个空DataFrame 
a['预测值'] = list(y_pred)
a['实际值'] = list(y_test)
a.head()

手动输入数据进行预测

X = [[71, 11, 2]]
model.predict(X)

查看R-square

from sklearn.metrics import r2_score
r2 = r2_score(y_test, model.predict(X_test))
r2

查看评分

model.score(X_test, y_test)

特征重要性

model.feature_importances_

3.4模型参数调优

参数调优

from sklearn.model_selection import GridSearchCV  # 网格搜索合适的超参数
parameters = {'num_leaves': [15, 31, 62], 'n_estimators': [20, 30, 50, 70], 'learning_rate': [0.1, 0.2, 0.3, 0.4]}  # 指定分类器中参数的范围
model = LGBMRegressor()  # 构建模型
grid_search = GridSearchCV(model, parameters,scoring='r2',cv=5)

cv=5表示交叉验证5次，scoring=’r2’表示以R-squared作为模型评价准则

输出参数最优值

grid_search.fit(X_train, y_train)  # 传入数据
grid_search.best_params_  # 输出参数的最优值

重新搭建LightGBM回归模型

model = LGBMRegressor(num_leaves=31, n_estimators=50,learning_rate=0.3)
model.fit(X_train, y_train)

查看得分

model.score(X_test, y_test)

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总结

总之，LightGBM是一种高效的集成学习框架，它采用了多种优化方法来提高训练速度和准确性，能够在大规模数据集上实现高效的训练和预测。

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