🤖 Машинное обучение для начинающих: алгоритм случайного леса (Random Forest)

В отличие от большинства используемых в машинном обучении методов, алгоритм случайного леса не требует сложной теории. В небольшом обзоре рассказываем про его особенности и возможности применения.

В каких задачах используется?

Благодаря своей гибкости Random Forest применяется для решения практически любых проблем в области машинного обучения. Сюда относятся классификации (RandomForestClassifier) и регрессии (RandomForestRegressor), а также более сложные задачи, вроде отбора признаков, поиска выбросов/аномалий и кластеризации.

Основным полем для применения алгоритма случайного дерева являются первые два пункта, решение других задач строится уже на их основе. Так, для задачи отбора признаков мы осуществляем следующий код:

import pandas as pd 
from sklearn.ensemble  import RandomForestClassfier 
from sklearn.feature_selection import SelectFromModel 
X_train,y_train,X_test,y_test = train_test_split(data,test_size=0.3)
 sel = SelectFromModel(RandomForestClassifier(n_estimators = 100)) 
sel.fit(X_train, y_train)

Здесь мы на основе классификации просто добавляем метод для отбора признаков.

Порядок действий в алгоритме

• Загрузите ваши данные.

• В заданном наборе данных определите случайную выборку.

• Далее алгоритм построит по выборке дерево решений.

• Дерево строится, пока в каждом листе не более n объектов, или пока не будет достигнута определенная высота.

• Затем будет получен результат прогнозирования из каждого дерева решений.

• На этом этапе голосование будет проводиться для каждого прогнозируемого результата: мы выбираем лучший признак, делаем разбиение в дереве по нему и повторяем этот пункт до исчерпания выборки.

• В конце выбирается результат прогноза с наибольшим количеством голосов. Это и есть окончательный результат прогнозирования.

Теоретическая составляющая алгоритма случайного дерева

По сравнению с другими методами машинного обучения, теоретическая часть алгоритма Random Forest проста. У нас нет большого объема теории, необходима только формула итогового классификатора a(x):

Где

• N – количество деревьев;
• i – счетчик для деревьев;
  
• b – решающее дерево;
  
• x – сгенерированная нами на основе данных выборка.
  

Стоит также отметить, что для задачи классификации мы выбираем решение голосованием по большинству, а в задаче регрессии – средним.

Реализация алгоритма Random Forest

Реализуем алгоритм на простом примере для задачи классификации, используя библиотеку scikit-learn:

class sklearn.ensemble.RandomForestClassifier(n_estimators=10, criterion='gini', max_depth=None, min_samples_split=2, min_samples_leaf=1, min_weight_fraction_leaf=0.0, max_features='auto', max_leaf_nodes=None, min_impurity_split=1e-07, bootstrap=True, oob_score=False, n_jobs=1, random_state=None, verbose=0, warm_start=False, class_weight=None)

Работаем с алгоритмом по стандартному порядку действий, принятому в scikit-learn. Вычисляем AUC-ROC (площадь под кривой ошибок) для тренировочной и тестовой частей модели, чтобы определить ее качество:

from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor 
from sklearn.metrics import roc_auc_score 
# далее - (X, y) - для обучения, (X2, y2) - для контроля
# модель - регрессор 
model =  RandomForestRegressor(n_estimators=10,                              
                               oob_score=True,
                               random_state=1) 
model.fit(X, y) # обучение 
a = model.predict(X2) # предсказание  
print ("AUC-ROC (oob) = ", roc_auc_score(y, model.oob_prediction_)) 
print ("AUC-ROC (test) = ", roc_auc_score(y2, a))

Необходимые параметры алгоритма

Число деревьев – n_estimators

Часто при большом увеличении n_estimators качество на обучающей выборке может даже доходить до 100%, в то время как качество на тесте выходит на асимптоту, что сигнализирует о переобучении нашей модели. Лучший способ избежать этого – прикинуть, сколько деревьев вам достаточно, зафиксировав момент, когда качество теста еще не становится стабильно-неизменным.

Критерий расщепления – criterion

В свою очередь, для задач регрессии реализованы два критерия (mse и mae), которые являются функциями ошибок Mean Square Error и Mean Absolute Error соответственно. Практически во всех задачах используется критерий mse.

Простой метод перебора поможет выбрать, что использовать для решения конкретной проблемы.

Число признаков для выбора расщепления – max_features

При увеличении max_features увеличивается время построения леса, а деревья становятся похожими друг на друга. В задачах классификации он по умолчанию равен sqrt(n), в задачах регрессии – n/3.

Минимальное число объектов для расщепления – min_samples_split

Второстепенный по своему значению параметр, его можно оставить в состоянии по умолчанию.

Ограничение числа объектов в листьях – min_samples_leaf

Аналогично с min_samples_split, но при увеличении данного параметра качество модели на обучении падает, в то время как время построения модели сокращается.

Максимальная глубина деревьев – max_depth

Чем меньше максимальная глубина, тем быстрее строится и работает алгоритм случайного дерева.

Неглубокие деревья рекомендуется использовать в задачах со значительным количеством шумовых объектов (выбросов).

Преимущества алгоритма

• Имеет высокую точность предсказания, которая сравнима с результатами градиентного бустинга.

• Не требует тщательной настройки параметров, хорошо работает из коробки.

• Практически не чувствителен к выбросам в данных из-за случайного семплирования (random sample).

• Не чувствителен к масштабированию и к другим монотонным преобразованиям значений признаков.

• Редко переобучается. На практике добавление деревьев только улучшает композицию.

• В случае наличия проблемы переобучения, она преодолевается путем усреднения или объединения результатов различных деревьев решений.

• Способен эффективно обрабатывать данные с большим числом признаков и классов.

• Хорошо работает с пропущенными данными – сохраняет хорошую точность даже при их наличии.

• Одинаково хорошо обрабатывает как непрерывные, так и дискретные признаки

• Высокая параллелизуемость и масштабируемость.

Недостатки алгоритма

• Для реализации алгоритма случайного дерева требуется значительный объем вычислительных ресурсов.

• Большой размер моделей.

• Построение случайного леса отнимает больше времени, чем деревья решений или линейные алгоритмы.

• Алгоритм склонен к переобучению на зашумленных данных.

• Нет формальных выводов, таких как p-values, которые используются для оценки важности переменных.

• В отличие от более простых алгоритмов, результаты случайного леса сложнее интерпретировать.

• Когда в выборке очень много разреженных признаков, таких как тексты или наборы слов (bag of words), алгоритм работает хуже чем линейные методы.

• В отличие от линейной регрессии, Random Forest не обладает возможностью экстраполяции. Это можно считать и плюсом, так как в случае выбросов не будет экстремальных значений.

• Если данные содержат группы признаков с корреляцией, которые имеют схожую значимость для меток, то предпочтение отдается небольшим группам перед большими, что ведет к недообучению.

• Процесс прогнозирования с использованием случайных лесов очень трудоемкий по сравнению с другими алгоритмами.

Заключение

Метод случайного дерева (Random Forest) – это универсальный алгоритм машинного обучения с учителем. Его можно использовать во множестве задач, но в основном он применяется в проблемах классификации и регрессии.

Вы можете использовать случайный лес, если вам нужны чрезвычайно точные результаты или у вас есть огромный объем данных для обработки, и вам нужен достаточно сильный алгоритм, который позволит вам эффективно обработать все данные.

Дополнительные материалы:

• Метод k-ближайших соседей (k-nearest neighbour)
• Numpy, Pandas, matplotlib – необходимый минимум для старта в Machine Learning
  
• Генеративная состязательная сеть (GAN) для чайников – пошаговое руководство
  
• Вариационные автоэнкодеры (VAE) для чайников – пошаговое руководство
  
• Четыре научные статьи о глубоком обучении, которые стоит прочитать в феврале 2021