XGBoost参数调优完全指南（附Python代码）

简介

如果你的预测模型表现得有些不尽如人意，那就用XGBoost吧。XGBoost算法现在已经成为很多数据工程师的重要武器。它是一种十分精致的算法，可以处理各种不规则的数据。
构造一个使用XGBoost的模型十分简单。但是，提高这个模型的表现就有些困难(至少我觉得十分纠结)。这个算法使用了好几个参数。所以为了提高模型的表现，参数的调整十分必要。在解决实际问题的时候，有些问题是很难回答的——你需要调整哪些参数？这些参数要调到什么值，才能达到理想的输出？
这篇文章最适合刚刚接触XGBoost的人阅读。在这篇文章中，我们会学到参数调优的技巧，以及XGboost相关的一些有用的知识。以及，我们会用Python在一个数据集上实践一下这个算法。

你需要知道的

XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)是Gradient Boosting算法的一个优化的版本。

特别鸣谢：我个人十分感谢Mr Sudalai Rajkumar (aka SRK)大神的支持，目前他在AV Rank中位列第二。如果没有他的帮助，就没有这篇文章。在他的帮助下，我们才能给无数的数据科学家指点迷津。给他一个大大的赞！

内容列表

1、XGBoost的优势
2、理解XGBoost的参数
3、调整参数(含示例)

1、XGBoost的优势

XGBoost算法可以给预测模型带来能力的提升。当我对它的表现有更多了解的时候，当我对它的高准确率背后的原理有更多了解的时候，我发现它具有很多优势：

1、正则化

标准GBM的实现没有像XGBoost这样的正则化步骤。正则化对减少过拟合也是有帮助的。 实际上，XGBoost以“正则化提升(regularized boosting)”技术而闻名。

2、并行处理

XGBoost可以实现并行处理，相比GBM有了速度的飞跃。 不过，众所周知，Boosting算法是顺序处理的，它怎么可能并行呢？每一课树的构造都依赖于前一棵树，那具体是什么让我们能用多核处理器去构造一个树呢？我希望你理解了这句话的意思。 XGBoost 也支持Hadoop实现。

3、高度的灵活性

XGBoost 允许用户定义自定义优化目标和评价标准 它对模型增加了一个全新的维度，所以我们的处理不会受到任何限制。

4、缺失值处理

XGBoost内置处理缺失值的规则。 用户需要提供一个和其它样本不同的值，然后把它作为一个参数传进去，以此来作为缺失值的取值。XGBoost在不同节点遇到缺失值时采用不同的处理方法，并且会学习未来遇到缺失值时的处理方法。

5、剪枝

当分裂时遇到一个负损失时，GBM会停止分裂。因此GBM实际上是一个贪心算法。 XGBoost会一直分裂到指定的最大深度(max_depth)，然后回过头来剪枝。如果某个节点之后不再有正值，它会去除这个分裂。 这种做法的优点，当一个负损失（如-2）后面有个正损失（如+10）的时候，就显现出来了。GBM会在-2处停下来，因为它遇到了一个负值。但是XGBoost会继续分裂，然后发现这两个分裂综合起来会得到+8，因此会保留这两个分裂。

6、内置交叉验证

XGBoost允许在每一轮boosting迭代中使用交叉验证。因此，可以方便地获得最优boosting迭代次数。 而GBM使用网格搜索，只能检测有限个值。

7、在已有的模型基础上继续

XGBoost可以在上一轮的结果上继续训练。这个特性在某些特定的应用上是一个巨大的优势。 sklearn中的GBM的实现也有这个功能，两种算法在这一点上是一致的。

相信你已经对XGBoost强大的功能有了点概念。注意这是我自己总结出来的几点，你如果有更多的想法，尽管在下面评论指出，我会更新这个列表的！

2、XGBoost的参数

XGBoost的作者把所有的参数分成了三类：
1、通用参数：宏观函数控制。
2、Booster参数：控制每一步的booster(tree/regression)。
3、学习目标参数：控制训练目标的表现。
在这里我会类比GBM来讲解，所以作为一种基础知识。

通用参数

这些参数用来控制XGBoost的宏观功能。

1、booster[默认gbtree]

选择每次迭代的模型，有两种选择：
gbtree：基于树的模型
gbliner：线性模型

2、silent[默认0]

当这个参数值为1时，静默模式开启，不会输出任何信息。 一般这个参数就保持默认的0，因为这样能帮我们更好地理解模型。

3、nthread[默认值为最大可能的线程数]

这个参数用来进行多线程控制，应当输入系统的核数。 如果你希望使用CPU全部的核，那就不要输入这个参数，算法会自动检测它。
还有两个参数，XGBoost会自动设置，目前你不用管它。接下来咱们一起看booster参数。

booster参数

尽管有两种booster可供选择，我这里只介绍tree booster，因为它的表现远远胜过linear booster，所以linear booster很少用到。

1、eta[默认0.3]

和GBM中的 learning rate 参数类似。 通过减少每一步的权重，可以提高模型的鲁棒性。 典型值为0.01-0.2。

2、min_child_weight[默认1]

决定最小叶子节点样本权重和。 和GBM的 min_child_leaf 参数类似，但不完全一样。XGBoost的这个参数是最小样本权重的和，而GBM参数是最小样本总数。 这个参数用于避免过拟合。当它的值较大时，可以避免模型学习到局部的特殊样本。 但是如果这个值过高，会导致欠拟合。这个参数需要使用CV来调整。

3、max_depth[默认6]

和GBM中的参数相同，这个值为树的最大深度。 这个值也是用来避免过拟合的。max_depth越大，模型会学到更具体更局部的样本。 需要使用CV函数来进行调优。 典型值：3-10

4、max_leaf_nodes

树上最大的节点或叶子的数量。 可以替代max_depth的作用。因为如果生成的是二叉树，一个深度为n的树最多生成n2个叶子。 如果定义了这个参数，GBM会忽略max_depth参数。

5、gamma[默认0]

在节点分裂时，只有分裂后损失函数的值下降了，才会分裂这个节点。Gamma指定了节点分裂所需的最小损失函数下降值。 这个参数的值越大，算法越保守。这个参数的值和损失函数息息相关，所以是需要调整的。

6、max_delta_step[默认0]

这参数限制每棵树权重改变的最大步长。如果这个参数的值为0，那就意味着没有约束。如果它被赋予了某个正值，那么它会让这个算法更加保守。 通常，这个参数不需要设置。但是当各类别的样本十分不平衡时，它对逻辑回归是很有帮助的。 这个参数一般用不到，但是你可以挖掘出来它更多的用处。

7、subsample[默认1]

和GBM中的subsample参数一模一样。这个参数控制对于每棵树，随机采样的比例。 减小这个参数的值，算法会更加保守，避免过拟合。但是，如果这个值设置得过小，它可能会导致欠拟合。 典型值：0.5-1

8、colsample_bytree[默认1]

和GBM里面的max_features参数类似。用来控制每棵随机采样的列数的占比(每一列是一个特征)。 典型值：0.5-1

9、colsample_bylevel[默认1]

用来控制树的每一级的每一次分裂，对列数的采样的占比。 我个人一般不太用这个参数，因为subsample参数和colsample_bytree参数可以起到相同的作用。但是如果感兴趣，可以挖掘这个参数更多的用处。

10、lambda[默认1]

权重的L2正则化项。(和Ridge regression类似)。 这个参数是用来控制XGBoost的正则化部分的。虽然大部分数据科学家很少用到这个参数，但是这个参数在减少过拟合上还是可以挖掘出更多用处的。

11、alpha[默认1]

权重的L1正则化项。(和Lasso regression类似)。 可以应用在很高维度的情况下，使得算法的速度更快。

12、scale_pos_weight[默认1]

在各类别样本十分不平衡时，把这个参数设定为一个正值，可以使算法更快收敛。

学习目标参数

这个参数用来控制理想的优化目标和每一步结果的度量方法。

1、objective[默认reg:linear]

这个参数定义需要被最小化的损失函数。最常用的值有：
binary:logistic 二分类的逻辑回归，返回预测的概率(不是类别)。 multi:softmax 使用softmax的多分类器，返回预测的类别(不是概率)。
在这种情况下，你还需要多设一个参数：num_class(类别数目)。 multi:softprob 和multi:softmax参数一样，但是返回的是每个数据属于各个类别的概率。

2、eval_metric[默认值取决于objective参数的取值]

对于有效数据的度量方法。 对于回归问题，默认值是rmse，对于分类问题，默认值是error。 典型值有：
rmse 均方根误差(∑Ni=1?2N??????√) mae 平均绝对误差(∑Ni=1|?|N) logloss 负对数似然函数值 error 二分类错误率(阈值为0.5) merror 多分类错误率 mlogloss 多分类logloss损失函数 auc 曲线下面积

3、seed(默认0)

随机数的种子 设置它可以复现随机数据的结果，也可以用于调整参数

如果你之前用的是Scikit-learn,你可能不太熟悉这些参数。但是有个好消息，python的XGBoost模块有一个sklearn包，XGBClassifier。这个包中的参数是按sklearn风格命名的。会改变的函数名是：
1、eta ->learning_rate
2、lambda->reg_lambda
3、alpha->reg_alpha
你肯定在疑惑为啥咱们没有介绍和GBM中的’n_estimators’类似的参数。XGBClassifier中确实有一个类似的参数，但是，是在标准XGBoost实现中调用拟合函数时，把它作为’num_boosting_rounds’参数传入。

调整参数(含示例)

我已经对这些数据进行了一些处理：

City变量，因为类别太多，所以删掉了一些类别。 DOB变量换算成年龄，并删除了一些数据。 增加了 EMI_Loan_Submitted_Missing 变量。如果EMI_Loan_Submitted变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的EMI_Loan_Submitted变量。 EmployerName变量，因为类别太多，所以删掉了一些类别。 因为Existing_EMI变量只有111个值缺失，所以缺失值补充为中位数0。 增加了 Interest_Rate_Missing 变量。如果Interest_Rate变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的Interest_Rate变量。 删除了Lead_Creation_Date，从直觉上这个特征就对最终结果没什么帮助。 Loan_Amount_Applied, Loan_Tenure_Applied 两个变量的缺项用中位数补足。 增加了 Loan_Amount_Submitted_Missing 变量。如果Loan_Amount_Submitted变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的Loan_Amount_Submitted变量。 增加了 Loan_Tenure_Submitted_Missing 变量。如果 Loan_Tenure_Submitted 变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的 Loan_Tenure_Submitted 变量。 删除了LoggedIn, Salary_Account 两个变量 增加了 Processing_Fee_Missing 变量。如果 Processing_Fee 变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的 Processing_Fee 变量。 Source前两位不变，其它分成不同的类别。 进行了量化和独热编码(一位有效编码)。

如果你有原始数据，可以从资源库里面下载data_preparation的Ipython notebook 文件，然后自己过一遍这些步骤。

首先，import必要的库，然后加载数据。

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注意我import了两种XGBoost：

xgb - 直接引用xgboost。接下来会用到其中的“cv”函数。 XGBClassifier - 是xgboost的sklearn包。这个包允许我们像GBM一样使用Grid Search 和并行处理。

在向下进行之前，我们先定义一个函数，它可以帮助我们建立XGBoost models 并进行交叉验证。好消息是你可以直接用下面的函数，以后再自己的models中也可以使用它。

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这个函数和GBM中使用的有些许不同。不过本文章的重点是讲解重要的概念，而不是写代码。如果哪里有不理解的地方，请在下面评论，不要有压力。注意xgboost的sklearn包没有“feature_importance”这个量度，但是get_fscore()函数有相同的功能。

参数调优的一般方法。

我们会使用和GBM中相似的方法。需要进行如下步骤：
1. 选择较高的学习速率(learning rate)。一般情况下，学习速率的值为0.1。但是，对于不同的问题，理想的学习速率有时候会在0.05到0.3之间波动。选择对应于此学习速率的理想决策树数量。XGBoost有一个很有用的函数“cv”，这个函数可以在每一次迭代中使用交叉验证，并返回理想的决策树数量。
2. 对于给定的学习速率和决策树数量，进行决策树特定参数调优(max_depth, min_child_weight, gamma, subsample, colsample_bytree)。在确定一棵树的过程中，我们可以选择不同的参数，待会儿我会举例说明。
3. xgboost的正则化参数的调优。(lambda, alpha)。这些参数可以降低模型的复杂度，从而提高模型的表现。
4. 降低学习速率，确定理想参数。

咱们一起详细地一步步进行这些操作。

第一步：确定学习速率和tree_based 参数调优的估计器数目。

为了确定boosting 参数，我们要先给其它参数一个初始值。咱们先按如下方法取值：
1、max_depth = 5 :这个参数的取值最好在3-10之间。我选的起始值为5，但是你也可以选择其它的值。起始值在4-6之间都是不错的选择。
2、min_child_weight = 1:在这里选了一个比较小的值，因为这是一个极不平衡的分类问题。因此，某些叶子节点下的值会比较小。
3、gamma = 0: 起始值也可以选其它比较小的值，在0.1到0.2之间就可以。这个参数后继也是要调整的。
4、subsample,colsample_bytree = 0.8: 这个是最常见的初始值了。典型值的范围在0.5-0.9之间。
5、scale_pos_weight = 1: 这个值是因为类别十分不平衡。
注意哦，上面这些参数的值只是一个初始的估计值，后继需要调优。这里把学习速率就设成默认的0.1。然后用xgboost中的cv函数来确定最佳的决策树数量。前文中的函数可以完成这个工作。

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从输出结果可以看出，在学习速率为0.1时，理想的决策树数目是140。这个数字对你而言可能比较高，当然这也取决于你的系统的性能。