集成學習：一種先進的機器學習方法

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集成學習方法是一類先進的機器學習方法，這類方法訓練多個學習器并將它們結合起來解決一個問題，在實踐中獲得了巨大成功，并成為機器學習領域的“常青樹”，受到學術界和產業(yè)界的廣泛關注。

本文選自周志華教授專著《集成學習：基礎與算法》，帶你進一步了解集成學習方法及應用。

集成學習方法

和傳統(tǒng)學習方法訓練一個學習器不同，集成學習方法訓練多個學習器并結合它們來解決一個問題。通常，集成學習也被稱為基于委員會的學習(committee-based learning)或多分類器系統(tǒng)(multiple classifier system)。

下圖為一個通用的集成學習框架。

一個集成由多個基學習器(base learner)構成，而基學習器由基學習算法(base learning algorithm)在訓練數據上訓練獲得，它們可以是決策樹、神經網絡或其他學習算法。

大多數集成學習方法使用同一種基學習算法產生同質的基學習器，即相同種類的學習器，生成同質集成(homogeneous ensemble)；同時，也有一些方法使用多種學習算法訓練不同種類的學習器，構建異質集成(heterogeneous ensemble)。在異質集成中，由于沒有單一的基學習算法，相較于基學習器，人們更傾向于稱這些學習器為個體學習器(individual learner)或組件學習器(component learner)。

通常，集成具有比基學習器更強的泛化能力。實際上，集成學習方法之所以那么受關注，很大程度上是因為它們能夠把比隨機猜測稍好的弱學習器(weak learner)變成可以精確預測的強學習器(strong learner)。因此，在集成學習中基學習器也稱為弱學習器。

由于使用多個模型解決問題的思想在人類社會中有悠久的歷史，我們難以對集成學習方法的歷史進行溯源。例如，作為科學研究的基本假設，當簡單假設和復雜假設都符合經驗觀測時，奧卡姆剃刀(Occam’s razor)準則偏好簡單假設;但早在此之前，希臘哲學家伊壁鳩魯(Epicurus，公元前?341—270)提出的多釋準則(principle of multiple explanations)[Asmis，1984]?主張應該保留和經驗觀測符合的多個假設。

集成學習領域的發(fā)展得益于三個方面的早期研究，即：分類器結合、弱分類器集成和混合專家模型(mixture of experts)。

分類器結合主要來自模式識別領域。這方面的研究關注強分類器，試圖設計強大的結合規(guī)則來獲取更強的結合分類器，在設計和使用不同的結合規(guī)則上積累深厚。

弱分類器集成方面的研究主要集中在機器學習領域。這方面的研究關注弱分類器，試圖設計強大的算法提升弱分類器的效果，產生了包括 AdaBoost 和 Bagging 等眾多著名的集成學習算法，并且在將弱學習器提升為強學習器方面有深入的理論理解。

混合專家模型的研究主要集中在神經網絡領域。在此，人們通?？紤]使用分而治之的策略來共同學習一組模型，并結合使用它們獲得一個總體解決方案。

20?世紀 90?年代以來，集成學習方法逐漸成為一個主要的學習范式，這主要得益于兩項先驅性工作。其中，[Hansen & Salamon，1990]?是實驗方面的工 作, 如下圖，它指出一組分類器的集成經常會產出比其中最優(yōu)個體分類 器更精準的預測；

集成通常比最優(yōu)個體學習器更準確，其中橫坐標為噪聲水平（noise level），縱坐標為分類錯誤率（error），三種對比方法分別為平均法（average）、最優(yōu)個體法（best single）和結合方法（combination）[Hansen & Salamon，1990]

[Schapire，1990]?是理論方面的工作，它構造性地證明了弱學習器可以被提升為強學習器。雖然我們所需的高精度學習器難以訓練，但弱學習器在實踐中卻容易獲得，這個理論結果為使用集成學習方法獲得強學習器指明了方向。

一般來講，構建集成有兩個步驟：首先產生基學習器，然后將它們結合起來。為了獲得一個好的集成，通常認為每個基學習器應該盡可能準確，同時盡可能不同。

值得一提的是，構建一個集成的計算代價未必會顯著高于構建單一學習器。這是因為使用單一學習器時，模型選擇和調參經常會產生多個版本的模型，這與在集成學習中構建多個基學習器的代價是相當的；同時，由于結合策略一般比較簡單，結合多個基學習器通常只會花費很低的計算代價。

集成學習方法的應用

KDD Cup 作為最著名的數據挖掘競賽，自 1997 年以來每年舉辦，吸引了全球大量數據挖掘隊伍參加。競賽包含多種多樣的實際任務，如網絡入侵檢測(1999)、分子生物活性和蛋白質位點預測(2001)、肺栓塞檢測(2006)、客戶關系管理(2009)、教育數據挖掘(2010)和音樂推薦(2011)等。在諸多機器學習技術中，集成學習方法獲得了高度的關注和廣泛的使用。例如，在連續(xù)三年的 KDD Cup 競賽中(2009—2011)，獲獎的冠軍和亞軍都使用了集成學習方法。

另一項著名的賽事 Netflix Prize由 Netflix 公司舉辦。競賽任務是基于用戶的歷史偏好提升電影推薦的準確度，如果參賽隊伍能在 Netflix 公司自己的算法基礎上提升 10%?的準確度，就能夠獲取百萬美元大獎。2009 年 9 月 21 日，Nexflix 公司宣布，百萬美元大獎由 BellKor’s Pragmatic Chaos 隊獲得，他們的方案結合了因子模型、回歸模型、玻爾茲曼機、矩陣分解、k-近鄰等多種模型。另外還有一支隊伍取得了和獲獎隊伍相同的效果，但由于提交結果晚了 20?分鐘無緣大獎，他們同樣使用了集成學習方法，甚至使用“The Ensemble”作為隊名。

除了在競賽上獲得顯赫戰(zhàn)績，集成學習方法還被成功應用到多種實際應用中。實際上，在幾乎所有的機器學習應用場景中都能發(fā)現它的身影。例如，計算機視覺的絕大部分分支，如目標檢測、識別、跟蹤，都從集成學習方法中受益。

基于 AdaBoost 和級聯結構，Viola & Jones [2001，2004]?提出了一套通用的目標檢測框架。Viola & Jones [2004]?顯示在一臺 466MHz 計算機上，人臉檢 測器僅需?0.067 秒就可以處理 384×288 的圖像，這幾乎比當時最好的技術快 15倍，且具有基本相同的檢測精度。在隨后的十年間，這個框架被公認為計算機視覺領域最重大的技術突破。

Huang et al. [2000]?設計了一套集成學習方法解決姿態(tài)無關的人臉識別問題。它的基本思路是使用特殊設計的模型集成多個特定視角的神經網絡模型。和需要姿態(tài)信息作為輸入的傳統(tǒng)方法相比，這個方法不需要姿態(tài)信息，甚至能在輸出識別結果的同時輸出姿態(tài)信息。Huang et al. [2000]?發(fā)現這個方法的效果甚至優(yōu)于以完美姿態(tài)信息作為輸入的傳統(tǒng)方法。類似的方法后來被用于解決多視圖人臉檢測問題?[Li et al.，2001]。

目標跟蹤的目的是在視頻的連續(xù)幀中對目標對象進行連續(xù)標記。通過把目標檢測看成二分類問題，并訓練一個在線集成來區(qū)分目標對象和背景，Avidan [2007]?提出了集成跟蹤(ensemble tracking)方法。該方法通過更新弱分類器來學習由于對象外觀和背景發(fā)生的變化。Avidan [2007]?發(fā)現這套方法能處理多種 具有不同大小目標的不同類別視頻，并且運行高效，能應用于在線任務。

在計算機系統(tǒng)中，用戶行為會有不同的抽象層級，相關信息也會來自多個渠道，集成學習方法就非常適合于刻畫計算機安全問題?[Corona et al.，[2009]。Giacinto et al. [2003]?使用集成學習方法解決入侵檢測問題?？紤]到有多種特征刻畫網絡連接，他們?yōu)槊恳环N特征構建了一個集成，并將這些集成的輸出結合 起來作為最終結果。Giacinto et al. [2003]?發(fā)現在檢測未知類型的攻擊時，集成學習方法能夠獲得最優(yōu)的性能。此后，Giacinto et al. [2008]?提出了一種集成方法解決基于異常的入侵檢測問題，該方法能夠檢測出未知類型的入侵。

惡意代碼基本上可以分為三類：病毒、蠕蟲和木馬。通過給代碼一個合適的表示，Schultz et al. [2001]?提出了一種集成學習方法用以自動檢測以往未見的惡意代碼?；趯Υa的 n-gram 表示，Kolter & Maloof [2006]?發(fā)現增強決策樹(boosted decision tree)能夠獲得最優(yōu)的檢測效果，同時他們表示這種方法可以在操作系統(tǒng)中檢測未知類型的惡意代碼。

集成學習方法還被應用于解決計算機輔助醫(yī)療診斷中的多種任務，尤其用于提升診斷的可靠性。周志華等人設計了一種雙層集成架構用于肺癌細胞檢測任務?[Zhou et al.，2002a]，其中當且僅當第一層中的所有個體學習器都診斷為“良性”時才會預測為“良性”，否則第二層會在“良性”和各種不同的癌癥類型間進行預測。他們發(fā)現雙層集成方法能同時獲得高檢出率和低假陽性率。

對于老年癡呆癥的早期診斷，以往的方法通常僅考慮來自腦電波的單信道數據。Polikar et al. [2008]?提出了一種集成學習方法來利用多信道數據;在此方法中，個體學習器基于來自不同電極、不同刺激和不同頻率的數據進行訓練，同時它 們的輸出被結合起來產生最終預測結果。

除了計算機視覺、安全和輔助診斷，集成學習方法還被應用到多個其他領域和任務中。例如，信用卡欺詐檢測?[Chan et al.，1999;Panigrahi et al.，2009]，破產預測?[West et al.，2005]，蛋白質結構分類?[Tan et al.，2003;Shen & Chou，2006]，種群分布預測?[Arau?jo & New，2007]，天氣預報?[Maqsood et al.，2004;Gneiting & Raftery，2005]，電力負載預測?[Taylor & Buizza，2002]， 航空發(fā)動機缺陷檢測?[Goebel et al.，2000;Yan & Xue，2008]，音樂風格和藝 術家識別?[Bergstra et al.，2006]?等。

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