作者：韩信子@ShowMeAI
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引言
LightGBM是微软开发的boosting集成模型，和XGBoost一样是对GBDT的优化和高效实现，原理有一些相似之处，但它很多方面比XGBoost有着更为优秀的表现。
本篇内容ShowMeAI展开给大家讲解LightGBM的工程应用方法，对于LightGBM原理知识感兴趣的同学，欢迎参考ShowMeAI的另外一篇文章 图解机器学习 | LightGBM模型详解。
1.LightGBM安装
LightGBM作为常见的强大Python机器学习工具库，安装也比较简单。
1.1 Python与IDE环境设置
python环境与IDE设置可以参考ShowMeAI文章 图解python | 安装与环境设置 进行设置。
1.2 工具库安装
(1) Linux/Mac等系统
这些系统下的XGBoost安装，大家只要基于pip就可以轻松完成了，在命令行端输入命令如下命令即可等待安装完成。
pip install lightgbm大家也可以选择国内的pip源，以获得更好的安装速度：
pip install -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple lightgbm(2) Windows系统
对于windows系统而言，比较高效便捷的安装方式是：在网址http://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/ 中去下载对应版本的的LightGBM安装包，再通过如下命令安装。
pip install lightgbm‑3.3.2‑cp310‑cp310‑win_amd64.whl
2.LightGBM参数手册
在ShowMeAI的前一篇内容 XGBoost工具库建模应用详解 中，我们讲解到了Xgboost的三类参数通用参数，学习目标参数，Booster参数。而LightGBM可调参数更加丰富，包含核心参数，学习控制参数，IO参数，目标参数，度量参数，网络参数，GPU参数，模型参数，这里我常修改的便是核心参数，学习控制参数，度量参数等。下面我们对这些模型参数做展开讲解，更多的细节可以参考LightGBM中文文档。
2.1 参数介绍
(1) 核心参数
config或者config_file：一个字符串，给出了配置文件的路径。默认为空字符串。task：一个字符串，给出了要执行的任务。可以为：train或者training：表示是训练任务。默认为train。predict或者prediction或者test：表示是预测任务。convert_model：表示是模型转换任务。将模型文件转换成if-else格式。
application或者objective或者app：一个字符串，表示问题类型。可以为：regression或regression_l2或mean_squared_error或mse或l2_root或root_mean_squred_error或rmse：表示回归任务，但是使用L2损失函数。默认为regression。regression_l1或者mae或者mean_absolute_error：表示回归任务，但是使用L1损失函数。huber：表示回归任务，但是使用huber损失函数。fair：表示回归任务，但是使用fair损失函数。poisson：表示Poisson回归任务。quantile：表示quantile回归任务。quantile_l2：表示quantile回归任务，但是使用了L2损失函数。mape或者mean_absolute_precentage_error：表示回归任务，但是使用MAPE损失函数gamma：表示gamma回归任务。tweedie：表示tweedie回归任务。binary：表示二分类任务，使用对数损失函数作为目标函数。multiclass：表示多分类任务，使用softmax函数作为目标函数。必须设置num_class参数multiclassova或者multiclass_ova或者ova或者ovr：表示多分类任务，使用one-vs-all的二分类目标函数。必须设置num_class参数。xentropy或者cross_entropy：目标函数为交叉熵(同时具有可选择的线性权重)。要求标签是[0,1]之间的数值。xentlambda或者cross_entropy_lambda：替代了参数化的cross_entropy。要求标签是[0,1]之间的数值。lambdarank：表示排序任务。在lambdarank任务中，标签应该为整数类型，数值越大表示相关性越高。label_gain参数可以用于设置整数标签的增益(权重)。
boosting或者boost或者boosting_type：一个字符串，给出了基学习器模型算法。可以为：gbdt：表示传统的梯度提升决策树。默认值为gbdt。rf：表示随机森林。dart：表示带dropout的gbdt。goss：表示Gradient-based One-Side Sampling 的gbdt。
data或者train或者train_data：一个字符串，给出了训练数据所在的文件的文件名。默认为空字符串。LightGBM将使用它来训练模型。valid或者test或者valid_data或者test_data：一个字符串，表示验证集所在的文件的文件名。默认为空字符串。LightGBM将输出该数据集的度量。如果有多个验证集，则用逗号分隔。num_iterations或者num_iteration或者num_tree或者num_trees或者num_round或者num_rounds或者num_boost_round一个整数，给出了boosting的迭代次数。默认为100。- 对于Python/R包，该参数是被忽略的。对于Python，使用
train()/cv()的输入参数num_boost_round来代替。 - 在内部，LightGBM对于multiclass问题设置了
num_class*num_iterations棵树。
- 对于Python/R包，该参数是被忽略的。对于Python，使用
learning_rate或者shrinkage_rate：个浮点数，给出了学习率。默认为1。在dart中，它还会影响dropped trees的归一化权重。num_leaves或者num_leaf：一个整数，给出了一棵树上的叶子数。默认为31。tree_learner或者tree：一个字符串，给出了tree learner，主要用于并行学习。默认为serial。可以为：serial：单台机器的tree learnerfeature：特征并行的tree learnerdata：数据并行的tree learnervoting：投票并行的tree learner
num_threads或者num_thread或者nthread：一个整数，给出了LightGBM的线程数。默认为OpenMP_default。- 为了更快的速度，应该将它设置为真正的CPU内核数，而不是线程的数量(大多数CPU使用超线程来使每个CPU内核生成2个线程)。
- 当数据集较小的时候，不要将它设置的过大。
- 对于并行学习，不应该使用全部的CPU核心，因为这会使得网络性能不佳。
device：一个字符串，指定计算设备。默认为cpu。可以为gpu、cpu。- 建议使用较小的
max_bin来获得更快的计算速度。 - 为了加快学习速度，GPU默认使用32位浮点数来求和。你可以设置
gpu_use_dp=True来启动64位浮点数，但是它会使得训练速度降低。
- 建议使用较小的
(2) 学习控制参数
max_depth：一个整数，限制了树模型的最大深度，默认值为-1。如果小于0，则表示没有限制。min_data_in_leaf或者min_data_per_leaf或者min_data或者min_child_samples：一个整数，表示一个叶子节点上包含的最少样本数量。默认值为20。min_sum_hessian_in_leaf或者min_sum_hessian_per_leaf或者min_sum_hessian或者min_hessian或者min_child_weight：一个浮点数，表示一个叶子节点上的最小hessian之和。(也就是叶节点样本权重之和的最小值)默认为1e-3。feature_fraction或者sub_feature或者colsample_bytree：一个浮点数，取值范围为[0.0,1.0]，默认值为0。如果小于1.0，则LightGBM会在每次迭代中随机选择部分特征。如0.8表示：在每棵树训练之前选择80%的特征来训练。feature_fraction_seed：一个整数，表示feature_fraction的随机数种子，默认为2。bagging_fraction或者sub_row或者subsample：一个浮点数，取值范围为[0.0,1.0]，默认值为0。如果小于1.0，则LightGBM会在每次迭代中随机选择部分样本来训练(非重复采样)。如0.8表示：在每棵树训练之前选择80%的样本(非重复采样)来训练。bagging_freq或者subsample_freq：一个整数，表示每bagging_freq次执行bagging。如果该参数为0，表示禁用bagging。bagging_seed或者bagging_fraction_seed：一个整数，表示bagging的随机数种子，默认为3。early_stopping_round或者early_stopping_rounds或者early_stopping：一个整数，默认为0。如果一个验证集的度量在early_stopping_round循环中没有提升，则停止训练。如果为0则表示不开启早停。lambda_l1或者reg_alpha：一个浮点数，表示L1正则化系数。默认为0。lambda_l2或者reg_lambda：一个浮点数，表示L2正则化系数。默认为0。min_split_gain或者min_gain_to_split：一个浮点数，表示执行切分的最小增益，默认为0。drop_rate：一个浮点数，取值范围为[0.0,1.0]，表示dropout的比例，默认为1。该参数仅在dart中使用。skip_drop：一个浮点数，取值范围为[0.0,1.0]，表示跳过dropout的概率，默认为5。该参数仅在dart中使用。max_drop：一个整数，表示一次迭代中删除树的最大数量，默认为50。如果小于等于0，则表示没有限制。该参数仅在dart中使用。uniform_drop：一个布尔值，表示是否想要均匀的删除树，默认值为False。该参数仅在dart中使用。xgboost_dart_mode：一个布尔值，表示是否使用xgboost dart模式，默认值为False。该参数仅在dart中使用。drop_seed：一个整数，表示dropout的随机数种子，默认值为4。该参数仅在dart中使用。top_rate：一个浮点数，取值范围为[0.0,1.0]，表示在goss中，大梯度数据的保留比例，默认值为2。该参数仅在goss中使用。other_rate：一个浮点数，取值范围为[0.0,1.0]，表示在goss中，小梯度数据的保留比例，默认值为1。该参数仅在goss中使用。min_data_per_group：一个整数，表示每个分类组的最小数据量，默认值为100。用于排序任务max_cat_threshold：一个整数，表示category特征的取值集合的最大大小。默认为32。cat_smooth：一个浮点数，用于category特征的概率平滑。默认值为10。它可以降低噪声在category特征中的影响，尤其是对于数据很少的类。cat_l2：一个浮点数，用于category切分中的L2正则化系数。默认为10。top_k或者topk：一个整数，用于投票并行中。默认为20。将它设置为更大的值可以获得更精确的结果，但是会降低训练速度。
(3) IO参数
max_bin：一个整数，表示最大的桶的数量。默认值为255。LightGBM会根据它来自动压缩内存。如max_bin=255时，则LightGBM将使用uint8来表示特征的每一个值。min_data_in_bin：一个整数，表示每个桶的最小样本数。默认为3。该方法可以避免出现一个桶只有一个样本的情况。data_random_seed：一个整数，表示并行学习数据分隔中的随机数种子。默认为1它不包括特征并行。output_model或者model_output或者model_out：一个字符串，表示训练中输出的模型被保存的文件的文件名。默认txt。input_model或者model_input或者model_in：一个字符串，表示输入模型的文件的文件名。默认空字符串。对于prediction任务，该模型将用于预测数据，对于train任务，训练将从该模型继续output_result或者predict_result或者prediction_result：一个字符串，给出了prediction结果存放的文件名。默认为txt。pre_partition或者is_pre_partition：一个布尔值，指示数据是否已经被划分。默认值为False。如果为true，则不同的机器使用不同的partition来训练。它用于并行学习(不包括特征并行)is_sparse或者is_enable_sparse或者enable_sparse：一个布尔值，表示是否开启稀疏优化，默认为True。如果为True则启用稀疏优化。two_round或者two_round_loading或者use_two_round_loading：一个布尔值，指示是否启动两次加载。默认值为False，表示只需要进行一次加载。默认情况下，LightGBM会将数据文件映射到内存，然后从内存加载特征，这将提供更快的数据加载速度。但是当数据文件很大时，内存可能会被耗尽。如果数据文件太大，则将它设置为Truesave_binary或者is_save_binary或者is_save_binary_file：一个布尔值，表示是否将数据集(包括验证集)保存到二进制文件中。默认值为False。如果为True，则可以加快数据的加载速度。verbosity或者verbose：一个整数，表示是否输出中间信息。默认值为1。如果小于0，则仅仅输出critical信息；如果等于0，则还会输出error,warning信息；如果大于0，则还会输出info信息。header或者has_header：一个布尔值，表示输入数据是否有头部。默认为False。label或者label_column：一个字符串，表示标签列。默认为空字符串。你也可以指定一个整数，如label=0表示第0列是标签列。你也可以为列名添加前缀，如label=prefix:label_name。weight或者weight_column：一个字符串，表示样本权重列。默认为空字符串。你也可以指定一个整数，如weight=0表示第0列是权重列。注意：它是剔除了标签列之后的索引。假如标签列为0，权重列为1，则这里weight=0。你也可以为列名添加前缀，如weight=prefix:weight_name。query或者query_column或者gourp或者group_column：一个字符串，query/groupID列。默认为空字符串。你也可以指定一个整数，如query=0表示第0列是query列。注意：它是剔除了标签列之后的索引。假如标签列为0，query列为1，则这里query=0。你也可以为列名添加前缀，如query=prefix:query_name。ignore_column或者ignore_feature或者blacklist：一个字符串，表示训练中忽略的一些列，默认为空字符串。可以用数字做索引，如ignore_column=0,1,2表示第0,1,2列将被忽略。注意：它是剔除了标签列之后的索引。- 你也可以为列名添加前缀，如
ignore_column=prefix:ign_name1,ign_name2。 categorical_feature或者categorical_column或者cat_feature或者cat_column：一个字符串，指定category特征的列。默认为空字符串。可以用数字做索引，如categorical_feature=0,1,2表示第0,1,2列将作为category特征。注意：它是剔除了标签列之后的索引。你也可以为列名添加前缀，如categorical_feature=prefix:cat_name1,cat_name2在categorycal特征中，负的取值被视作缺失值。predict_raw_score或者raw_score或者is_predict_raw_score：一个布尔值，表示是否预测原始得分。默认为False。如果为True则仅预测原始得分。该参数只用于prediction任务。predict_leaf_index或者leaf_index或者is_predict_leaf_index：一个布尔值，表示是否预测每个样本在每棵树上的叶节点编号。默认为False。在预测时，每个样本都会被分配到每棵树的某个叶子节点上。该参数就是要输出这些叶子节点的编号。该参数只用于prediction任务。predict_contrib或者contrib或者is_predict_contrib：一个布尔值，表示是否输出每个特征对于每个样本的预测的贡献。默认为False。输出的结果形状为[nsamples,nfeatures+1]，之所以+1是考虑到bais的贡献。所有的贡献加起来就是该样本的预测结果。该参数只用于prediction任务。bin_construct_sample_cnt或者subsample_for_bin：一个整数，表示用来构建直方图的样本的数量。默认为200000。如果数据非常稀疏，则可以设置为一个更大的值，如果设置更大的值，则会提供更好的训练效果，但是会增加数据加载时间。num_iteration_predict：一个整数，表示在预测中使用多少棵子树。默认为-1。小于等于0表示使用模型的所有子树。该参数只用于prediction任务。pred_early_stop：一个布尔值，表示是否使用早停来加速预测。默认为False。如果为True，则可能影响精度。pred_early_stop_freq：一个整数，表示检查早停的频率。默认为10pred_early_stop_margin：一个浮点数，表示早停的边际阈值。默认为0use_missing：一个布尔值，表示是否使用缺失值功能。默认为True如果为False则禁用缺失值功能。zero_as_missing：一个布尔值，表示是否将所有的零(包括在libsvm/sparse矩阵中未显示的值)都视为缺失值。默认为False。如果为False，则将nan视作缺失值。如果为True，则np.nan和零都将视作缺失值。init_score_file：一个字符串，表示训练时的初始化分数文件的路径。默认为空字符串，表示train_data_file+”.init”(如果存在)valid_init_score_file：一个字符串，表示验证时的初始化分数文件的路径。默认为空字符串，表示valid_data_file+”.init”(如果存在)。如果有多个(对应于多个验证集)，则可以用逗号,来分隔。
(4) 目标参数
sigmoid：一个浮点数，用sigmoid函数的参数，默认为0。它用于二分类任务和lambdarank任务。alpha：一个浮点数，用于Huber损失函数和Quantileregression，默认值为0。它用于huber回归任务和Quantile回归任务。fair_c：一个浮点数，用于Fair损失函数，默认值为0。它用于fair回归任务。gaussian_eta：一个浮点数，用于控制高斯函数的宽度，默认值为0。它用于regression_l1回归任务和huber回归任务。posson_max_delta_step：一个浮点数，用于Poisson regression的参数，默认值为7。它用于poisson回归任务。scale_pos_weight：一个浮点数，用于调整正样本的权重，默认值为0它用于二分类任务。boost_from_average：一个布尔值，指示是否将初始得分调整为平均值(它可以使得收敛速度更快)。默认为True。它用于回归任务。is_unbalance或者unbalanced_set：一个布尔值，指示训练数据是否均衡的。默认为True。它用于二分类任务。max_position：一个整数，指示将在这个NDCG位置优化。默认为20。它用于lambdarank任务。label_gain：一个浮点数序列，给出了每个标签的增益。默认值为0,1,3,7,15,….它用于lambdarank任务。num_class或者num_classes：一个整数，指示了多分类任务中的类别数量。默认为1它用于多分类任务。reg_sqrt：一个布尔值，默认为False。如果为True，则拟合的结果为：\sqrt{label}。同时预测的结果被自动转换为：{pred}^2。它用于回归任务。
(5) 度量参数
metric：一个字符串，指定了度量的指标，默认为：对于回归问题，使用l2；对于二分类问题，使用binary_logloss；对于lambdarank问题，使用ndcg。如果有多个度量指标，则用逗号,分隔。l1或者mean_absolute_error或者mae或者regression_l1：表示绝对值损失。l2或者mean_squared_error或者mse或者regression_l2或者regression：表示平方损失。l2_root或者root_mean_squared_error或者rmse：表示开方损失。quantile：表示Quantile回归中的损失。mape或者mean_absolute_percentage_error：表示MAPE损失。huber：表示huber损失。fair：表示fair损失。poisson：表示poisson回归的负对数似然。gamma：表示gamma回归的负对数似然。gamma_deviance：表示gamma回归的残差的方差。tweedie：表示Tweedie回归的负对数似然。ndcg：表示NDCG。map或者mean_average_precision：表示平均的精度。auc：表示AUC。binary_logloss或者binary：表示二类分类中的对数损失函数。binary_error：表示二类分类中的分类错误率。multi_logloss或者multiclass或者softmax或者‘multiclassova或者multiclass_ova，或者ova或者ovr`：表示多类分类中的对数损失函数。multi_error：表示多分类中的分类错误率。xentropy或者cross_entropy：表示交叉熵。xentlambda或者cross_entropy_lambda：表示intensity加权的交叉熵。kldiv或者kullback_leibler：表示KL散度。
metric_freq或者output_freq：一个正式，表示每隔多少次输出一次度量结果。默认为1。train_metric或者training_metric或者is_training_metric：一个布尔值，默认为False。如果为True，则在训练时就输出度量结果。ndcg_at或者ndcg_eval_at或者eval_at：一个整数列表，指定了NDCG评估点的位置。默认为1、2、3、4、5。
2.2 参数影响与调参建议
以下为总结的核心参数对模型的影响，及与之对应的调参建议。
(1) 对树生长控制
num_leaves：叶节点的数目。它是控制树模型复杂度的主要参数。- 如果是
level-wise，则该参数为 2 d e p t h 2^{depth} 2depth，其中depth为树的深度。但是当叶子数量相同时，leaf-wise的树要远远深过level-wise树，非常容易导致过拟合。因此应该让num_leaves小于 2 d e p t h 2^{depth} 2depth。在leaf-wise树中，并不存在depth的概念。因为不存在一个从leaves到depth的合理映射。
- 如果是
min_data_in_leaf：每个叶节点的最少样本数量。- 它是处理
leaf-wise树的过拟合的重要参数。将它设为较大的值，可以避免生成一个过深的树。但是也可能导致欠拟合。
- 它是处理
max_depth：树的最大深度。该参数可以显式的限制树的深度。
(2) 更快的训练速度
- 通过设置
bagging_fraction和bagging_freq参数来使用bagging方法。 - 通过设置
feature_fraction参数来使用特征的子抽样。 - 使用较小的
max_bin。 - 使用
save_binary在未来的学习过程对数据加载进行加速。
(3) 更好的模型效果
- 使用较大的
max_bin(学习速度可能变慢)。 - 使用较小的
learning_rate和较大的num_iterations。 - 使用较大的
num_leaves(可能导致过拟合)。 - 使用更大的训练数据。
- 尝试
dart。
(4) 缓解过拟合问题
- 使用较小的
max_bin。 - 使用较小的
num_leaves。 - 使用
min_data_in_leaf和min_sum_hessian_in_leaf。 - 通过设置
bagging_fraction和bagging_freq来使用bagging。 - 通过设置
feature_fraction来使用特征子抽样。 - 使用更大的训练数据。
- 使用
lambda_l1、lambda_l2和min_gain_to_split来使用正则。 - 尝试
max_depth来避免生成过深的树。
3.LightGBM内置建模方式
3.1 内置建模方式
LightGBM内置了建模方式，有如下的数据格式与核心训练方法：
- 基于
lightgbm.Dataset格式的数据。 - 基于
lightgbm.train接口训练。
下面是官方的一个简单示例，演示了读取libsvm格式数据(成Dataset格式)并指定参数建模的过程。
# coding: utf-8import jsonimport lightgbm as lgbimport pandas as pdfrom sklearn.metrics import mean_squared_error# 加载数据集合print('加载数据...')df_train = pd.read_csv('./data/regression.train.txt', header=None, sep='\t')df_test = pd.read_csv('./data/regression.test.txt', header=None, sep='\t')# 设定训练集和测试集y_train = df_train[0].valuesy_test = df_test[0].valuesX_train = df_train.drop(0, axis=1).valuesX_test = df_test.drop(0, axis=1).values# 构建lgb中的Dataset格式lgb_train = lgb.Dataset(X_train, y_train)lgb_eval = lgb.Dataset(X_test, y_test, reference=lgb_train)# 敲定好一组参数params = { 'task': 'train', 'boosting_type': 'gbdt', 'objective': 'regression', 'metric': {'l2', 'auc'}, 'num_leaves': 31, 'learning_rate': 0.05, 'feature_fraction': 0.9, 'bagging_fraction': 0.8, 'bagging_freq': 5, 'verbose': 0}print('开始训练...')# 训练gbm = lgb.train(params, lgb_train, num_boost_round=20, valid_sets=lgb_eval, early_stopping_rounds=5)# 保存模型print('保存模型...')# 保存模型到文件中gbm.save_model('model.txt')print('开始预测...')# 预测y_pred = gbm.predict(X_test, num_iteration=gbm.best_iteration)# 评估print('预估结果的rmse为:')print(mean_squared_error(y_test, y_pred) ** 0.5)
加载数据...开始训练...[1] valid_0's l2: 0.24288 valid_0's auc: 0.764496Training until validation scores don't improve for 5 rounds.[2] valid_0's l2: 0.239307 valid_0's auc: 0.766173[3] valid_0's l2: 0.235559 valid_0's auc: 0.785547[4] valid_0's l2: 0.230771 valid_0's auc: 0.797786[5] valid_0's l2: 0.226297 valid_0's auc: 0.805155[6] valid_0's l2: 0.223692 valid_0's auc: 0.800979[7] valid_0's l2: 0.220941 valid_0's auc: 0.806566[8] valid_0's l2: 0.217982 valid_0's auc: 0.808566[9] valid_0's l2: 0.215351 valid_0's auc: 0.809041[10] valid_0's l2: 0.213064 valid_0's auc: 0.805953[11] valid_0's l2: 0.211053 valid_0's auc: 0.804631[12] valid_0's l2: 0.209336 valid_0's auc: 0.802922[13] valid_0's l2: 0.207492 valid_0's auc: 0.802011[14] valid_0's l2: 0.206016 valid_0's auc: 0.80193Early stopping, best iteration is:[9] valid_0's l2: 0.215351 valid_0's auc: 0.809041保存模型...开始预测...预估结果的rmse为:0.46405937946792123.2 设置样本权重
LightGBM的建模非常灵活，它可以支持我们对于每个样本设置不同的权重学习，设置的方式也非常简单，我们需要提供给模型一组权重数组数据，长度和样本数一致。
如下是一个典型的例子，其中binary.train和binary.test读取后加载为lightgbm.Dataset格式的输入，而在lightgbm.Dataset的构建参数中可以设置样本权重(这个例子中是numpy array的形态)。再基于lightgbm.train接口使用内置建模方式训练。
# coding: utf-8import jsonimport lightgbm as lgbimport pandas as pdimport numpy as npfrom sklearn.metrics import mean_squared_errorimport warningswarnings.filterwarnings("ignore")# 加载数据集print('加载数据...')df_train = pd.read_csv('./data/binary.train', header=None, sep='\t')df_test = pd.read_csv('./data/binary.test', header=None, sep='\t')W_train = pd.read_csv('./data/binary.train.weight', header=None)[0]W_test = pd.read_csv('./data/binary.test.weight', header=None)[0]y_train = df_train[0].valuesy_test = df_test[0].valuesX_train = df_train.drop(0, axis=1).valuesX_test = df_test.drop(0, axis=1).valuesnum_train, num_feature = X_train.shape# 加载数据的同时加载权重lgb_train = lgb.Dataset(X_train, y_train, weight=W_train, free_raw_data=False)lgb_eval = lgb.Dataset(X_test, y_test, reference=lgb_train, weight=W_test, free_raw_data=False)# 设定参数params = { 'boosting_type': 'gbdt', 'objective': 'binary', 'metric': 'binary_logloss', 'num_leaves': 31, 'learning_rate': 0.05, 'feature_fraction': 0.9, 'bagging_fraction': 0.8, 'bagging_freq': 5, 'verbose': 0}# 产出特征名称feature_name = ['feature_' + str(col) for col in range(num_feature)]print('开始训练...')gbm = lgb.train(params, lgb_train, num_boost_round=10, valid_sets=lgb_train, # 评估训练集 feature_name=feature_name, categorical_feature=[21])加载数据...开始训练...[1] training's binary_logloss: 0.68205[2] training's binary_logloss: 0.673618[3] training's binary_logloss: 0.665891[4] training's binary_logloss: 0.656874[5] training's binary_logloss: 0.648523[6] training's binary_logloss: 0.641874[7] training's binary_logloss: 0.636029[8] training's binary_logloss: 0.629427[9] training's binary_logloss: 0.623354[10] training's binary_logloss: 0.6175933.3 模型存储与加载
上述建模过程得到的模型对象，可以通过save_model成员函数进行保存。保存好的模型可以通过lgb.Booster加载回内存，并对测试集进行预测。
具体示例代码如下：
# 查看特征名称print('完成10轮训练...')print('第7个特征为:')print(repr(lgb_train.feature_name[6]))# 存储模型gbm.save_model('./model/lgb_model.txt')# 特征名称print('特征名称:')print(gbm.feature_name())# 特征重要度print('特征重要度:')print(list(gbm.feature_importance()))# 加载模型print('加载模型用于预测')bst = lgb.Booster(model_file='./model/lgb_model.txt')# 预测y_pred = bst.predict(X_test)# 在测试集评估效果print('在测试集上的rmse为:')print(mean_squared_error(y_test, y_pred) ** 0.5)
完成10轮训练...第7个特征为:'feature_6'特征名称:['feature_0', 'feature_1', 'feature_2', 'feature_3', 'feature_4', 'feature_5', 'feature_6', 'feature_7', 'feature_8', 'feature_9', 'feature_10', 'feature_11', 'feature_12', 'feature_13', 'feature_14', 'feature_15', 'feature_16', 'feature_17', 'feature_18', 'feature_19', 'feature_20', 'feature_21', 'feature_22', 'feature_23', 'feature_24', 'feature_25', 'feature_26', 'feature_27']特征重要度:[8, 5, 1, 19, 7, 33, 2, 0, 2, 10, 5, 2, 0, 9, 3, 3, 0, 2, 2, 5, 1, 0, 36, 3, 33, 45, 29, 35]加载模型用于预测在测试集上的rmse为:0.46292456076369253.4 继续训练
LightGBM为boosting模型，每一轮训练会增加新的基学习器，LightGBM还支持基于现有模型和参数继续训练，无需每次从头训练。
如下是典型的示例，我们加载已经训练10轮(即10颗树集成)的lgb模型，在此基础上继续训练(在参数层面做了一些改变，调整了学习率，增加了一些bagging等缓解过拟合的处理方法)
# 继续训练# 从./model/model.txt中加载模型初始化gbm = lgb.train(params, lgb_train, num_boost_round=10, init_model='./model/lgb_model.txt', valid_sets=lgb_eval)print('以旧模型为初始化，完成第 10-20 轮训练...')# 在训练的过程中调整超参数# 比如这里调整的是学习率gbm = lgb.train(params, lgb_train, num_boost_round=10, init_model=gbm, learning_rates=lambda iter: 0.05 * (0.99 ** iter), valid_sets=lgb_eval)print('逐步调整学习率完成第 20-30 轮训练...')# 调整其他超参数gbm = lgb.train(params, lgb_train, num_boost_round=10, init_model=gbm, valid_sets=lgb_eval, callbacks=[lgb.reset_parameter(bagging_fraction=[0.7] * 5 + [0.6] * 5)])print('逐步调整bagging比率完成第 30-40 轮训练...')
[11] valid_0's binary_logloss: 0.616177[12] valid_0's binary_logloss: 0.611792[13] valid_0's binary_logloss: 0.607043[14] valid_0's binary_logloss: 0.602314[15] valid_0's binary_logloss: 0.598433[16] valid_0's binary_logloss: 0.595238[17] valid_0's binary_logloss: 0.592047[18] valid_0's binary_logloss: 0.588673[19] valid_0's binary_logloss: 0.586084[20] valid_0's binary_logloss: 0.584033以旧模型为初始化，完成第 10-20 轮训练...[21] valid_0's binary_logloss: 0.616177[22] valid_0's binary_logloss: 0.611834[23] valid_0's binary_logloss: 0.607177[24] valid_0's binary_logloss: 0.602577[25] valid_0's binary_logloss: 0.59831[26] valid_0's binary_logloss: 0.595259[27] valid_0's binary_logloss: 0.592201[28] valid_0's binary_logloss: 0.589017[29] valid_0's binary_logloss: 0.586597[30] valid_0's binary_logloss: 0.584454逐步调整学习率完成第 20-30 轮训练...[31] valid_0's binary_logloss: 0.616053[32] valid_0's binary_logloss: 0.612291[33] valid_0's binary_logloss: 0.60856[34] valid_0's binary_logloss: 0.605387[35] valid_0's binary_logloss: 0.601744[36] valid_0's binary_logloss: 0.598556[37] valid_0's binary_logloss: 0.595585[38] valid_0's binary_logloss: 0.593228[39] valid_0's binary_logloss: 0.59018[40] valid_0's binary_logloss: 0.588391逐步调整bagging比率完成第 30-40 轮训练...3.5 自定义损失函数
LightGBM支持在训练过程中，自定义损失函数和评估准则，其中损失函数的定义需要返回损失函数一阶和二阶导数的计算方法，评估准则部分需要对数据的label和预估值进行计算。其中损失函数用于训练过程中的树结构学习，而评估准则很多时候是用在验证集上进行效果评估。
# 自定义损失函数需要提供损失函数的一阶和二阶导数形式def loglikelood(preds, train_data): labels = train_data.get_label() preds = 1. / (1. + np.exp(-preds)) grad = preds - labels hess = preds * (1. - preds) return grad, hess# 自定义评估函数def binary_error(preds, train_data): labels = train_data.get_label() return 'error', np.mean(labels != (preds > 0.5)), Falsegbm = lgb.train(params, lgb_train, num_boost_round=10, init_model=gbm, fobj=loglikelood, feval=binary_error, valid_sets=lgb_eval)print('用自定义的损失函数与评估标准完成第40-50轮...')
[41] valid_0's binary_logloss: 0.614429 valid_0's error: 0.268[42] valid_0's binary_logloss: 0.610689 valid_0's error: 0.26[43] valid_0's binary_logloss: 0.606267 valid_0's error: 0.264[44] valid_0's binary_logloss: 0.601949 valid_0's error: 0.258[45] valid_0's binary_logloss: 0.597271 valid_0's error: 0.266[46] valid_0's binary_logloss: 0.593971 valid_0's error: 0.276[47] valid_0's binary_logloss: 0.591427 valid_0's error: 0.278[48] valid_0's binary_logloss: 0.588301 valid_0's error: 0.284[49] valid_0's binary_logloss: 0.586562 valid_0's error: 0.288[50] valid_0's binary_logloss: 0.584056 valid_0's error: 0.288用自定义的损失函数与评估标准完成第40-50轮...4.LightGBM预估器形态接口
4.1 SKLearn形态预估器接口
和XGBoost一样，LightGBM也支持用SKLearn中统一的预估器形态接口进行建模，如下为典型的参考案例，对于读取为Dataframe格式的训练集和测试集，可以直接使用LightGBM初始化LGBMRegressor进行fit拟合训练。使用方法与接口，和SKLearn中其他预估器一致。
# coding: utf-8import lightgbm as lgbimport pandas as pdfrom sklearn.metrics import mean_squared_errorfrom sklearn.model_selection import GridSearchCV# 加载数据print('加载数据...')df_train = pd.read_csv('./data/regression.train.txt', header=None, sep='\t')df_test = pd.read_csv('./data/regression.test.txt', header=None, sep='\t')# 取出特征和标签y_train = df_train[0].valuesy_test = df_test[0].valuesX_train = df_train.drop(0, axis=1).valuesX_test = df_test.drop(0, axis=1).valuesprint('开始训练...')# 初始化LGBMRegressorgbm = lgb.LGBMRegressor(objective='regression', num_leaves=31, learning_rate=0.05, n_estimators=20)# 使用fit函数拟合gbm.fit(X_train, y_train, eval_set=[(X_test, y_test)], eval_metric='l1', early_stopping_rounds=5)# 预测print('开始预测...')y_pred = gbm.predict(X_test, num_iteration=gbm.best_iteration_)# 评估预测结果print('预测结果的rmse是:')print(mean_squared_error(y_test, y_pred) ** 0.5)
加载数据...开始训练...[1] valid_0's l1: 0.491735Training until validation scores don't improve for 5 rounds.[2] valid_0's l1: 0.486563[3] valid_0's l1: 0.481489[4] valid_0's l1: 0.476848[5] valid_0's l1: 0.47305[6] valid_0's l1: 0.469049[7] valid_0's l1: 0.465556[8] valid_0's l1: 0.462208[9] valid_0's l1: 0.458676[10] valid_0's l1: 0.454998[11] valid_0's l1: 0.452047[12] valid_0's l1: 0.449158[13] valid_0's l1: 0.44608[14] valid_0's l1: 0.443554[15] valid_0's l1: 0.440643[16] valid_0's l1: 0.437687[17] valid_0's l1: 0.435454[18] valid_0's l1: 0.433288[19] valid_0's l1: 0.431297[20] valid_0's l1: 0.428946Did not meet early stopping. Best iteration is:[20] valid_0's l1: 0.428946开始预测...预测结果的rmse是:0.44411533442542084.2 网格搜索调参
上面提到LightGBM的预估器接口，整体使用方法和SKLearn中其他预估器一致，所以我们也可以使用SKLearn中的超参数调优方法来进行模型调优。
如下是一个典型的网格搜索交法调优超参数的代码示例，我们会给出候选参数列表字典，通过GridSearchCV进行交叉验证实验评估，选出LightGBM在候选参数中最优的超参数。
# 配合scikit-learn的网格搜索交叉验证选择最优超参数estimator = lgb.LGBMRegressor(num_leaves=31)param_grid = { 'learning_rate': [0.01, 0.1, 1], 'n_estimators': [20, 40]}gbm = GridSearchCV(estimator, param_grid)gbm.fit(X_train, y_train)print('用网格搜索找到的最优超参数为:')print(gbm.best_params_)
用网格搜索找到的最优超参数为:{'learning_rate': 0.1, 'n_estimators': 40}4.3 绘图解释
LightGBM支持对模型训练进行可视化呈现与解释，包括对于训练过程中的损失函数取值与评估准则结果的可视化、训练完成后特征重要度的排序与可视化、基学习器(比如决策树)的可视化。
以下为参考代码：
# coding: utf-8import lightgbm as lgbimport pandas as pdtry: import matplotlib.pyplot as pltexcept ImportError: raise ImportError('You need to install matplotlib for plotting.')# 加载数据集print('加载数据...')df_train = pd.read_csv('./data/regression.train.txt', header=None, sep='\t')df_test = pd.read_csv('./data/regression.test.txt', header=None, sep='\t')# 取出特征和标签y_train = df_train[0].valuesy_test = df_test[0].valuesX_train = df_train.drop(0, axis=1).valuesX_test = df_test.drop(0, axis=1).values# 构建lgb中的Dataset数据格式lgb_train = lgb.Dataset(X_train, y_train)lgb_test = lgb.Dataset(X_test, y_test, reference=lgb_train)# 设定参数params = { 'num_leaves': 5, 'metric': ('l1', 'l2'), 'verbose': 0}evals_result = {} # to record eval results for plottingprint('开始训练...')# 训练gbm = lgb.train(params, lgb_train, num_boost_round=100, valid_sets=[lgb_train, lgb_test], feature_name=['f' + str(i + 1) for i in range(28)], categorical_feature=[21], evals_result=evals_result, verbose_eval=10)print('在训练过程中绘图...')ax = lgb.plot_metric(evals_result, metric='l1')plt.show()print('画出特征重要度...')ax = lgb.plot_importance(gbm, max_num_features=10)plt.show()print('画出第84颗树...')ax = lgb.plot_tree(gbm, tree_index=83, figsize=(20, 8), show_info=['split_gain'])plt.show()#print('用graphviz画出第84颗树...')#graph = lgb.create_tree_digraph(gbm, tree_index=83, name='Tree84')#graph.render(view=True)
加载数据...开始训练...[10] training's l2: 0.217995 training's l1: 0.457448 valid_1's l2: 0.21641 valid_1's l1: 0.456464[20] training's l2: 0.205099 training's l1: 0.436869 valid_1's l2: 0.201616 valid_1's l1: 0.434057[30] training's l2: 0.197421 training's l1: 0.421302 valid_1's l2: 0.192514 valid_1's l1: 0.417019[40] training's l2: 0.192856 training's l1: 0.411107 valid_1's l2: 0.187258 valid_1's l1: 0.406303[50] training's l2: 0.189593 training's l1: 0.403695 valid_1's l2: 0.183688 valid_1's l1: 0.398997[60] training's l2: 0.187043 training's l1: 0.398704 valid_1's l2: 0.181009 valid_1's l1: 0.393977[70] training's l2: 0.184982 training's l1: 0.394876 valid_1's l2: 0.178803 valid_1's l1: 0.389805[80] training's l2: 0.1828 training's l1: 0.391147 valid_1's l2: 0.176799 valid_1's l1: 0.386476[90] training's l2: 0.180817 training's l1: 0.388101 valid_1's l2: 0.175775 valid_1's l1: 0.384404[100] training's l2: 0.179171 training's l1: 0.385174 valid_1's l2: 0.175321 valid_1's l1: 0.382929
参考资料
- 图解机器学习算法 | 从入门到精通系列
- 图解机器学习 | LightGBM模型详解
ShowMeAI系列教程推荐
- 图解Python编程：从入门到精通系列教程
- 图解数据分析：从入门到精通系列教程
- 图解AI数学基础：从入门到精通系列教程
- 图解大数据技术：从入门到精通系列教程
- 图解机器学习算法：从入门到精通系列教程
- 机器学习实战：手把手教你玩转机器学习系列
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