为什么我的 Python RandomForestRegressor 不能准确预测训练集数据?

Why doesn't my Python RandomForestRegressor accurately predict training set data?

我正在学习机器学习,我想在相当复杂的数据集上使用 scikit-learn 的 RandomForestRegressor()。不过,为了首先掌握它,我正在尝试通过一个基本示例来工作,如下所示:

import sklearn.ensemble as se
import numpy as np
forest = se.RandomForestRegressor(n_estimators=1000)
traindata = np.arange(1000).reshape(200,5)
forest = forest.fit(traindata[0::,1::],traindata[0::,0])

此时,我认为我所做的是:我创建了一个 200 行的矩阵,每行 5 个值,格式为 [ x, x+1, x+2, x+3, x+4 ],其中 x 是以下的倍数5(例如 [0,1,2,3,4][5,6,7,8,9] 等)。

我已经让我的森林适应特征 [ x+1, x+2, x+3, x+4 ] 来预测 x。这是我预测时会发生的事情:

forest.predict([1,2,3,4])
>> array([2.785])

这对我来说真的很不直观。考虑到 [1,2,3,4] 的特征值在 x = 0 的训练数据中,难道我的森林不能比 2.785 更准确地预测它吗?

我更进一步看到特征重要性如下:

forest.feature_importances_
>> array([0.26349716, 0.23664264, 0.23360533, 0.26625487])

对我来说,这并不意味着我所看到的方式存在重大偏差。我在这里错过了什么?

当我尝试你的代码时,我得到 AttributeError: 'module' object has no attribute 'arrange' 所以这是你的示例的可重现版本(一般来说,我建议明确创建单独的 X 和 Y 以避免犯愚蠢的错误,这是我在看到时的第一个想法你的问题)。正如您在下面看到的,随机森林分类器在训练集中对您的示例表现完美。随机森林回归器不会产生完美的预测。我不确定这是为什么,但这是一个起点。

import numpy as np

import sklearn.ensemble as se
import numpy as np

x = 0
X_train = []
Y_train = []
while x < 1000:
    Y_train.append(x)
    X_train.append([x + 1, x + 2, + x + 3, x + 4])
    x += 5


forestregression = se.RandomForestRegressor(n_estimators=1000)
forestregression.fit(X_train, Y_train)

print(forestregression.predict(X_train))

[   3.005    4.96     9.015   13.875   18.9     23.985   29.18    34.24
   39.035   43.765   49.135   54.06    59.15    63.99    68.85    74.205
   79.12    84.01    88.9     93.92    98.995  104.13   108.825  114.14
  119.1    123.84   128.895  134.15   138.905  144.075  148.91   153.895
  159.165  163.83   169.065  174.195  179.03   183.975  188.915  194.06
  198.9    204.105  208.975  214.11   218.79   224.135  228.985  234.205
  239.13   244.025  249.04   254.065  258.975  264.14   269.03   274.105
  278.985  284.     288.935  294.055  299.04   304.025  308.895  313.92
  318.82   324.1    328.92   334.18   338.985  344.07   348.905  353.94
  359.115  364.11   369.     374.11   379.07   383.995  388.975  394.005
  399.035  403.91   408.99   414.125  419.165  424.17   428.86   434.14
  438.945  444.155  449.12   453.97   459.075  464.075  469.025  474.105
  478.895  483.98   489.085  494.105  498.985  504.045  508.99   514.02
  519.02   524.115  529.115  533.985  538.95   544.085  548.915  553.94
  558.935  564.035  568.925  574.12   578.925  583.995  589.21   593.99
  599.17   603.925  608.93   613.98   619.105  623.975  629.11   634.08
  638.99   644.06   648.85   654.05   659.175  664.155  669.03   673.85
  679.01   684.005  689.015  694.02   699.225  704.135  708.965  713.86
  718.88   723.84   728.99   733.835  738.985  744.205  748.99   753.74
  759.1    764.125  768.935  774.195  778.925  783.835  789.25   793.8
  798.925  804.03   809.06   813.98   819.135  823.9    828.9    834.04
  839.035  844.18   848.955  854.1    858.98   864.095  868.995  874.02
  879.165  883.795  888.905  894.245  898.965  903.8    908.98   913.945
  918.92   924.26   929.05   933.915  938.815  944.04   949.175  953.815
  959.025  963.925  968.99   974.07   979.1    984.095  988.715  992.18 ]

forestclassifier = se.RandomForestClassifier(n_estimators=1000)
forestclassifier.fit(X_train, Y_train)

print(forestclassifier.predict(X_train))

[  0   5  10  15  20  25  30  35  40  45  50  55  60  65  70  75  80  85
  90  95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175
 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265
 270 275 280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330 335 340 345 350 355
 360 365 370 375 380 385 390 395 400 405 410 415 420 425 430 435 440 445
 450 455 460 465 470 475 480 485 490 495 500 505 510 515 520 525 530 535
 540 545 550 555 560 565 570 575 580 585 590 595 600 605 610 615 620 625
 630 635 640 645 650 655 660 665 670 675 680 685 690 695 700 705 710 715
 720 725 730 735 740 745 750 755 760 765 770 775 780 785 790 795 800 805
 810 815 820 825 830 835 840 845 850 855 860 865 870 875 880 885 890 895
 900 905 910 915 920 925 930 935 940 945 950 955 960 965 970 975 980 985
 990 995]

为什么预测不准确?

简短版本: 由于聪明的 Breiman 提出的方法的性质。

更长的版本:

随机森林是非常有趣的学习者。

但是,您需要一点耐心才能调整它们。

forest.setp_param( oob_score    = True,   # set True to be able to read
                   #                      #     oob-samples score
                   random_state = 2015    # set so as to keep retesting
                   #                      #     possible / meaniningfull on
                   #                      #     an otherwise randomised
                   #                      #     learner construction
                   )

原则上,任何使用 .fit() 方法的尝试都会在幕后做大量工作来构建一组随机的决策树,使其成为 RandomForest,工作为您的数据集。

.fit()的“质量”表示为.oob_score_ 显示了已经使用的 oob-样本的(准确)程度(Breiman 方法的真实部分) 在给定 RandomForest 的训练完成后。这有助于您估计“”或“[=73” =]" 你训练的 RandomForest 是否在可用数据集上执行。

然而,更重要的是(或应该是),学习者的概括能力如何——即,一旦处理未见过的问题,它的预测能力与现实的吻合程度如何例如。

这个可以通过 .score() 训练有素的 RandomForest 实例的方法进行测试。

RandomForest 是一个 "majority-vote" 预测器,为了感受这一点,请尝试显示随机树大军的内部状态:

def printLDF( aPopulationSET ):
    LDF_example, LDF_counts = np.unique( aPopulationSET, return_counts = True )
    GDF_sum_scaler          = float( LDF_counts.sum() )
    for i in xrange( LDF_example.shape[0] ):
        print "{0: > 6d}: {1: > 6d} x {2: > 15.2f}            {3: > 15.4f} % {4: > 15.1f} %".format( i, LDF_counts[i], LDF_example[i], 100 * LDF_counts[i] / GDF_sum_scaler, 100 * LDF_counts[:i].sum() / GDF_sum_scaler )
    return

>>> printLDF( forest.estimators_[:].predict( anExample ) )

这将向您展示单个树的预测,用于整个基于森林的预测的多数票计算。

这意味着,除此之外,RandomForest 基本上不会预测 "visited" 值范围中的值 "outside"培训(不能设计"extrapolate")。

如何让它变得更好?

嗯,特征工程是关键。如果您知道 RandomForest 对于您的案例来说是一个可行的学习器,并且您认为它 观察到的预测能力很差 ,则首先要归咎于特征选择。

检查森林

检查学习者的内部状态 - 检查森林中的树木在做什么:

您可能会通过以下方式更深入地了解模型:

def prediction_up_dn_intervals( aPredictorMODEL,                        # >>> http://blog.datadive.net/prediction-intervals-for-random-forests/
                                X_,                                     # aStateVECTOR: X_sampled
                                aPredictorOutputIDX =  0,               # (4,2,2) -> singleQUAD ( LONG.TP/SL, SHORT.TP/SL ) <-- idxMAP( 'LONG', 'TP', 1 )
                                aRequiredPercentile = 95
                                ):                                      
    err_dn      = []
    err_up      = []
    #-----------------------------------------------------------------------------------------------
    if len( X_.shape ) == 1:                                            # for a single X_example run
        preds   = []
        for pred in aPredictorMODEL.estimators_:
            preds.append( pred.predict( X_ )[0,aPredictorOutputIDX] )   # de-array-ification

        err_dn.append( np.percentile( preds,       ( 100 - aRequiredPercentile ) / 2. ) )
        err_up.append( np.percentile( preds, 100 - ( 100 - aRequiredPercentile ) / 2. ) )
    else:
        #------------------------------------------------------------------------------------------
        for x in xrange( len( X_ ) ):                                   # for a multi X_example run
            preds   = []
            for pred in aPredictorMODEL.estimators_:
                preds.append( pred.predict( X_[x] )[0,aPredictorOutputIDX] ) # de-array-ification

            err_dn.append( np.percentile( preds,       ( 100 - aRequiredPercentile ) / 2. ) )
            err_up.append( np.percentile( preds, 100 - ( 100 - aRequiredPercentile ) / 2. ) )
    #-----------------------------------------------------------------------------------------------
    return err_up, err_dn

#numba.jit( 'f8(<<OBJECT>>,f8[:,:],f8[:,:],i8,f8)' )                    # <<OBJECT>> prevents JIT
def getPredictionsOnINTERVAL(   aPredictorENGINE,                       # a MULTI-OBJECTIVE PREDICTOR -> a singleQUAD or a full 4-QUAD (16,0) <-(4,2,2)
                                X_,
                                y_GndTRUTH,                             # (4,2,2) -> (16,0) a MULTI-OBJECTIVE PREDICTOR
                                aPredictionIDX  =  0,                   # (4,2,2) -> singleQUAD ( LONG.TP/SL, SHORT.TP/SL ) <-- idxMAP( 'LONG', 'TP', 1 )
                                percentile      = 75
                                ):
    """
    |>>> getPredictionsOnINTERVAL( loc_PREDICTOR, X_sampled, y_sampled, idxMAP( "LONG", "TP", 1 ), 75 )     1.0                         +0:01:29.375000
    |>>> getPredictionsOnINTERVAL( loc_PREDICTOR, X_sampled, y_sampled, idxMAP( "LONG", "TP", 1 ), 55 )     0.9992532724237898          +0:03:59.922000
    |>>> getPredictionsOnINTERVAL( loc_PREDICTOR, X_sampled, y_sampled, idxMAP( "LONG", "TP", 1 ), 50 )     0.997100939998243           +0:09:16.328000
    |>>> getPredictionsOnINTERVAL( loc_PREDICTOR, X_sampled, y_sampled, idxMAP( "LONG", "TP", 1 ),  5 )     0.31375735746288325         +0:01:16.422000
    """
    correct_on_interval = 0                                                 # correct        = 0. ____________________- faster to keep asINTEGER ... +=1 and only finally make DIV on FLOAT(s) in RET
    #ruth               = y_                                                # Y[idx[trainsize:]]
    err_up, err_dn      = prediction_up_dn_intervals(   aPredictorENGINE,   # ( rf,
                                                        X_,                 #   X[idx[trainsize:]],
                                                        aPredictionIDX,     #   idxMAP( "LONG", "TP", 1 ),
                                                        percentile          #   percentile = 90
                                                        )                   #   )

    #-------------------------------------------------------------------# for a single X_ run
    if ( len( X_.shape ) == 1 ):
        if ( err_dn[0] <= y_GndTRUTH[aPredictionIDX] <= err_up[0] ):
            return 1.
        else:
            return 0.
    #-------------------------------------------------------------------# for a multi X_ run
    for i, val in enumerate( y_GndTRUTH[:,aPredictionIDX] ):            # enumerate( truth )
        if err_dn[i] <= val <= err_up[i]:
            correct_on_interval += 1
    #-------------------------------------------------------------------
    return correct_on_interval / float( y_GndTRUTH.shape[0] )           # print correct / len( truth )

def mapPredictionsOnINTERVAL(   aPredictorENGINE,                       #
                                X_,
                                y_GndTRUTH,
                                aPredictionIDX      =  0,
                                aPercentilleSTEP    =  5
                                ):
    for aPercentille in xrange( aPercentilleSTEP, 100, aPercentilleSTEP ):
        Quotient = getPredictionsOnINTERVAL( aPredictorENGINE, X_, y_GndTRUTH, aPredictionIDX, aPercentille )
        print "{0: > 3d}-percentil   {1: > 6.3f} %".format( aPercentille, 100 * Quotient )
        """
          5%  0.313757
         10%  0.420847
         15%  0.510191
         20%  0.628481
         25%  0.719758
         30%  0.839058
         35%  0.909646
         40%  0.963454
         45%  0.986603
         50%  0.997101
         55%  0.999253
         60%  0.999912
         65%  1.000000 >>> RET/JIT
         70%  1.000000 xxxxxxxxxxxxxx 
         75%  1.000000 xxxxxxxxxxxxxx       ???? .fit( X_, y_[:,8:12] ) # .fit() on HORIZON-T0+3???? ... y_GndTRUTH.shape[1] v/s .predict().shape[1]
        """
        if ( Quotient == 1 ):
             return

您正在做几件事wrong/suboptimally:

  • 您只有 200 棵 rows/observations,但您尝试训练 N=1000 棵树。这是没有意义的。你应该没有。树木<<没有。观察。 N=3-40 棵树中的任何地方。
  • 您正在尝试学习一条线:您的数据是完全线性的(而 RF 用于正态分布的响应变量)。对于线性数据,使用更适合像线性回归这样的分类器会优于 RF 并给出完美的结果(事实上你所有的四个特征都是线性相关的,你可以扔掉任何三列,回归仍然会给出完美的结果)
  • 然后,您正尝试预测其中一个端点,这是一个已知会产生偏差的问题,原因如下。考虑 RF 是 1000 棵树的集合,其行是随机选择的;有些树不会包含那些底部观察 [1,2,3,4] 或 [6,7,8,9] 或 [11,12,13,14] 或 [16,17,18,19] 因此必然不可能正确预测底部端点(如果它位于正态分布的尾部,这就不是什么大问题)。输出预测将是集合中每棵树的个体预测的平均值:

    for i in range(1000): forest.estimators_[i].predict([1,2,3,4])

或:np.hstack([ forest.estimators_[i].predict([1,2,3,4]) for i in range(1000) ])

然后你会看到很多 0 和 5,一些 10,甚至一些 15、20 和 25。所以你的最终预测将是某个数字 >0 并且可能 <5.

如果您的预测性能仍然很差,您可以让训练集具有相等数量的 class 0 和 class 1 数据,以赋予数据中信号更多的重要性。请参阅 以获得进一步的解释。