树+神经网络算法强强联手（Python）

作者 | 泳鱼

来源 | 算法进阶

结合论文《Revisiting Deep Learning Models for Tabular Data》的观点，集成树模型通常擅长于表格数据这种异构数据集，是实打实的表格数据王者。

集成树模型中的LightGBM是增强版的GBDT，支持了分类变量，在工程层面大大提高了训练效率。

DNN深度神经网络擅长于同构的高维数据，从高维稀疏的表示中学习到低维致密的分布式表示，所以在自然语言、图像识别等领域基本上是称霸武林。对于异构致密的表格数据，个人实践来看，DNN模型的非线性能力没树模型来得高效。

所以一个很朴素的想法是，结合这树模型+神经网络模型的优势。比如通过NN学习文本的嵌入特征后，输入树模型继续学习。或者是，树模型学习表格数据后，输出样本的高维个叶子节点的特征表示，输入DNN模型。

接下来，我们使用LightGBM+DNN模型强强联手，验证其在信贷违约的表格数据预测分类效果。

数据处理及树模型训练

lightgbm树模型，自带缺失、类别变量的处理，还有很强的非线性拟合能力，特征工程上面不用做很多处理，建模非常方便。

##完整代码及数据请见 算法进阶github：https://github.com/aialgorithm/Blog

# 划分数据集：训练集和测试集
train_x, test_x, train_y, test_y = train_test_split(train_bank[num_feas + cate_feas], train_bank.isDefault,test_size=0.3, random_state=0)

# 训练模型
lgb=lightgbm.LGBMClassifier(n_estimators=5, num_leaves=5,class_weight= 'balanced',metric = 'AUC')
lgb.fit(train_x, train_y)
print('train ',model_metrics(lgb,train_x, train_y))
print('test '


    
,model_metrics(lgb,test_x,test_y))

简单处理建模后test的AUC可以达到0.8656

树+神经网络

接下来我们将提取树模型的叶子节点的路径作为特征，并简单做下特征选择处理

import numpy as np

y_pred = lgb.predict(train_bank[num_feas + cate_feas],pred_leaf=True) 

# 提取叶子节点
train_matrix = np.zeros([len(y_pred), len(y_pred[0])*lgb.get_params()['num_leaves']],dtype=np.int64)
print(train_matrix.shape) 


for i in range(len(y_pred)):
    temp = np.arange(len(y_pred[0]))*lgb.get_params()['num_leaves'] + np.array(y_pred[i])
    train_matrix[i][temp] += 1

# drop zero-features
df2 = pd.DataFrame(train_matrix)
droplist2 = []
for k in df2.columns:
    if not df2[k].any():
        droplist2.append(k)
print(len(droplist2))
df2= df2.drop(droplist2,axis=1).add_suffix('_lgb')

# 拼接原特征和树节点特征
df_final2 = pd.concat([train_bank[num_feas],df2],axis=1)
df_final2.head()

将拼接好原特征及树节点路径特征输入神经网络模型，并使用网格搜索调优神经网络模型。

# 划分数据集：训练集和测试集
train_x, test_x, train_y, test_y = train_test_split(df_final2, train_bank.isDefault,test_size=0.3, random_state=0)

# 神经网络模型评估
def model_metrics2(nnmodel, x, y):
    yprob = nnmodel.predict(x.replace([np.inf, -np.inf], np.nan).fillna(0))[:,0]
    fpr,tpr,_ = roc_curve(y, yprob,pos_label=1)
    return auc(fpr, tpr),max(tpr-fpr)


import keras
from keras import regularizers
from keras.layers import Dense,Dropout,BatchNormalization,GaussianNoise
from keras.models import Sequential, Model
from keras.callbacks import EarlyStopping
from sklearn.metrics import  mean_squared_error


np.random.seed(1) # 固定随机种子，使每次运行结果固定



bestval = 0
# 创建神经模型并暴力搜索较优网络结构超参： 输入层；   n层k个神经元的relu隐藏层；  输出层
for layer_nums in range(2): #隐藏层的层数
    for k in list(range(1,100,5)):  # 网格神经元数
        for norm in [0.01,0.05,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8]:#正则化惩罚系数
            print("************隐藏层vs神经元数vs norm**************",layer_nums,k,norm)
            model = Sequential()
            model.add(BatchNormalization())  # 输入层 批标准化  input_dim=train_x.shape
            for _ in range(layer_nums):
                model.add(Dense(k,  
                                kernel_initializer='random_uniform',   # 均匀初始化
                                activation='relu',                     # relu激活函数
                                kernel_regularizer=regularizers.l1_l2(l1=norm, l2=norm),  # L1及L2 正则项
                                use_bias=True))   # 隐藏层1
                model.add(Dropout(norm)) # dropout正则
            model.add(Dense(1,use_bias=True,activation='sigmoid'))  # 输出层


            # 编译模型：优化目标为回归预测损失mse，优化算法为adam
            model.compile(optimizer='adam', loss=keras.losses.binary_crossentropy) 

            # 训练模型
            history = model.fit(train_x.replace([np.inf, -np.inf], np.nan).fillna(0), 



    
                                train_y, 
                                epochs=1000,              # 训练迭代次数
                                batch_size=1000,           # 每epoch采样的batch大小
                                validation_data=(test_x.replace([np.inf, -np.inf], np.nan).fillna(0),test_y),   # 从训练集再拆分验证集，作为早停的衡量指标
                                callbacks=[EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=10)],    #早停法
                                verbose=False)  # 不输出过程  
            print("验证集最优结果：",min(history.history['loss']),min(history.history['val_loss']))
            print('------------train------------\n',model_metrics2(model, train_x,train_y))

            print('------------test------------\n',model_metrics2(model, test_x,test_y))
            test_auc = model_metrics2(model, test_x,test_y)[0] 
            if test_auc > bestval:
                bestval = test_auc
                bestparas = ['bestval, layer_nums, k, norm',bestval, layer_nums, k, norm]


# 模型评估：拟合效果
plt.plot(history.history['loss'],c='blue')    # 蓝色线训练集损失
plt.plot(history.history['val_loss'],c='red') # 红色线验证集损失
plt.show()
model.summary()   #模型概述信息
print(bestparas)

在我们这个实验中，使用树模型+神经网络模型在test的auc得到一些不错的提升，树模型的AUC 0.8656，而树模型+神经网络的AUC 0.8776，提升了1.2%

其他试验结果

结合微软的试验，树+神经网络（DeepGBM），在不同的任务上也是可以带来一些的效果提升的。有兴趣可以阅读下文末参考文献。

LGB+DNN（或者单层的LR）是一个很不错的想法，有提升模型的一些效果。但需要注意的是，这也会加重模型的落地及迭代的复杂度。综合来看，树+神经网络是一个好的故事，但是结局没有太惊艳。

参考论文：
https://www.microsoft.com/en-us/research/uploads/prod/2019/08/deepgbm_kdd2019__CR_.pdf https://github.com/motefly/DeepGBM

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