Stacking模型融合

一、基本理念

Stacking是集成学习的一种重要形式，其基本思路为通过将多种基础模型的输出结果作为新的训练样本输入到次级模型中进行训练，从而得到更为准确的预测结果。

相对于单一模型，Stacking具备较好的鲁棒性和泛化能力，可以有效地处理数据集中存在的噪声、异常值、样本不平衡等问题。与传统的Bagging和Boosting相比，Stacking能够更好地挖掘基础模型之间的协同作用，从而更好地提升整个模型的性能。

Stacking的基本流程如下：
（1）准备训练集和测试集；
（2）将训练集分为若干个fold；
（3）对于每个fold，利用多个基础模型进行训练，并将基础模型对该fold的预测结果作为新的特征添加到训练集中；
（4）利用添加了基础模型预测结果的训练集，再次训练一个次级模型；
（5）对测试集进行预测，并输出最终结果。

二、多样性的提升

在Stacking的实践中，如何提升基础模型之间的多样性是非常重要的，因为只有不同基础模型之间的差异性越大，Stacking才能更有效地挖掘各个模型之间的优势和能力。

针对这个问题，可以从以下几个方面入手：
（1）选取不同的特征集；
（2）采用不同的特征工程方法；
（3）使用不同的模型类型；
（4）使用不同的模型参数；
（5）采用不同的随机种子和fold划分方法。

通过增加基础模型的多样性，Stacking能够更好地处理数据集中存在的复杂问题，提高整体的性能。

三、代码示例

以下代码演示了如何使用Stacking对数据集进行预测，其中使用了LightGBM、XGBoost和CatBoost三种GBDT模型作为基础模型，并使用逻辑回归作为次级模型进行预测。

import numpy as np
import pandas as pd
import lightgbm as lgb
import xgboost as xgb
import catboost as cb
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.metrics import accuracy_score
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold

train_data = pd.read_csv('train.csv')
test_data = pd.read_csv('test.csv')
target = train_data['label']
train_data.drop(['label'], axis=1, inplace=True)

stacking_train = np.zeros((train_data.shape[0], 3))
stacking_test = np.zeros((test_data.shape[0], 3))

params_lgb = {
    'boosting_type': 'gbdt',
    'objective': 'multiclass',
    'num_class': 10,
    'num_leaves': 31,
    'learning_rate': 0.05,
    'feature_fraction': 0.9,
    'bagging_fraction': 0.8,
    'bagging_freq': 5
}

params_xgb = {
    'objective': 'multi:softmax',
    'num_class': 10,
    'max_depth': 3,
    'eta': 0.1,
    'subsample': 0.9,
    'colsample_bytree': 0.7
}

params_cb = {
    'loss_function': 'MultiClass',
    'num_class': 10,
    'iterations': 100,
    'learning_rate': 0.1,
    'depth': 6,
    'l2_leaf_reg': 3,
    'bagging_temperature': 0.8,
    'random_strength': 0.5
}

skf = StratifiedKFold(n_splits=5, random_state=42, shuffle=True)
for index, (train_index, val_index) in enumerate(skf.split(train_data, target)):
    print("Use fold:", index)
    train_x, train_y = train_data.iloc[train_index], target.iloc[train_index]
    val_x, val_y = train_data.iloc[val_index], target.iloc[val_index]

    model_lgb = lgb.LGBMClassifier(**params_lgb)
    model_lgb.fit(train_x, train_y, eval_set=[(val_x, val_y)], early_stopping_rounds=10)
    stacking_train[val_index, 0] = model_lgb.predict(val_x)
    stacking_test[:, 0] += model_lgb.predict_proba(test_data) / 5

    model_xgb = xgb.XGBClassifier(**params_xgb)
    model_xgb.fit(train_x, train_y, eval_set=[(val_x, val_y)], early_stopping_rounds=10)
    stacking_train[val_index, 1] = model_xgb.predict(val_x)
    stacking_test[:, 1] += model_xgb.predict_proba(test_data) / 5

    model_cb = cb.CatBoostClassifier(**params_cb)
    model_cb.fit(train_x, train_y, eval_set=[(val_x, val_y)], early_stopping_rounds=10, verbose=False)
    stacking_train[val_index, 2] = model_cb.predict(val_x)
    stacking_test[:, 2] += model_cb.predict_proba(test_data) / 5

model_lr = LogisticRegression(random_state=42, solver='lbfgs', multi_class='multinomial')
model_lr.fit(stacking_train, target)
pred = model_lr.predict(stacking_test)
print("Stacking Accuracy:", accuracy_score(pred, true_label))

四、总结

Stacking是一种非常实用的集成学习方法，在实际应用中可以有效提高模型的性能，处理数据集中存在的各种问题，并且具有较好的鲁棒性和泛化能力。通过本文的介绍，我们可以更好地了解Stacking的基本思想和实现方式，并且掌握针对Stacking模型提升多样性的方法。在实际应用中，可以根据数据集的特点以及具体任务的需求来选择合适的基础模型，并进行试错和调优，以达到最佳的效果。