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集成学习基础：Bagging 原理与应用

news 2025/6/25 22:45:44

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Bagging 介绍

1. 定义与全称：

Bagging 是 Bootstrap Aggregating 的缩写，中文常译为 装袋法。
它是一种并行式的集成学习方法。
核心目标是通过构建多个基学习器的预测结果进行组合（通常是投票或平均），来获得比单一基学习器更稳定、更准确、泛化能力更强的模型。
其名字直接反映了它的两个关键步骤：Bootstrap（自助采样） 和 Aggregating（聚合）。

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2. 核心思想：
Bagging 的基本思想非常简单而强大：

引入随机性： 通过对原始训练数据集进行 有放回的随机抽样（Bootstrap Sampling），创建出多个不同的、略有重叠的子训练集。
并行训练： 使用这些不同的子训练集，独立地训练出多个 同质的 基学习器。这些学习器通常是同一种算法（例如都是决策树）。
聚合结果： 对于一个新的预测样本，让所有训练好的基学习器进行预测，然后将它们的预测结果进行聚合：
- 分类任务： 采用 多数投票法（Majority Voting），即选择得票最多的类别作为最终预测结果。
- 回归任务： 采用 简单平均法（Averaging），即计算所有基学习器预测值的平均值作为最终预测结果。

3. 关键步骤详解：

Bootstrap Sampling (自助采样):
- 假设原始训练集 D 包含 N 个样本。
- 要训练 T 个基学习器，就需要创建 T 个 bootstrap 样本集 D_1, D_2, ..., D_T。
- 生成每个 D_t 的过程：
  1. 从原始训练集 D 中有放回地随机抽取一个样本。
  2. 将该样本放入 D_t 中。
  3. 重复步骤 1 和 2 N 次。这样 D_t 就包含了 N 个样本（注意：因为有放回，某些样本会被多次抽中，而另一些样本可能一次都没被抽中）。
- 重要特性：
  - 每个 bootstrap 样本集 D_t 的大小与原始训练集 D 相同（N 个样本）。
  - 由于有放回抽样，原始训练集 D 中大约有 63.2% 的样本会出现在任意一个给定的 D_t 中。剩下的约 36.8% 的样本被称为该基学习器的 袋外样本。
  - 不同的 bootstrap 样本集之间会有一定的重叠，但也存在差异。
Base Learner Training (基学习器训练):
- 使用第 t 个 bootstrap 样本集 D_t 独立地训练第 t 个基学习器 M_t。
- 基学习器可以是任何学习算法（决策树、神经网络、线性回归等），但决策树因其高方差（不稳定）特性，常作为 Bagging 的首选基学习器（这就是随机森林的基础）。
- 训练过程是并行的，各个基学习器之间互不干扰。
Aggregating (聚合):
- 分类 (Classification):
  - 对于一个新的输入样本 x，每个基学习器 M_t 预测一个类别标签 y_t。
  - 最终的预测结果 y_final 是所有 T 个预测标签 {y_1, y_2, ..., y_T} 中出现次数最多的那个类别（即多数投票）。
- 回归 (Regression):
  - 对于一个新的输入样本 x，每个基学习器 M_t 预测一个数值 r_t。
  - 最终的预测结果 r_final 是所有 T 个预测值 {r_1, r_2, ..., r_T} 的算术平均值。

4. 为什么 Bagging 有效？

Bagging 的核心价值在于它能够显著降低模型的方差（Variance），从而提高模型的稳定性和泛化能力，尤其对于高方差、低偏差的基学习器（如深度未剪枝的决策树）效果非常显著。

降低方差： 通过在不同的数据子集上训练多个模型，Bagging 减少了模型对训练数据中特定噪声或波动的敏感性。单个模型可能因为训练数据的微小变化而产生很大差异（高方差），但多个模型预测的平均或投票可以抵消这种波动，使得整体预测更加稳定和鲁棒。
轻微增加偏差： 由于每个基学习器只看到原始数据的部分样本（约63.2%），并且可能没有看到一些重要样本（袋外样本），单个基学习器的性能可能略低于在整个数据集上训练的模型（轻微增加偏差）。但是，通过聚合多个模型，这种轻微的偏差增加通常被方差的显著降低所补偿，最终整体模型效果更好。
降低过拟合风险： 通过降低方差，Bagging 有效地减少了模型过拟合训练数据的风险，提高了在未见数据上的泛化能力。

5. 优势：

有效降低方差： 对高方差的基学习器（如决策树）效果尤其显著。
提升模型稳定性与鲁棒性： 对训练数据的小变动不敏感，对噪声和异常值更具抵抗力。
减少过拟合： 提高泛化性能。
并行化： 基学习器的训练相互独立，天然适合并行计算，加速训练。
简单易用： 概念清晰，实现相对直接。
内置验证（利用袋外样本）： 袋外样本可以用来评估单个基学习器的性能，它们的预测误差的平均值（袋外误差）可以作为Bagging集成模型泛化误差的一个近似无偏估计，无需额外划分验证集。

6. 局限性：

对高偏差模型提升有限： 如果基学习器本身偏差很高（欠拟合），Bagging 主要降低方差，对整体性能提升不大（偏差问题依然存在）。它不能有效降低偏差。
模型解释性降低： 集成的模型比单个基学习器更难解释。
计算成本： 需要训练多个模型，计算和存储开销大于单个模型。
可能损失部分信息： 每个基学习器只看到部分数据（约63.2%）。

7. 与 Boosting 的区别：

并行 vs 串行： Bagging 是并行训练基学习器；Boosting（如 AdaBoost, GBDT, XGBoost）是串行训练，后续模型重点关注之前模型预测错误的样本。
样本权重： Bagging 中所有样本在抽样时默认权重相同；Boosting 会根据之前模型的预测表现动态调整样本权重，错误样本权重增大。
目标： Bagging 主要降低方差；Boosting 主要降低偏差（并能一定程度降低方差）。
基学习器要求： Bagging 对基学习器要求不高，甚至可以是弱学习器（但效果会打折扣）；Boosting 通常要求基学习器是弱学习器（仅比随机猜测略好）。
稳定性： Bagging 模型更稳定；Boosting 模型对数据和参数更敏感，容易过拟合（需仔细调参和正则化）。

8. 典型应用：

随机森林： 这是 Bagging 最著名和最成功的应用。它以决策树为基学习器，并在 Bagging 的基础上额外引入了特征随机性（在节点分裂时随机选择特征子集），进一步增强了多样性和效果。
其他模型的 Bagging 变体： 理论上，任何学习算法都可以作为 Bagging 的基学习器（如 Bagged KNN, Bagged SVMs 等），但决策树因其不稳定性而受益最大。
需要高稳定性模型的场景。

总结：

Bagging 是一种强大且实用的集成学习技术，其核心在于通过 Bootstrap 自助采样生成多样化的训练子集，并行训练多个基学习器，然后通过投票（分类）或平均（回归） 聚合它们的预测结果。它最擅长降低高方差模型的方差，从而提升模型的稳定性、鲁棒性和泛化能力，减少过拟合风险。随机森林是 Bagging 思想的杰出代表和扩展。理解 Bagging 是深入掌握集成学习，特别是随机森林的关键基础。