CatBoost

Статья посвящена работе с библиотекой CatBoost — методу машинного обучения, основанному на градиентном бустинге (англ. gradient boosting).

Практически любой современный метод на основе градиентного бустинга работает с числами. Это приводит к искажению их сути и потенциальному снижению точности работы модели. Именно поэтому было важно научить машину работать не только с числами, но и с категориями напрямую, закономерности между которыми она будет выявлять самостоятельно, без ручной «помощи». CatBoost разработан так, чтобы одинаково хорошо работать «из коробки» как с числовыми признаками (англ. features), так и с категориальными (англ. categorical features).

Документацию можно найти здесь: [1].

Общий принцип работы

Дерево решений

Алгоритм работы следующий: для каждого документа имеется набор значений признаков, имеется дерево, в вершинах дерева — условия. Если условие выполнено, осуществляется переход в правого ребенка вершины, иначе в левого. Очень просто для конкретно ребенка пройти до листа по дереву в соответствии со значениями признаков для документа. На выходе каждому документу соответствует значение листа. Это и есть ответ.

Бустинг

Одно дерево — хорошо, больше — лучше. Идея состоит в том, чтобы каждое следующее дерево училось на предыдущем, уменьшая ошибку. Итого при достаточно большом количестве деревьев мы сможем сильно уменьшить ошибку, однако не стоит забывать, что чем больше деревьев, тем дольше обучается модель и в какой-то момент прирост качества становится незначительным.

Градиентный бустинг

В основе CatBoost лежит градиентный бустинг.

Градиент функции ошибки — все производные по всем значениям функции

Будем минимизировать ошибку опираясь на градиент.

Особенности CatBoost

Режимы работы

Регрессия (англ. regression)
Классификация (англ. classification)

Функция потерь (англ. loss function) — максимизируем вероятность того что все объекты в обучающей выборке классифицированы правильно, вероятность - это сигмоида над значением формулы.

Функция ```predict```_```proba``` — на выходе получаем готовый вероятности. Нужно отметить, что складывать их уже нельзя.

Функция ```predict``` — выдает необработанный результат. Такой результат можно складывать, например, с результатами других моделей.

Мультиклассификация (англ. multiclass classification)
Ранжирование (англ. ranking)

Объекты с попарной классификацией

Метрики

Поддерживает множество метрик (англ. metrics), таких как:

Регрессия: MAE, MAPE, RMSE, SMAPE etc.
Классификация: Logloss , Precision, Recall, F1, CrossEntropy, BalancedAccuracy etc.
Мультиклассификация: MultiClass, MultiClassOneVsAll, HammingLoss, F1 etc.
Ранжирование: NDCG, PrecisionAt, RecallAt, PFound, PairLogit etc.

Обучение

Шаги обучения

Строим дерево
Считаем значение в листьях

Построение дерева

Процесс построения происходит жадно.

Выбираем первую вершину
Выбираем лучшее дерево с одной вершиной.
Считаем метрику и по ней выбираем лучшее дерево.

Дерево строится по слоям. Гарантировано на каждом слое один и тот же сплит (условие, по которому мы делим)

Вычисление значений в листьях

Во время вычисления значений в листьях можем позволить себе сделать больше операций, так как у нас уже зафиксирована структура дерева и значения в листьях будут вычислены единожды. Поэтому можем себе позволить даже сделать несколько шагов по градиенту.

Метод Ньютона или шаг по градиенту
Несколько шагов внутри одного дерева

Как выбрать лучшее дерево?

Смотрим на сколько меняется функция ошибки, выбираем такое дерево, чтобы оно как можно лучше приближало вектор градиентов.

Как работает градиентный бустинг?

Отметим, что существует идеальный шаг по градиенту, однако листьев в дереве меньше, чем документов в датасете. Поэтому мы можем пытаться приближать тот самый идеальный шаг. Чтобы найти лучший сплит, проверяем похожесть после одного шага алгоритма по градиенту.

Рандомизация

Есть рандомизация метрики, по которой выбирается лучшее дерево.

Score += random_strength *  Rand (0, lenofgrad * q)

q - множитель, уменьшающийся при увеличении итерации. Таким образом, рандом уменьшается ближе к концу.

Работа с датасетом

Режимов выборки данных

CatBoost поддерживает несколько режимов выборки данных

Бутстрап (англ. bootstrap) Бернулли — выбираем документ с вероятностью p. Регулируется параметром sample_rate
Байесовский бутстрап — байесовское распределение. Регулируется параметром bagging_temp

Отметим, что бутстрап используется только для выбора структуры дерева, для подсчета значения в листьях используем всю выборку. Это сделано так как выбор структуры дерева происходит долго, нужно несколько раз пересчитывать значения, поэтому использовать всю выборку - слишком дорого. Однако значения в листьях с уже готовой структурой дерева считаются один раз, и для большей точности можно позволить использовать весь датасет.

Бинаризация признаков

Пробовать все — долго. Поэтому выбираем сетку заранее и ходим по ней.

Есть несколько способов выбора:

Uniform. Равномерно разбиваем отрезок от минимума значения для данного признака до максимума.
Медианная сетка. Задаем количество разбиений над множеством значений, далее идем по объектам в порядке сортировки и разбиваем на группы по k объектов, где k — количество объектов в одном слоте разбиения.
UniformAndQuantiles. Комбинация 1 и 2 пунктов.
MaxSumLog — в основе лежит точно правильная динамика, работает долго.
GreedyLogSum — аналог MaxSumLog, однако в основе лежит жадность, поэтому работает не точно, однако быстрее чем MaxSumLog

Работа с категориальными признаками

LabelEncoding - на реальных примерах точность работы низкая, так как появляется отношения порядка между объектами.
One-hot encoding - дает неплохую точность, если различных значений признаков не много. Иначе один признак размножится на множество признаков и будет влиять на модель заведомо сильнее остальных признаков.

Лучше не делать препроцессинг самим, из-за проблем, описанных выше. В CatBoost можно задать параметр cat_features, передав туда индексы категориальных признаков. Также можно отрегулировать параметр one_hot_max_size - максимальное количество различных значений у категориального признака, чтобы он мог в последствии быть подвержен one-hot encoding.

Подбор параметров

Ниже описаны гиперпараметры (англ. hyper parameters), на которые стоит обратить внимание при использовании библиотеки.

cat_features
Overfitting detector
Число итераций и learning rate
L2_reg
Random_srength
Bagging_temp
Глубина дерева (стоит попробовать 10 и 6)

Полезная функциональность

Snapshots
Overfitting detector
CV
eval_metrics

Бенчмрки

Сравнение библиотеки CatBoost с открытыми аналогами XGBoost, LightGBM и H20 на наборе публичных датасетов. Результаты - [2]

Пример использования

Делим данные на тренировочное и тестовое множество

X_train, X_validation, y_train, y_validation = train_test_split(X, y, train_size=0.5, random_state=1234)
print(X_train.shape, X_validation.shape)

Создаем классификатор

from catboost import CatBoostClassifier

best_model = CatBoostClassifier(
   bagging_temperature=1,
   random_strength=1,
   thread_count=3,
   iterations=500,
   l2_leaf_reg = 4.0, 
   learning_rate = 0.07521709965938336,
   save_snapshot=True,
   snapshot_file='snapshot_best.bkp',
   random_seed=63,
   od_type='Iter',
   od_wait=20,
   custom_loss=['AUC', 'Accuracy'],
   use_best_model=True
)

Обучаемся

best_model.fit(
   X_train, y_train,
   cat_features=cat_features,
   eval_set=(X_validation, y_validation),
   logging_level='Silent',
   plot=True
)

Вывод числа деревьев в модели

print('Resulting tree count:', best_model.tree_count_)

> Resulting tree count: 217

Используем кросс валидацию

from catboost import cv

params = best_model.get_params()
params['iterations'] = 10
params['custom_loss'] = 'AUC'
del params['use_best_model']
pool1 = Pool(X, label=y, cat_features=cat_features)

cv_data = cv(
   params = params,
   pool = pool1,
   fold_count=2,
   inverted=False,
   shuffle=True,
   stratified=False,
   partition_random_seed=0
)

Выводим результат

best_value = np.max(cv_data['AUC_test_avg'])
best_iter = np.argmax(cv_data['AUC_test_avg'])
print('Best validation AUC score: {:.2f}±{:.2f} on step {}'.format(
   best_value,
   cv_data['AUC_test_stddev'][best_iter],
   best_iter
))

> Best validation AUC score: 0.91±0.00 on step 9

Больше примеров можно найти на сайте библиотеки[3]