GBDT(Gradient Boosting Decision Tree
GBDT主要由三個概念組成：Regression Decistion Tree（即DT)，Gradient Boosting（即GB)，Shrinkage (算法的一個重要演進分枝，目前大部分源碼都按該版本實現）。搞定這三個概念后就能明白GBDT是如何工作的，要繼續理解它如何用于搜索排序則需要額外理解RankNet概念，之后便功德圓滿。下文將逐個碎片介紹，最終把整張圖拼出來。
一、 DT：回歸樹 Regression Decision Tree
提起決策樹（DT, Decision Tree) 絕大部分人首先想到的就是C4.5分類決策樹。但如果一開始就把GBDT中的樹想成分類樹，那就是一條歪路走到黑，一路各種坑，最終摔得都要咯血了還是一頭霧水說的就是LZ自己啊有木有。咳嗯，所以說千萬不要以為GBDT是很多棵分類樹。決策樹分為兩大類，回歸樹和分類樹。前者用于預測實數值，如明天的溫度、用戶的年齡、網頁的相關程度；后者用于分類標簽值，如晴天/陰天/霧/雨、用戶性別、網頁是否是垃圾頁面。這里要強調的是，前者的結果加減是有意義的，如10歲+5歲-3歲=12歲，后者則無意義，如男+男+女=到底是男是女？ GBDT的核心在于累加所有樹的結果作為最終結果，就像前面對年齡的累加（-3是加負3），而分類樹的結果顯然是沒辦法累加的，所以GBDT中的樹都是回歸樹，不是分類樹，這點對理解GBDT相當重要（盡管GBDT調整后也可用于分類但不代表GBDT的樹是分類樹）。那么回歸樹是如何工作的呢？
下面我們以對人的性別判別/年齡預測為例來說明，每個instance都是一個我們已知性別/年齡的人，而feature則包括這個人上網的時長、上網的時段、網購所花的金額等。
作為對比，先說分類樹，我們知道C4.5分類樹在每次分枝時，是窮舉每一個feature的每一個閾值，找到使得按照feature<=閾值，和feature>閾值分成的兩個分枝的熵最大的feature和閾值（熵最大的概念可理解成盡可能每個分枝的男女比例都遠離1:1），按照該標準分枝得到兩個新節點，用同樣方法繼續分枝直到所有人都被分入性別唯一的葉子節點，或達到預設的終止條件，若最終葉子節點中的性別不唯一，則以多數人的性別作為該葉子節點的性別。
回歸樹總體流程也是類似，不過在每個節點（不一定是葉子節點）都會得一個預測值，以年齡為例，該預測值等于屬于這個節點的所有人年齡的平均值。分枝時窮舉每一個feature的每個閾值找最好的分割點，但衡量最好的標準不再是最大熵，而是最小化均方差--即（每個人的年齡-預測年齡）^2 的總和 / N，或者說是每個人的預測誤差平方和 除以 N。這很好理解，被預測出錯的人數越多，錯的越離譜，均方差就越大，通過最小化均方差能夠找到最靠譜的分枝依據。分枝直到每個葉子節點上人的年齡都唯一（這太難了）或者達到預設的終止條件（如葉子個數上限），若最終葉子節點上人的年齡不唯一，則以該節點上所有人的平均年齡做為該葉子節點的預測年齡。若還不明白可以Google "Regression Tree"。
二、 GB：梯度迭代 Gradient Boosting
好吧，我起了一個很大的標題，但事實上我并不想多講Gradient Boosting的原理，因為不明白原理并無礙于理解GBDT中的Gradient Boosting。喜歡打破砂鍋問到底的同學可以閱讀這篇英文wikihttp://en.wikipedia.org/wiki/Gradient_boosted_trees#Gradient_tree_boosting
Boosting，迭代，即通過迭代多棵樹來共同決策。這怎么實現呢？難道是每棵樹獨立訓練一遍，比如A這個人，第一棵樹認為是10歲，第二棵樹認為是0歲，第三棵樹認為是20歲，我們就取平均值10歲做最終結論？--當然不是！且不說這是投票方法并不是GBDT，只要訓練集不變，獨立訓練三次的三棵樹必定完全相同，這樣做完全沒有意義。之前說過，GBDT是把所有樹的結論累加起來做最終結論的，所以可以想到每棵樹的結論并不是年齡本身，而是年齡的一個累加量。GBDT的核心就在于，每一棵樹學的是之前所有樹結論和的殘差，這個殘差就是一個加預測值后能得真實值的累加量。比如A的真實年齡是18歲，但第一棵樹的預測年齡是12歲，差了6歲，即殘差為6歲。那么在第二棵樹里我們把A的年齡設為6歲去學習，如果第二棵樹真的能把A分到6歲的葉子節點，那累加兩棵樹的結論就是A的真實年齡；如果第二棵樹的結論是5歲，則A仍然存在1歲的殘差，第三棵樹里A的年齡就變成1歲，繼續學。這就是Gradient Boosting在GBDT中的意義，簡單吧。
三、 GBDT工作過程實例。
還是年齡預測，簡單起見訓練集只有4個人，A,B,C,D，他們的年齡分別是14,16,24,26。其中A、B分別是高一和高三學生；C,D分別是應屆畢業生和工作兩年的員工。如果是用一棵傳統的回歸決策樹來訓練，會得到如下圖1所示結果：
現在我們使用GBDT來做這件事，由于數據太少，我們限定葉子節點做多有兩個，即每棵樹都只有一個分枝，并且限定只學兩棵樹。我們會得到如下圖2所示結果：
在第一棵樹分枝和圖1一樣，由于A,B年齡較為相近，C,D年齡較為相近，他們被分為兩撥，每撥用平均年齡作為預測值。此時計算殘差（殘差的意思就是： A的預測值 + A的殘差 = A的實際值），所以A的殘差就是16-15=1（注意，A的預測值是指前面所有樹累加的和，這里前面只有一棵樹所以直接是15，如果還有樹則需要都累加起來作為A的預測值）。進而得到A,B,C,D的殘差分別為-1,1，-1,1。然后我們拿殘差替代A,B,C,D的原值，到第二棵樹去學習，如果我們的預測值和它們的殘差相等，則只需把第二棵樹的結論累加到第一棵樹上就能得到真實年齡了。這里的數據顯然是我可以做的，第二棵樹只有兩個值1和-1，直接分成兩個節點。此時所有人的殘差都是0，即每個人都得到了真實的預測值。
換句話說，現在A,B,C,D的預測值都和真實年齡一致了。Perfect!：
A: 14歲高一學生，購物較少，經常問學長問題；預測年齡A = 15 – 1 = 14
B: 16歲高三學生；購物較少，經常被學弟問問題；預測年齡B = 15 + 1 = 16
C: 24歲應屆畢業生；購物較多，經常問師兄問題；預測年齡C = 25 – 1 = 24
D: 26歲工作兩年員工；購物較多，經常被師弟問問題；預測年齡D = 25 + 1 = 26
那么哪里體現了Gradient呢？其實回到第一棵樹結束時想一想，無論此時的cost function是什么，是均方差還是均差，只要它以誤差作為衡量標準，殘差向量(-1, 1, -1, 1)都是它的全局最優方向，這就是Gradient。
講到這里我們已經把GBDT最核心的概念、運算過程講完了！沒錯就是這么簡單。不過講到這里很容易發現三個問題：
1）既然圖1和圖2 最終效果相同，為何還需要GBDT呢？
答案是過擬合。過擬合是指為了讓訓練集精度更高，學到了很多”僅在訓練集上成立的規律“，導致換一個數據集當前規律就不適用了。其實只要允許一棵樹的葉子節點足夠多，訓練集總是能訓練到100%準確率的（大不了最后一個葉子上只有一個instance)。在訓練精度和實際精度（或測試精度）之間，后者才是我們想要真正得到的。
我們發現圖1為了達到100%精度使用了3個feature（上網時長、時段、網購金額），其中分枝“上網時長>1.1h” 很顯然已經過擬合了，這個數據集上A,B也許恰好A每天上網1.09h, B上網1.05小時，但用上網時間是不是>1.1小時來判斷所有人的年齡很顯然是有悖常識的；
相對來說圖2的boosting雖然用了兩棵樹 ，但其實只用了2個feature就搞定了，后一個feature是問答比例，顯然圖2的依據更靠譜。（當然，這里是LZ故意做的數據，所以才能靠譜得如此狗血。實際中靠譜不靠譜總是相對的） Boosting的最大好處在于，每一步的殘差計算其實變相地增大了分錯instance的權重，而已經分對的instance則都趨向于0。這樣后面的樹就能越來越專注那些前面被分錯的instance。就像我們做互聯網，總是先解決60%用戶的需求湊合著，再解決35%用戶的需求，最后才關注那5%人的需求，這樣就能逐漸把產品做好，因為不同類型用戶需求可能完全不同，需要分別獨立分析。如果反過來做，或者剛上來就一定要做到盡善盡美，往往最終會竹籃打水一場空。
2）Gradient呢？不是“G”BDT么？
到目前為止，我們的確沒有用到求導的Gradient。在當前版本GBDT描述中，的確沒有用到Gradient，該版本用殘差作為全局最優的絕對方向，并不需要Gradient求解.
3）這不是boosting吧？Adaboost可不是這么定義的。
這是boosting，但不是Adaboost。GBDT不是Adaboost Decistion Tree。就像提到決策樹大家會想起C4.5，提到boost多數人也會想到Adaboost。Adaboost是另一種boost方法，它按分類對錯，分配不同的weight，計算cost function時使用這些weight，從而讓“錯分的樣本權重越來越大，使它們更被重視”。Bootstrap也有類似思想，它在每一步迭代時不改變模型本身，也不計算殘差，而是從N個instance訓練集中按一定概率重新抽取N個instance出來（單個instance可以被重復sample），對著這N個新的instance再訓練一輪。由于數據集變了迭代模型訓練結果也不一樣，而一個instance被前面分錯的越厲害，它的概率就被設的越高，這樣就能同樣達到逐步關注被分錯的instance，逐步完善的效果。Adaboost的方法被實踐證明是一種很好的防止過擬合的方法，但至于為什么則至今沒從理論上被證明。GBDT也可以在使用殘差的同時引入Bootstrap re-sampling，GBDT多數實現版本中也增加的這個選項，但是否一定使用則有不同看法。re-sampling一個缺點是它的隨機性，即同樣的數據集合訓練兩遍結果是不一樣的，也就是模型不可穩定復現，這對評估是很大挑戰，比如很難說一個模型變好是因為你選用了更好的feature，還是由于這次sample的隨機因素。
四、Shrinkage
Shrinkage（縮減）的思想認為，每次走一小步逐漸逼近結果的效果，要比每次邁一大步很快逼近結果的方式更容易避免過擬合。即它不完全信任每一個棵殘差樹，它認為每棵樹只學到了真理的一小部分，累加的時候只累加一小部分，通過多學幾棵樹彌補不足。用方程來看更清晰，即
沒用Shrinkage時：（yi表示第i棵樹上y的預測值， y(1~i)表示前i棵樹y的綜合預測值）
y(i+1) = 殘差(y1~yi)， 其中： 殘差(y1~yi) = y真實值 - y(1 ~ i)
y(1 ~ i) = SUM(y1, ..., yi)
Shrinkage不改變第一個方程，只把第二個方程改為：
y(1 ~ i) = y(1 ~ i-1) + step * yi
即Shrinkage仍然以殘差作為學習目標，但對于殘差學習出來的結果，只累加一小部分（step*殘差）逐步逼近目標，step一般都比較小，如0.01~0.001（注意該step非gradient的step），導致各個樹的殘差是漸變的而不是陡變的。直覺上這也很好理解，不像直接用殘差一步修復誤差，而是只修復一點點，其實就是把大步切成了很多小步。本質上，Shrinkage為每棵樹設置了一個weight，累加時要乘以這個weight，但和Gradient并沒有關系。這個weight就是step。就像Adaboost一樣，Shrinkage能減少過擬合發生也是經驗證明的，目前還沒有看到從理論的證明。
五、 GBDT的適用范圍
該版本GBDT幾乎可用于所有回歸問題（線性/非線性），相對logistic regression僅能用于線性回歸，GBDT的適用面非常廣。亦可用于二分類問題（設定閾值，大于閾值為正例，反之為負例）。
六、 搜索引擎排序應用 RankNet
搜索排序關注各個doc的順序而不是絕對值，所以需要一個新的cost function，而RankNet基本就是在定義這個cost function，它可以兼容不同的算法（GBDT、神經網絡...）。
實際的搜索排序使用的是LambdaMART算法，必須指出的是由于這里要使用排序需要的cost function，LambdaMART迭代用的并不是殘差。Lambda在這里充當替代殘差的計算方法，它使用了一種類似Gradient*步長模擬殘差的方法。
就像所有的機器學習一樣，搜索排序的學習也需要訓練集，這里一般是用人工標注實現，即對每一個(query,doc) pair給定一個分值（如1,2,3,4）,分值越高表示越相關，越應該排到前面。然而這些絕對的分值本身意義不大，例如你很難說1分和2分文檔的相關程度差異是1分和3分文檔差距的一半。相關度本身就是一個很主觀的評判，標注人員無法做到這種定量標注，這種標準也無法制定。但標注人員很容易做到的是”AB都不錯，但文檔A比文檔B更相關，所以A是4分，B是3分“。RankNet就是基于此制定了一個學習誤差衡量方法，即cost function。具體而言，RankNet對任意兩個文檔A,B，通過它們的人工標注分差，用sigmoid函數估計兩者順序和逆序的概率P1。然后同理用機器學習到的分差計算概率P2（sigmoid的好處在于它允許機器學習得到的分值是任意實數值，只要它們的分差和標準分的分差一致，P2就趨近于P1）。這時利用P1和P2求的兩者的交叉熵，該交叉熵就是cost function。它越低說明機器學得的當前排序越趨近于標注排序。為了體現NDCG的作用（NDCG是搜索排序業界最常用的評判標準），RankNet還在cost function中乘以了NDCG。
好，現在我們有了cost function，而且它是和各個文檔的當前分值yi相關的，那么雖然我們不知道它的全局最優方向，但可以求導求Gradient，Gradient即每個文檔得分的一個下降方向組成的N維向量，N為文檔個數（應該說是query-doc pair個數）。這里僅僅是把”求殘差“的邏輯替換為”求梯度“，可以這樣想：梯度方向為每一步最優方向，累加的步數多了，總能走到局部最優點，若該點恰好為全局最優點，那和用殘差的效果是一樣的。這時套到之前講的邏輯，GDBT就已經可以上了。那么最終排序怎么產生呢？很簡單，每個樣本通過Shrinkage累加都會得到一個最終得分，直接按分數從大到小排序就可以了（因為機器學習產生的是實數域的預測分，極少會出現在人工標注中常見的兩文檔分數相等的情況，幾乎不同考慮同分文檔的排序方式）
另外，如果feature個數太多，每一棵回歸樹都要耗費大量時間，這時每個分支時可以隨機抽一部分feature來遍歷求最優。
GBDT源碼剖析
如今，GBDT被廣泛運用于互聯網行業，他的原理與優點這里就不細說了，網上google一大把。但是，我自認為自己不是一個理論牛人，對GBDT的理論理解之后也做不到從理論舉一反三得到更深入的結果。但是學習一個算法，務必要深入細致才能領會到這個算法的精髓。因此，在了解了足夠的GBDT理論之后，就需要通過去閱讀其源碼來深入學習GBDT了。但是，網上有關這類資料甚少，因此，我不得不自己親自抄刀，索性自己從頭學習了一下GBDT源碼。幸好，這個算法在機器學習領域中的其它算法還是非常簡單的。這里將心得簡單分享，歡迎指正。回復本公眾號“GBDT”可下載源碼。
首先，這里需要介紹一下程序中用到的結構體，具體的每一個結構體的內容這里就不再贅述了，源碼里面都有。這里只再細說一下每個結構體的作用，當然一些重要的結構體會詳細解釋。
struct gbdt_model_t:GBDT模型的結構體，也就是最終我們訓練得到的由很多棵決策樹組成的模型。
typedef struct {
int* nodestatus; //!<
int* depth; //
int* splitid; //!<
double* splitvalue; //!<
int* ndstart; //!< 節點對應于 Index 的開始位置
int* ndcount; //!< 節點內元素的個數
double* ndavg; //!< 節點內元素的均值
//double* vpredict;
int* lson; //!< 左子樹
int* rson; //!< 右子樹
int nodesize; //!< 樹的節點個數
}gbdt_tree_t;
struct gbdt_tree_t:
當然就代表模型中的一棵樹的各種信息了。為了后面能理解，這里需要詳細解釋一下這個結構體。splitid[k]保存該棵樹的第k個結點分裂的feature下標，splitvalue[k]保存該棵樹第k個結點的分裂值，nodestatus[k]代表該棵樹的第k個結點的狀態，如果為GBDT_INTERIOR，代表該結點已分裂，如果為GBDT_TOSPLIT，代表該結點需分裂，如果為GBDT_TERMINAL表示該結點不需再分裂，一般是由于該結點的樣本數ndcount[k]少于等于一閾值gbdt_min_node_size；depth[ncur+1]代表左子樹的深度，depth[ncur+2]表示右子樹的深度，其中ncur的增長步長為2，表示每次+2都相關于跳過當前結點的左子樹和右子樹，到達下一個結點。ndstart[ncur+1]代表劃分到左子樹開始樣本的下標，ndstart[ncur+2]代表劃分到右子樹開始樣本的下標，其中到底這個下標是代表第幾個樣本是由index的一個結構保存。ndcount[ncur + 1]代表劃分到左子樹的樣本數量，ndcount[ncur + 2]代表劃分到右子樹的樣本數量。ndavg[ncur+1]代表左子樹樣本的均值，同理是右子樹樣本的均值。nodestatus[ncur+1] = GBDT_TOSPLIT表示左子樹可分裂。lson[k]=ncur+1表示第k個結點的左子樹，同理表示第k個結點的右子樹。
gbdt_info_t保存模型配置參數。
typedef struct
{
int* fea_pool; //!< 隨機 feature 候選池
double* fvalue_list; //!< 以feature i 為拉鏈的特征值 x_i
double* fv; //!< 特征值排序用的buffer版本
double* y_list; //!< 回歸的y值集合
int* order_i; //!< 排序的標號
} bufset; //!< 訓練數據池
bufset代表訓練數據池，它保存了訓練當前一棵樹所用到的一些數據。fea_pool保存了訓練數據的特征的下標，循環rand_fea_num（feature隨機采樣量）次，隨機地從fea_pool中選取特征來計算分裂的損失函數（先過的feature不會再選）。fvalue_list保存在當前選擇特征fid時，所有采樣的樣本特征fid對應的值。fv與favlue_list一樣。y_list表示采樣樣本的y值。order_i保存左子樹與右子樹結點下標。
nodeinfo代表節點的信息。
typedef struct
{
int bestid; //!< 分裂使用的Feature ID
double bestsplit; //!< 分裂邊界的x值
int pivot; //!< 分裂邊界的數據標號
} splitinfo; //!< 分裂的信息
splitinfo代表分裂的信息。pivot代表分裂點在order_i中的下標。bestsplit表示分裂值。bestid表示分裂的feature。
好了，解釋完關鍵的一些結構體，下面要看懂整個gbdt的流程就非常簡單了。這里我就簡單的從頭至尾敘述一下整個訓練的流程。
首先申請分配模型空間gbdt_model，并且計算所有樣本在每一維特征上的平均值。假如我們需要訓練infbox.tree_num棵樹，每一棵的訓練流程為：從x_fea_value中采樣gbdt_inf.sample_num個樣本，index[i]記錄了第i個結點所對應的樣本集合x_fea_value中的下標，其始終保存了訓練本棵樹的所有采樣樣本對應樣本空間的下標值，同時，結點的順序是按該棵樹所有結點按廣度優先遍歷算法遍歷的結果的。即當前樹gbdt_single_tree只有一個根結點0，其中gbdt_single_tree->nodestatus為GBDT_TOSPLIT，ndstart[0]=0，ndcount[0]=sample_num，ndavg為所有采樣樣本的y的梯度值均值。下面就是對這個結點進行分裂的過程：首先nodeinfo ninf這個結構體保存了當前分裂結點的一些信息，比如結點中樣本開始的下標（指相對于index的下標值，index指向的值才是樣本空間中該樣本的下標），樣本結束下標（同上），樣本結點數，樣本結點的y的梯度之和等。循環rand_fea_num次，隨機采樣feature，來計算在該feature分裂的信息增益,計算方式為（左子樹樣子目標值和的平方均值+右子樹目標值和的平方均值-父結點所有樣本和的平方均值）。選過的feature就不會再選中來計算信息增益了。利用data_set來保存當前分裂過程所用到的一些信息，包括候選feature池，選中feature對應的采樣樣本的特征值及其y值。data_set->order_i保存了左右子樹對應結點在樣本集合中的下標。計算每個feature的信息增益，并取最大的，保存分點信息到spinf中，包括最優分裂值，最優分裂feature。然后，將該結點小于分裂值的結點樣本下標與大于分裂值的結點樣本下標都保存在data_set->order_i中，nl記錄了order_i中右子樹開始的位置。更新index數組，將order_i中copy到index中。將nl更新到spinf中。注意index數組從左至右保存了最終分裂的左子樹與右子樹樣本對應在樣本空間的下標。
至此，我們找到了這個結點的最優分裂點。gbdt_single_tree->ndstart[1]保存了左孩子的開始下標（指相對于index的下標值，index指向的值才是樣本下標），gbdt_single_tree->ndstart[2]保存了右孩子的開始下標，即nl的值。同理，ndcount，depth等也是對就保存了左右孩子信息。gbdt_single_tree->lson[0]=1，gbdt_single_tree->lson[0]=2即表示當前結點0的左子樹是1，右子樹是2。當前結點分裂完了之后，下一次就同理廣度優先算法，對該結點的孩子繼續上述步驟。
該棵樹分裂完成之后，對每一個樣本，都用目前模型（加上分裂完成的這棵樹）計算預測值，并且更新每一個樣本的殘差y_gradient。計算過程：選取當前結點的分裂feature以及分裂值，小于則走左子樹，大于則走右子樹，直到葉子結點。預測值為shrink*該葉子結點的樣本目標值的均值。
訓練第二棵樹同理，只是訓練的樣本的目標值變成了前面模型預測結果的殘差了。這點就體現在梯度下降的尋優過程。
好了，這里只是簡單的對gbdt代碼做了說明，當然如果沒有看過本文引用的源碼，是不怎么能看懂的，如果結合源碼來看，就很容易看懂了。總之，個人感覺，只有結合原碼來學習gbdt，才真正能體會到事個模型的學習以及樹的生成過程。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的GBDT(Gradient Boosting Decision Tree的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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