XGBoost参数调优完全指南（附Python代码）
作者 | Aarshay Jain
简介
如果你的预测模型表现得有些不尽如人意，那就用XGBoost吧。XGBoost算法现在已经成为很多数据工程师的重要武器。它是一种十分精致的算法，可以处理各种不规则的数据。
构造一个使用XGBoost的模型十分简单。但是，提高这个模型的表现就有些困难(至少我觉得十分纠结)。这个算法使用了好几个参数。所以为了提高模型的表现，参数的调整十分必要。在解决实际问题的时候，有些问题是很难回答的——你需要调整哪些参数？这些参数要调到什么值，才能达到理想的输出？
这篇文章最适合刚刚接触XGBoost的人阅读。在这篇文章中，我们会学到参数调优的技巧，以及XGboost相关的一些有用的知识。以及，我们会用Python在一个数据集上实践一下这个算法。
你需要知道的
XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)是Gradient Boosting算法的一个优化的版本。因为我在前一篇文章，基于Python的Gradient Boosting算法参数调整完全指南，里面已经涵盖了Gradient Boosting算法的很多细节了。我强烈建议大家在读本篇文章之前，把那篇文章好好读一遍。它会帮助你对Boosting算法有一个宏观的理解，同时也会对GBM的参数调整有更好的体会。
特别鸣谢：我个人十分感谢Mr Sudalai Rajkumar (aka SRK)大神的支持，目前他在AV Rank中位列第二。如果没有他的帮助，就没有这篇文章。在他的帮助下，我们才能给无数的数据科学家指点迷津。给他一个大大的赞！
内容列表
XGBoost的优势
理解XGBoost的参数
调参示例
▌XGBoost的优势
XGBoost算法可以给预测模型带来能力的提升。当我对它的表现有更多了解的时候，当我对它的高准确率背后的原理有更多了解的时候，我发现它具有很多优势：
1.1 正则化
标准GBM的实现没有像XGBoost这样的正则化步骤。正则化对减少过拟合也是有帮助的。
实际上，XGBoost以“正则化提升(regularized boosting)”技术而闻名。
1.2 并行处理
XGBoost可以实现并行处理，相比GBM有了速度的飞跃。
不过，众所周知，Boosting算法是顺序处理的，它怎么可能并行呢？每一棵树的构造都依赖于前一棵树，那具体是什么让我们能用多核处理器去构造一个树呢？我希望你理解了这句话的意思。如果你希望了解更多，点击这个链接。
http://zhanpengfang.github.io/418home.html
XGBoost 也支持Hadoop实现。
1.3 高度的灵活性
XGBoost 允许用户定义自定义优化目标和评价标准。
它对模型增加了一个全新的维度，所以我们的处理不会受到任何限制。
1.4 缺失值处理
XGBoost内置处理缺失值的规则。
用户需要提供一个和其它样本不同的值，然后把它作为一个参数传进去，以此来作为缺失值的取值。XGBoost在不同节点遇到缺失值时采用不同的处理方法，并且会学习未来遇到缺失值时的处理方法。
1.5 剪枝
当分裂时遇到一个负损失时，GBM会停止分裂。因此GBM实际上是一个贪心算法。
XGBoost会一直分裂到指定的最大深度(max_depth)，然后回过头来剪枝。如果某个节点之后不再有正值，它会去除这个分裂。
这种做法的优点，当一个负损失（如-2）后面有个正损失（如+10）的时候，就显现出来了。GBM会在-2处停下来，因为它遇到了一个负值。但是XGBoost会继续分裂，然后发现这两个分裂综合起来会得到+8，因此会保留这两个分裂。
1.6 内置交叉验证
XGBoost允许在每一轮boosting迭代中使用交叉验证。因此，可以方便地获得最优boosting迭代次数。
而GBM使用网格搜索，只能检测有限个值。
1.7 在已有的模型基础上继续
XGBoost可以在上一轮的结果上继续训练。这个特性在某些特定的应用上是一个巨大的优势。
sklearn中的GBM的实现也有这个功能，两种算法在这一点上是一致的。
相信你已经对XGBoost强大的功能有了点概念。注意这是我自己总结出来的几点，你如果有更多的想法，尽管在下面评论指出，我会更新这个列表的！
你的胃口被我吊起来了吗？棒棒哒！如果你想更深入了解相关信息，可以参考下面这些文章：
XGBoost Guide - Introduce to Boosted Trees
http://xgboost.readthedocs.org/en/latest/model.html
Words from the Auther of XGBoost [Viedo]
https://www.youtube.com/watch?v=X47SGnTMZIU
▌理解XGBoost的参数
XGBoost的作者把所有的参数分成了三类：
通用参数：宏观函数控制。
Booster参数：控制每一步的booster(tree/regression)。
学习目标参数：控制训练目标的表现。
在这里我会类比GBM来讲解，所以作为一种基础知识，强烈推荐先阅读这篇文章。
https://www.analyticsvidhya.com/blog/2016/02/complete-guide-parameter-tuning-gradient-boosting-gbm-python/
1.通用参数
这些参数用来控制XGBoost的宏观功能。
booster[默认gbtree]
选择每次迭代的模型，有两种选择： gbtree：基于树的模型；gbliner：线性模型
silent[默认0]
当这个参数值为1时，静默模式开启，不会输出任何信息。
一般这个参数就保持默认的0，因为这样能帮我们更好地理解模型。
nthread[默认值为最大可能的线程数]
这个参数用来进行多线程控制，应当输入系统的核数。
如果你希望使用CPU全部的核，那就不要输入这个参数，算法会自动检测它。
还有两个参数，XGBoost会自动设置，目前你不用管它。接下来咱们一起看booster参数。
2.booster参数
尽管有两种booster可供选择，我这里只介绍tree booster，因为它的表现远远胜过linear booster，所以linear booster很少用到。
1. eta[默认0.3]
和GBM中的 learning rate 参数类似。
通过减少每一步的权重，可以提高模型的鲁棒性。
典型值为0.01-0.2。
2. min_child_weight[默认1]
决定最小叶子节点样本权重和。
和GBM的 min_child_leaf 参数类似，但不完全一样。XGBoost的这个参数是最小样本权重的和，而GBM参数是最小样本总数。
这个参数用于避免过拟合。当它的值较大时，可以避免模型学习到局部的特殊样本。
但是如果这个值过高，会导致欠拟合。这个参数需要使用CV来调整。
3. max_depth[默认6]
和GBM中的参数相同，这个值为树的最大深度。
这个值也是用来避免过拟合的。max_depth越大，模型会学到更具体更局部的样本。
需要使用CV函数来进行调优。
典型值：3-10
4. max_leaf_nodes
树上最大的节点或叶子的数量。
可以替代max_depth的作用。因为如果生成的是二叉树，一个深度为n的树最多生成
如果定义了这个参数，GBM会忽略max_depth参数。
5. gamma[默认0]
在节点分裂时，只有分裂后损失函数的值下降了，才会分裂这个节点。Gamma指定了节点分裂所需的最小损失函数下降值。
这个参数的值越大，算法越保守。这个参数的值和损失函数息息相关，所以是需要调整的。
6. max_delta_step[默认0]
这参数限制每棵树权重改变的最大步长。如果这个参数的值为0，那就意味着没有约束。如果它被赋予了某个正值，那么它会让这个算法更加保守。
通常，这个参数不需要设置。但是当各类别的样本十分不平衡时，它对逻辑回归是很有帮助的。
这个参数一般用不到，但是你可以挖掘出来它更多的用处。
7. subsample[默认1]
和GBM中的subsample参数一模一样。这个参数控制对于每棵树，随机采样的比例。
减小这个参数的值，算法会更加保守，避免过拟合。但是，如果这个值设置得过小，它可能会导致欠拟合。
典型值：0.5-1
8. colsample_bytree[默认1]
和GBM里面的max_features参数类似。用来控制每棵随机采样的列数的占比(每一列是一个特征)。
典型值：0.5-1
9. colsample_bylevel[默认1]
用来控制树的每一级的每一次分裂，对列数的采样的占比。
我个人一般不太用这个参数，因为subsample参数和colsample_bytree参数可以起到相同的作用。但是如果感兴趣，可以挖掘这个参数更多的用处。
10. lambda[默认1]
权重的L2正则化项。(和Ridge regression类似)。
这个参数是用来控制XGBoost的正则化部分的。虽然大部分数据科学家很少用到这个参数，但是这个参数在减少过拟合上还是可以挖掘出更多用处的。
11. alpha[默认0]
权重的L1正则化项。(和Lasso regression类似)。
可以应用在很高维度的情况下，使得算法的速度更快。
12. scale_pos_weight[默认1]
在各类别样本十分不平衡时，把这个参数设定为一个正值，可以使算法更快收敛。
3.学习目标参数
这个参数用来控制理想的优化目标和每一步结果的度量方法。
1. objective[默认reg:linear]
这个参数定义需要被最小化的损失函数。最常用的值有：
binary:logistic 二分类的逻辑回归，返回预测的概率(不是类别)。
multi:softmax 使用softmax的多分类器，返回预测的类别(不是概率)。
在这种情况下，你还需要多设一个参数：num_class(类别数目)。
multi:softprob 和multi:softmax参数一样，但是返回的是每个数据属于各个类别的概率。
2. eval_metric[默认值取决于objective参数的取值]
对于有效数据的度量方法。
对于回归问题，默认值是rmse，对于分类问题，默认值是error。
典型值有：
rmse 均方根误差（
） mae 平均绝对误差（
） logloss 负对数似然函数值
error 二分类错误率(阈值为0.5)
merror 多分类错误率
mlogloss 多分类logloss损失函数
auc 曲线下面积
3. seed(默认0)
随机数的种子
设置它可以复现随机数据的结果，也可以用于调整参数
如果你之前用的是Scikit-learn,你可能不太熟悉这些参数。但是有个好消息，python的XGBoost模块有一个sklearn包，XGBClassifier。这个包中的参数是按sklearn风格命名的。会改变的函数名是：
eta -> learning_rate
lambda -> reg_lambda
alpha -> reg_alpha
你肯定在疑惑为啥咱们没有介绍和GBM中的n_estimators类似的参数。XGBClassifier中确实有一个类似的参数，但是，是在标准XGBoost实现中调用拟合函数时，把它作为num_boosting_rounds参数传入。
XGBoost Guide 的一些部分是我强烈推荐大家阅读的，通过它可以对代码和参数有一个更好的了解：
XGBoost Parameters (official guide)
http://xgboost.readthedocs.org/en/latest/parameter.html#general-parameters
XGBoost Demo Codes (xgboost GitHub repository)
https://github.com/dmlc/xgboost/tree/master/demo/guide-pythonPython
API Reference (official guide)
http://xgboost.readthedocs.org/en/latest/python/python_api.html
▌调参示例
我们从Data Hackathon 3.x AV版的hackathon中获得数据集，和GBM 介绍文章中是一样的。更多的细节可以参考competition page
数据集可以从这里下载。我已经对这些数据进行了一些处理：
City变量，因为类别太多，所以删掉了一些类别。
DOB变量换算成年龄，并删除了一些数据。
增加了 EMI_Loan_Submitted_Missing 变量。如果EMI_Loan_Submitted变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的EMI_Loan_Submitted变量。
EmployerName变量，因为类别太多，所以删掉了一些类别。
因为Existing_EMI变量只有111个值缺失，所以缺失值补充为中位数0。
增加了 Interest_Rate_Missing 变量。如果Interest_Rate变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的Interest_Rate变量。
删除了Lead_Creation_Date，从直觉上这个特征就对最终结果没什么帮助。
Loan_Amount_Applied, Loan_Tenure_Applied 两个变量的缺项用中位数补足。
增加了 Loan_Amount_Submitted_Missing 变量。如果Loan_Amount_Submitted变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的Loan_Amount_Submitted变量。
增加了 Loan_Tenure_Submitted_Missing 变量。如果 Loan_Tenure_Submitted 变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的Loan_Tenure_Submitted 变量。
删除了LoggedIn, Salary_Account 两个变量
增加了 Processing_Fee_Missing 变量。如果 Processing_Fee 变量的数据缺失，则这个参数的值为1。否则为0。删除了原先的 Processing_Fee变量。
Source前两位不变，其它分成不同的类别。
进行了离散化和独热编码(一位有效编码)。
如果你有原始数据，可以从资源库里面下载data_preparation的Ipython notebook 文件，然后自己过一遍这些步骤。
首先，import必要的库，然后加载数据。
注意我import了两种XGBoost：
xgb - 直接引用xgboost。接下来会用到其中的“cv”函数。
XGBClassifier - 是xgboost的sklearn包。这个包允许我们像GBM一样使用Grid Search 和并行处理。
在向下进行之前，我们先定义一个函数，它可以帮助我们建立XGBoost models 并进行交叉验证。好消息是你可以直接用下面的函数，以后再自己的models中也可以使用它。
这个函数和GBM中使用的有些许不同。不过本文章的重点是讲解重要的概念，而不是写代码。如果哪里有不理解的地方，请在下面评论，不要有压力。注意xgboost的sklearn包没有“feature_importance”这个量度，但是get_fscore()函数有相同的功能。
参数调优的一般方法
我们会使用和GBM中相似的方法。需要进行如下步骤：
选择较高的学习速率(learning rate)。一般情况下，学习速率的值为0.1。但是，对于不同的问题，理想的学习速率有时候会在0.05到0.3之间波动。选择对应于此学习速率的理想决策树数量。XGBoost有一个很有用的函数“cv”，这个函数可以在每一次迭代中使用交叉验证，并返回理想的决策树数量。
对于给定的学习速率和决策树数量，进行决策树特定参数调优(max_depth, min_child_weight, gamma, subsample, colsample_bytree)。在确定一棵树的过程中，我们可以选择不同的参数，待会儿我会举例说明。
xgboost的正则化参数的调优。(lambda, alpha)。这些参数可以降低模型的复杂度，从而提高模型的表现。
降低学习速率，确定理想参数。
咱们一起详细地一步步进行这些操作。
▌第一步：确定学习速率和tree_based 参数调优的估计器数目
为了确定boosting参数，我们要先给其它参数一个初始值。咱们先按如下方法取值：
max_depth = 5 :这个参数的取值最好在3-10之间。我选的起始值为5，但是你也可以选择其它的值。起始值在4-6之间都是不错的选择。
min_child_weight = 1:在这里选了一个比较小的值，因为这是一个极不平衡的分类问题。因此，某些叶子节点下的值会比较小。
gamma = 0: 起始值也可以选其它比较小的值，在0.1到0.2之间就可以。这个参数后继也是要调整的。
subsample, colsample_bytree = 0.8: 这个是最常见的初始值了。典型值的范围在0.5-0.9之间。
scale_pos_weight = 1: 这个值是因为类别十分不平衡。
注意哦，上面这些参数的值只是一个初始的估计值，后继需要调优。这里把学习速率就设成默认的0.1。然后用xgboost中的cv函数来确定最佳的决策树数量。前文中的函数可以完成这个工作。
从输出结果可以看出，在学习速率为0.1时，理想的决策树数目是140。这个数字对你而言可能比较高，当然这也取决于你的系统的性能。
注意：在AUC(test)这里你可以看到测试集的AUC值。但是如果你在自己的系统上运行这些命令，并不会出现这个值。因为数据并不公开。这里提供的值仅供参考。生成这个值的代码部分已经被删掉了。
▌第二步： max_depth 和 min_weight 参数调优
我们先对这两个参数调优，是因为它们对最终结果有很大的影响。首先，我们先大范围地粗调参数，然后再小范围地微调。
注意：在这一节我会进行高负荷的栅格搜索(grid search)，这个过程大约需要15-30分钟甚至更久，具体取决于你系统的性能。你也可以根据自己系统的性能选择不同的值。
至此，我们对于数值进行了较大跨度的12中不同的排列组合，可以看出理想的max_depth值为5，理想的min_child_weight值为5。在这个值附近我们可以再进一步调整，来找出理想值。我们把上下范围各拓展1，因为之前我们进行组合的时候，参数调整的步长是2。
至此，我们得到max_depth的理想取值为4，min_child_weight的理想取值为6。同时，我们还能看到cv的得分有了小小一点提高。需要注意的一点是，随着模型表现的提升，进一步提升的难度是指数级上升的，尤其是你的表现已经接近完美的时候。当然啦，你会发现，虽然min_child_weight的理想取值是6，但是我们还没尝试过大于6的取值。像下面这样，就可以尝试其它值。
我们可以看出，6确确实实是理想的取值了。
▌第三步：gamma参数调优
在已经调整好其它参数的基础上，我们可以进行gamma参数的调优了。Gamma参数取值范围可以很大，我这里把取值范围设置为5了。你其实也可以取更精确的gamma值。
从这里可以看出来，我们在第一步调参时设置的初始gamma值就是比较合适的。也就是说，理想的gamma值为0。在这个过程开始之前，最好重新调整boosting回合，因为参数都有变化。
从这里，可以看出，得分提高了。所以最终得到的参数是：
▌第四步：调整subsample 和 colsample_bytree 参数
下一步是尝试不同的subsample 和 colsample_bytree 参数。我们分两个阶段来进行这个步骤。这两个步骤都取0.6,0.7,0.8,0.9作为起始值。
从这里可以看出来，subsample 和 colsample_bytree 参数的理想取值都是0.8。现在，我们以0.05为步长，在这个值附近尝试取值。
我们得到的理想取值还是原来的值。因此，最终的理想取值是:
subsample: 0.8
colsample_bytree: 0.8
▌第五步：正则化参数调优
下一步是应用正则化来降低过拟合。由于gamma函数提供了一种更加有效地降低过拟合的方法，大部分人很少会用到这个参数。但是我们在这里也可以尝试用一下这个参数。我会在这里调整’reg_alpha’参数，然后’reg_lambda’参数留给你来完成。
我们可以看到，相比之前的结果，CV的得分甚至还降低了。但是我们之前使用的取值是十分粗糙的，我们在这里选取一个比较靠近理想值(0.01)的取值，来看看是否有更好的表现。
可以看到，CV的得分提高了。现在，我们在模型中来使用正则化参数，来看看这个参数的影响。
然后我们发现性能有了小幅度提高。
▌第6步：降低学习速率
最后，我们使用较低的学习速率，以及使用更多的决策树。我们可以用XGBoost中的CV函数来进行这一步工作。
至此，你可以看到模型的表现有了大幅提升，调整每个参数带来的影响也更加清楚了。
在文章的末尾，我想分享两个重要的思想：
仅仅靠参数的调整和模型的小幅优化，想要让模型的表现有个大幅度提升是不可能的。GBM的最高得分是0.8487，XGBoost的最高得分是0.8494。确实是有一定的提升，但是没有达到质的飞跃。
要想让模型的表现有一个质的飞跃，需要依靠其他的手段，诸如，特征工程(feature egineering) ，模型组合(ensemble of model),以及堆叠(stacking)等。
你可以从 这里 下载iPython notebook文件，里面包含了文章中提到的所有代码。如果你使用R语言，请阅读这篇文章。
结束语
这篇文章主要讲了如何提升XGBoost模型的表现。首先，我们介绍了相比于GBM，为何XGBoost可以取得这么好的表现。紧接着，我们介绍了每个参数的细节。我们定义了一个可以重复使用的构造模型的函数。
最后，我们讨论了使用XGBoost解决问题的一般方法，在AV Data Hackathon 3.x problem数据上实践了这些方法。
希望看过这篇文章之后，你能有所收获，下次使用XGBoost解决问题的时候可以更有信心哦~
翻译 | @MOLLY &&寒小阳 (hanxiaoyang.ml@gmail.com)
译文地址
http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/52665396
原文地址
https://www.analyticsvidhya.com/blog/2016/03/complete-guide-parameter-tuning-xgboost-with-codes-python/
开课啦开课啦：
AI100学院特请在机器学习领域深耕10余年的中科院副教授冒老师带来干货课程——《XGBoost从基础到实战》，从XGBoost的原理讲解到代码实战，一步步带领大家从XGBoost的安装到一行行Python代码实现各类算法任务，不需要有很强的数学基础，直接从实战入手。通过4节XGBoost的专题课程，大家可以零基础理解XGBoost原理，掌握XGBoost调参，并能融会贯通地学习其他机器学习算法，学习如何用机器学习算法解决实际问题。如果你足够优秀，还能进击Kaggle竞赛哦。