分類器集成，其實就是集成學習，通過構建並結合多個學習器來完成學習任務。一般結構是：先產生一組“個體學習器”，再用某種策略將它們結合起來。結合策略主要有平均法、投票法和學習法等。
基本介紹
- 中文名：分類器集成
- 外文名：Classifier ensemble
- 學科：機器學習
- 又稱：集成學習
- 基本釋義：構建並結合多個學習器來完成學習
- 領域：人工智慧
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集成學習
集成學習(ensemble learning)通過構建並結合多個學習器來完成學習任務，有時也被稱為多分類器系統(multi-classifier system)、基於委員會的學習(committee-based learning)。
圖1 集成學習示意圖圖1顯示出集成學習的一般結構：先產生一組“個體學習器”，再用某種策略將它們結合起來。個體學習器通常由一個現有的學習算法從訓練數據中產生，例如C4.5決策算法、BP神經網路算法等，此時集成中只包含同種類型的個體學習器，例如“決策樹集成”中全是決策樹，“神經網路集成”中全是神經網路，這樣的集成是“同質”的。同質集成中的個體學習器亦稱為“基學習器”。相應的學習算法稱為“基學習算法”。集成也可包含不同類型的個體學習器，例如，同時包含決策樹和神經網路，這樣的集成稱為“異質”的。異質集成中的個體學習器由不同的學習算法生成，這時就不再有基學習算法，常稱為“組件學習器”或直接稱為個體學習器。
集成學習通過將多個學習器進行結合，常可獲得比單一學習器更加顯著的泛化性能。這對“弱學習器”尤為明顯。因此集成學習的理論研究都是針對弱學習器進行的，而基學習器有時也被直接稱為弱學習器。但需注意的是，雖然從理論上說使用弱學習器集成足以獲得很好的性能，但在實踐中出於種種考慮，例如希望使用較少的個體學習器，或是重用一些常見學習器的一些經驗等，人們往往會使用比較強的學習器。
在一般經驗中，如果把好壞不等的東西摻到一起，那么通常結果會是比最壞的要好些，比最好的要壞一些。集成學習把多個學習器結合起來，如何能得到比最好的單一學習器更好的性能呢？
分類器集成示例
考慮一個簡單的例子：在二分類任務中，假定三個分類器在三個測試樣本的表現如圖2，其中，√ 表示分類正確，× 表示分類錯誤，集成學習的結果通過投票法產生，即“少數服從多數”。在圖2(a)中，每個分類器只有66.6%的精度，但集成學習卻達到了100%；在圖2(b)中，三個分類器沒有差別，集成之後性能沒有提高；在圖2(c)中，每個分類器只有33.3%的精度，集成學習變得更糟。這個例子顯示出，要想獲得好的集成，個體學習器應“好而不同”，即個體學習器要有一定的“準確性”，即學習器不能太壞，並且要有“多樣性”，即學習器間具有差異。
圖2 集成個體應“好而不同”（hi表示第i個分類器)分析：
考慮二分類問題
和真實函式 f ，假定基分類器的錯誤率為
，即對每個基分類器
有：
然而我們必須注意到，上面的分析中有一個關鍵性的假設：基學習器的誤差相互獨立。在現實任務中，個體學習器是為解決同一個問題訓練出來的，它們顯然不可能獨立。事實上，個體學習器的“準確性”和“多樣性”本身就存在著衝突。一般的，準確性很高之後，要增加多樣性就必須犧牲準確性。
事實上，如何產生並結合“好而不同”的個體學習器，恰恰是集成學習研究的核心。
結合策略
平均法
對於數值類的回歸預測問題，通常使用的結合策略是平均法，也就是說，對於若干和弱學習器的輸出進行平均得到最終的預測輸出。
最簡單的平均是算術平均，也就是說最終預測是
如果每個個體學習器有一個權重
，則最終預測是
投票法
對於分類問題的預測，我們通常使用的是投票法。假設我們的預測類別是
，對於任意一個預測樣本x，我們的T個弱學習器的預測結果分別是
。
最簡單的投票法是相對多數投票法，也就是我們常說的少數服從多數，也就是T個弱學習器的對樣本x的預測結果中，數量最多的類別
為最終的分類類別。如果不止一個類別獲得最高票，則隨機選擇一個做最終類別。
稍微複雜的投票法是絕對多數投票法，也就是我們常說的要票過半數。在相對多數投票法的基礎上，不光要求獲得最高票，還要求票過半數。否則會拒絕預測。
更加複雜的是加權投票法，和加權平均法一樣，每個弱學習器的分類票數要乘以一個權重，最終將各個類別的加權票數求和，最大的值對應的類別為最終類別。
學習法
對弱學習器的結果做平均或者投票，相對比較簡單，但是可能學習誤差較大，於是就有了學習法這種方法。對於學習法，代表方法是stacking，當使用stacking的結合策略時， 我們不是對弱學習器的結果做簡單的邏輯處理，而是再加上一層學習器，也就是說，我們將訓練集弱學習器的學習結果作為輸入，將訓練集的輸出作為輸出，重新訓練一個學習器來得到最終結果。
在這種情況下，我們將弱學習器稱為初級學習器，將用於結合的學習器稱為次級學習器。對於測試集，我們首先用初級學習器預測一次，得到次級學習器的輸入樣本，再用次級學習器預測一次，得到最終的預測結果。
