data_mining:gradient_boosting [AE Wiki]

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====== Gradient Boosting ======

Grundlegendes simples Problem:

Gegeben Vektor von unabhängigen Veriablen $X = (X_1, ..., X_n)^T$ finde eine optimale Funktion $f^*(X)$, die abhängige Variable $Y$ vorhersagt.

$f^*(X)$ sollte interpretierbar sein, d.h. eine Struktur besitzen, die den Anteil jedes Beitrags eines unabhängigen Variablen erklärt.



Beispiel hierfür ist die GLM-Struktur (Generalized Linear Model (Nelder & Wedderburn):
$$f^*(X) = \beta_0 + \beta_1 X_1 + ... + \beta_n X_n$$ 
(Unterschied zu LM: Fehlerterm muss nicht normalverteilt sein, sondern kann Verteilung der exponentiellen Familie besitzen)

Beispiel für eine GAM-Struktur (Generalized Additive Model):
$$f^*(X) = \beta_0 + f_1(X_1) + ... + f_n(X_n)$$

Typische Vorgehensweise ist die ML-Schätzung um ein Regressionsmodell zu fitten.
Probleme ML-Schätzung:
  * Multikollinearität der Prädiktorvariablen (feature selection notwendig)
  * Gewöhnliche Featureselektion (univariate, forward/backward) sind instabil oder erfordern das mehrfache Fitten des Modells.

Gradient boosting wird eingesetzt, um allgemeine Arten von Risikofunktionen bzgl. einer Vorhersagefunktion $f$ zu minimieren.

Beispiele hierzu: Quadrierter Fehler in gauß'scher Regression, negative log likelihood loss function.

Boosting führt zu einer additiven Vorhersagefunktion, wie $f^*(X)=\beta_0+f_1(X_1)+...+f_p(X_p)$

Wenn Boosting bis zur Konvergenz durchgeführt wird, kann es als Alternative zu konventionellen Fittingmethoden (wie Fisher scoring, backfitting) für GAM Modelle gesehen werden.

===== Warum boosting? =====

  * Verschiedene Risikofunktionen (absoluter loss, quantile regression)
  * Feature selection während der Fitting Prozess
  * Anwendbar, wenn $p >> n$
  * Adressiert Multikollinearitätsprobleme
  * Optimiert Accuracy (bzgl. Risikofunktion).

Schätzproblem

Schätzung von $f^* := \argmin_{f(.)} E[p(Y,f(X))]$ mit $p$ als differenzierbare Loss-Funktion bzgl. einer Vorhersagefunktion $f(X)$.

Beispielhafte Loss-Funktion: Quadrierter Fehler in Gauß'scher Regression $p=(Y-f(X))^2$

Gegeben $X=(X_1, ..., X_n), Y=(Y_1,...,Y_n)$, minimiere das empirische Risiko

$$R = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n p(Y_i, f(X_i))$$

Beispiel (quadratischer Fehler): 
$$R = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n p(Y_i - f(X_i))^2$$

===== Basic idea =====

  - Generate simple regression model. 
  - Compute error residual.
  - Learn to predict residual
  - Add to initial model