10大機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)缺點(diǎn)詳解

來源：Abner說AI

1.邏輯回歸

二項(xiàng)logistic回歸模型是一種分類模型，由條件概率分布 P(Y|X)表示，形式為參數(shù)化的logistic分布。這里隨機(jī)變量X取值為實(shí)數(shù)，隨機(jī)變量Y取值為1或0。可以通過有監(jiān)督的方法來估計(jì)模型參數(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 計(jì)算代價(jià)不高，易于理解和實(shí)現(xiàn)；

2. 適用于需要得到有分類概率額場景；

3.對(duì)小數(shù)據(jù)噪聲的魯棒性好，不會(huì)收輕微的多重共線性的影響。

缺點(diǎn)：

1. 容易欠擬合，分類精度可能不高；

2.數(shù)據(jù)有缺失和特征很大的時(shí)候表現(xiàn)不好 。

2.支持向量機(jī)

對(duì)于兩類線性可分學(xué)習(xí)任務(wù)，SVM找到一個(gè)間隔最大的超平面將兩類樣本分開，最大間隔能夠保證該超平面具有最好的泛化能力。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 可以解決小樣本情況下的ML問題；

2. 可以提高泛化性能；

3. 可以解決高維問題，避免維數(shù)災(zāi)難；

4. 可以解決非線性問題；

5. 可以避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)選擇和局部極小點(diǎn)問題；

參數(shù)C和g的選擇對(duì)分類性能的影響：

C是懲罰系數(shù)，C越大，交叉validation高，容易過學(xué)習(xí)；

g是核函數(shù) 的到達(dá)0的速率，g越小，函數(shù)下降快，交叉validation高，也容易造成過學(xué)習(xí)。

缺點(diǎn)：

1. 對(duì)缺失數(shù)據(jù)敏感；

2. 對(duì)非線性問題沒有通用解決方案，必須謹(jǐn)慎選擇kernel function來處理。

SVM算法的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1) 解決高維特征的分類問題和回歸問題很有效,在特征維度大于樣本數(shù)時(shí)依然有很好的效果。

2) 僅僅使用一部分支持向量來做超平面的決策，無需依賴全部數(shù)據(jù)。

3) 有大量的核函數(shù)可以使用，從而可以很靈活的來解決各種非線性的分類回歸問題。

4)樣本量不是海量數(shù)據(jù)的時(shí)候，分類準(zhǔn)確率高，泛化能力強(qiáng)。

SVM算法的主要缺點(diǎn)有：

1) 如果特征維度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣本數(shù)，則SVM表現(xiàn)一般。

2) SVM在樣本量非常大，核函數(shù)映射維度非常高時(shí)，計(jì)算量過大，不太適合使用。（不適用于大數(shù)據(jù)集）

3）非線性問題的核函數(shù)的選擇沒有通用標(biāo)準(zhǔn)，難以選擇一個(gè)合適的核函數(shù)。

4）SVM對(duì)缺失數(shù)據(jù)敏感。

1）一般推薦在做訓(xùn)練之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，當(dāng)然測試集中的數(shù)據(jù)也需要?dú)w一化。

2）在特征數(shù)非常多的情況下，或者樣本數(shù)遠(yuǎn)小于特征數(shù)的時(shí)候，使用線性核，效果已經(jīng)很好，并且只需要選擇懲罰系數(shù)C即可。

3）在選擇核函數(shù)時(shí)，如果線性擬合不好，一般推薦使用默認(rèn)的高斯核'rbf'。這時(shí)我們主要需要對(duì)懲罰系數(shù)C和核函數(shù)參數(shù)γ進(jìn)行艱苦的調(diào)參，通過多輪的交叉驗(yàn)證選擇合適的懲罰系數(shù)C和核函數(shù)參數(shù)γ。

4）理論上高斯核不會(huì)比線性核差，但是這個(gè)理論卻建立在要花費(fèi)更多的時(shí)間來調(diào)參上。所以實(shí)際上能用線性核解決問題我們盡量使用線性核。

3.決策樹

一種啟發(fā)式算法，核心是在決策樹各個(gè)節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用信息增益 等準(zhǔn)則來選取特征，進(jìn)而遞歸地構(gòu)造決策樹。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 計(jì)算復(fù)雜度不高，易于理解和解釋，可以理解決策樹所表達(dá)的意義；

2. 數(shù)據(jù)預(yù)處理階段比較簡單，且可以處理缺失數(shù)據(jù)；

3. 能夠同時(shí)處理數(shù)據(jù)型和分類型屬性，且可對(duì)有許多屬性的數(shù)據(jù)集構(gòu)造決策樹；

4. 是一個(gè)白盒模型，給定一個(gè)觀察模型，則根據(jù)所產(chǎn)生的決策樹很容易推斷出相應(yīng)的邏輯表達(dá)式；

5. 在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)集合做出可行且效果良好的分類結(jié)果。

6. 可以對(duì)有許多屬性的數(shù)據(jù)集構(gòu)造決策樹。

缺點(diǎn)：

1. 對(duì)于那些各類別樣本數(shù)目不一致的數(shù)據(jù)，信息增益的結(jié)果偏向于那些具有更多數(shù)值的屬性；

2. 對(duì)噪聲數(shù)據(jù)較為敏感；

3. 容易出現(xiàn)過擬合問題；

4. 忽略了數(shù)據(jù)集中屬性之間的相關(guān)性；

5.處理缺失數(shù)據(jù)時(shí)的困難

決策樹優(yōu)點(diǎn)：

1）簡單直觀，生成的決策樹很直觀。

2）基本不需要預(yù)處理，不需要提前歸一化，處理缺失值。

3）使用決策樹預(yù)測的代價(jià)是O(log_2m)。m為樣本數(shù)。

4）既可以處理離散值也可以處理連續(xù)值。很多算法只是專注于離散值或者連續(xù)值。

5）可以處理多維度輸出的分類問題。

6）相比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之類的黑盒分類模型，決策樹在邏輯上可以得到很好的解釋

7）可以交叉驗(yàn)證的剪枝來選擇模型，從而提高泛化能力。

8）對(duì)于異常點(diǎn)的容錯(cuò)能力好，健壯性高。

決策樹算法的缺點(diǎn):

1）決策樹算法非常容易過擬合，導(dǎo)致泛化能力不強(qiáng)。可以通過設(shè)置節(jié)點(diǎn)最少樣本數(shù)量和限制決策樹深度來改進(jìn)。

2）決策樹會(huì)因?yàn)闃颖景l(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)的改動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致樹結(jié)構(gòu)的劇烈改變。這個(gè)可以通過集成學(xué)習(xí)之類的方法解決。

3）尋找最優(yōu)的決策樹是一個(gè)NP難的問題，我們一般是通過啟發(fā)式方法，容易陷入局部最優(yōu)?？梢酝ㄟ^集成學(xué)習(xí)之類的方法來改善。

4）有些比較復(fù)雜的關(guān)系，決策樹很難學(xué)習(xí)，比如異或。這個(gè)就沒有辦法了，一般這種關(guān)系可以換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法來解決。

5）如果某些特征的樣本比例過大，生成決策樹容易偏向于這些特征。這個(gè)可以通過調(diào)節(jié)樣本權(quán)重來改善。

4.KNN算法

一種惰性分類方法，從訓(xùn)練集中找出k個(gè)最接近測試對(duì)象的訓(xùn)練對(duì)象，再從這k個(gè)訓(xùn)練對(duì)象中找出居于主導(dǎo)的類別，將其賦給測試對(duì)象。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 簡單有效，容易理解和實(shí)現(xiàn)；

2. 重新訓(xùn)練的代價(jià)較低（類別體系的變化和訓(xùn)練集的變化）；

3. 計(jì)算時(shí)間和空間線性于訓(xùn)練集的規(guī)模；

4. 錯(cuò)誤率漸進(jìn)收斂于貝葉斯錯(cuò)誤率，可作為貝葉斯的近似；

5. 適合處理多模分類和多標(biāo)簽分類問題；

6. 對(duì)于類域的交叉或重疊較多的待分類樣本集較為適合。

缺點(diǎn)：

1. 是懶散學(xué)習(xí)方法，比一些積極學(xué)習(xí)的算法要慢；

2. 計(jì)算量比較大，需對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行剪輯；

3. 對(duì)于樣本不平衡的數(shù)據(jù)集效果不佳，可采用加權(quán)投票法改進(jìn)；

4. k值的選擇對(duì)分類效果有很大影響，較小的話對(duì)噪聲敏感，需估計(jì)最佳k值；

5.可解釋性不強(qiáng)，計(jì)算量大。

KNN的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1） 理論成熟，思想簡單，既可以用來做分類也可以用來做回歸；

2） 可用于非線性分類；

3） 訓(xùn)練時(shí)間復(fù)雜度 比支持向量機(jī)之類的算法低，僅為O(n)；

4） 和樸素貝葉斯之類的算法比，對(duì)數(shù)據(jù)沒有假設(shè)，準(zhǔn)確度高，對(duì)異常點(diǎn)不敏感；

5） 由于KNN方法主要靠周圍有限的鄰近的樣本，而不是靠判別類域的方法來確定所屬類別的，因此對(duì)于類域的 交叉或重疊較多的待分樣本集來說，KNN方法較其他方法更為適合；

6）該算法比較適用于樣本容量比較大的類域的自動(dòng)分類，而那些樣本容量較小的類域采用這種算法比較容易產(chǎn)生誤分。

KNN的主要缺點(diǎn)有：

1）計(jì)算量大，尤其是特征數(shù)非常多的時(shí)候；

2）樣本不平衡的時(shí)候，對(duì)稀有類別的預(yù)測準(zhǔn)確率低；

3）KD樹，球樹之類的模型建立需要大量的內(nèi)存；

4）使用懶散學(xué)習(xí)方法，基本上不學(xué)習(xí)，導(dǎo)致預(yù)測時(shí)速度比起邏輯回歸之類的算法慢；

5）相比決策樹模型，KNN模型可解釋性不強(qiáng)。

5.樸素貝葉斯算法

貝葉斯分類器的分類原理是利用各個(gè)類別的先驗(yàn)概率，再利用貝葉斯公式及獨(dú)立性假設(shè)計(jì)算出屬性的類別概率以及對(duì)象的后驗(yàn)概率，即該對(duì)象屬于某一類的概率，選擇具有最大后驗(yàn)概率的類作為該對(duì)象所屬的類別。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)，分類效率穩(wěn)定，容易解釋；

2. 所需估計(jì)的參數(shù)很少，對(duì)缺失數(shù)據(jù)不太敏感；

3. 無需復(fù)雜的迭代求解框架，適用于規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)集。

缺點(diǎn)：

1. 屬性之間的獨(dú)立性假設(shè)往往不成立（可考慮用聚類算法先將相關(guān)性較大的屬性進(jìn)行聚類）；

2. 需要知道先驗(yàn)概率，分類決策存在錯(cuò)誤率。

樸素貝葉斯的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1）樸素貝葉斯模型發(fā)源于古典數(shù)學(xué)理論，有穩(wěn)定的分類效率。

2）對(duì)小規(guī)模的數(shù)據(jù)表現(xiàn)很好，能個(gè)處理多分類任務(wù)，適合增量式訓(xùn)練，尤其是數(shù)據(jù)量超出內(nèi)存時(shí)，我們可以一批批的去增量訓(xùn)練。

3）對(duì)缺失數(shù)據(jù)不太敏感，算法也比較簡單，常用于文本分類。

樸素貝葉斯的主要缺點(diǎn)有：　　　

1） 理論上，樸素貝葉斯模型與其他分類方法相比具有最小的誤差率。但是實(shí)際上并非總是如此，這是因?yàn)闃闼刎惾~斯模型給定輸出類別的情況下,假設(shè)屬性之間相互獨(dú)立，這個(gè)假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用中往往是不成立的，在屬性個(gè)數(shù)比較多或者屬性之間相關(guān)性較大時(shí)，分類效果不好。而在屬性相關(guān)性較小時(shí)，樸素貝葉斯性能最為良好。對(duì)于這一點(diǎn)，有半樸素貝葉斯之類的算法通過考慮部分關(guān)聯(lián)性適度改進(jìn)。

2）需要知道先驗(yàn)概率，且先驗(yàn)概率很多時(shí)候取決于假設(shè)，假設(shè)的模型可以有很多種，因此在某些時(shí)候會(huì)由于假設(shè)的先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑驅(qū)е骂A(yù)測效果不佳。

3）由于我們是通過先驗(yàn)和數(shù)據(jù)來決定后驗(yàn)的概率從而決定分類，所以分類決策存在一定的錯(cuò)誤率。

4）對(duì)輸入數(shù)據(jù)的表達(dá)形式很敏感。

6.隨機(jī)森林算法

RF的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1） 訓(xùn)練可以高度并行化，對(duì)于大數(shù)據(jù)時(shí)代的大樣本訓(xùn)練速度有優(yōu)勢。最主要的優(yōu)點(diǎn)。

2） 由于可以隨機(jī)選擇決策樹節(jié)點(diǎn)劃分特征，這樣在樣本特征維度很高的時(shí)候，仍然能高效的訓(xùn)練模型。

3） 在訓(xùn)練后，可以給出各個(gè)特征對(duì)于輸出的重要性

4） 由于采用了隨機(jī)采樣，訓(xùn)練出的模型的方差小，泛化能力強(qiáng)。

5） 相對(duì)于Boosting系列的Adaboost和GBDT， RF實(shí)現(xiàn)比較簡單。

6） 對(duì)部分特征缺失不敏感。

RF的主要缺點(diǎn)有：

1）在某些噪音比較大的樣本集上，RF模型容易陷入過擬合。

2) 取值劃分比較多的特征容易對(duì)RF的決策產(chǎn)生更大的影響，從而影響擬合的模型的效果。

7.AdaBoost算法

提升方法是從弱學(xué)習(xí)算法出發(fā)，反復(fù)學(xué)習(xí)，得到一系列的弱分類器（即基本分類器），然后組合這些弱分類器，構(gòu)成一個(gè)強(qiáng)分類器，大多數(shù)的提升方法都是改變訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的概率分布（訓(xùn)練數(shù)據(jù)的權(quán)值分布），針對(duì)不同的訓(xùn)練數(shù)據(jù)分布調(diào)用弱學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)一系列的弱分類器。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 分類精度高；

2. 可以使用各種方法構(gòu)建子分類器 ，Adaboost算法提供的是框架；

3. 簡單，且不用做特征篩選；

4. 不會(huì)造成overfitting。

缺點(diǎn)：

1. 對(duì)分類錯(cuò)誤的樣本多次被分錯(cuò)而多次加權(quán)后，導(dǎo)致權(quán)重過大，影響分類器的選擇，造成退化問題；（需改進(jìn)權(quán)值更新方式）

2. 數(shù)據(jù)不平衡問題導(dǎo)致分類精度的急劇下降；

3. 算法訓(xùn)練耗時(shí)，拓展困難；

4. 存在過擬合，魯棒性不強(qiáng)等問題。

Adaboost的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1）Adaboost作為分類器時(shí)，分類精度很高

2）在Adaboost的框架下，可以使用各種回歸分類 模型來構(gòu)建弱學(xué)習(xí)器，非常靈活。

3）作為簡單的二元分類器時(shí)，構(gòu)造簡單，結(jié)果可理解。

4）不容易發(fā)生過擬合

Adaboost的主要缺點(diǎn)有：

1）對(duì)異常樣本敏感，異常樣本在迭代中可能會(huì)獲得較高的權(quán)重，影響最終的強(qiáng)學(xué)習(xí)器的預(yù)測準(zhǔn)確性。

8.GBDT

GBDT主要的優(yōu)點(diǎn)有：

1) 可以靈活處理各種類型的數(shù)據(jù)，包括連續(xù)值和離散值。

2) 在相對(duì)少的調(diào)參時(shí)間情況下，預(yù)測的準(zhǔn)確率也可以比較高。這個(gè)是相對(duì)SVM來說的。

3）使用一些健壯的損失函數(shù)，對(duì)異常值的魯棒性非常強(qiáng)。比如 Huber損失函數(shù)和Quantile損失函數(shù)。

GBDT的主要缺點(diǎn)有：

1) 由于弱學(xué)習(xí)器之間存在依賴關(guān)系，難以并行訓(xùn)練數(shù)據(jù)。不過可以通過自采樣的SGBT來達(dá)到部分并行。

9.XGBoost算法

1.XGBoost與GBDT相比，其優(yōu)勢：

將樹模型的復(fù)雜度加入到正則項(xiàng)中，來避免過擬合，因此泛化性能會(huì)優(yōu)于GBDT。

損失函數(shù)用泰勒展開式展開，同時(shí)用到了一階和二階導(dǎo)數(shù)，可以加快優(yōu)化速度。

GBDT只支持CART作為基學(xué)習(xí)器，XGBoost還支持線性分類器作為基學(xué)習(xí)器。

引進(jìn)了特征子采樣，像隨機(jī)森林那樣，既能避免過擬合，又能減少計(jì)算。

在尋找最優(yōu)分割點(diǎn)時(shí)，考慮到傳統(tǒng)的貪心算法效率較低，實(shí)現(xiàn)了一種近似貪心算法，用來加速和減少內(nèi)存小號(hào)，除此之外，還考慮了稀疏數(shù)據(jù)集合缺失值的處理。

XGBoost支持并行處理。XGBoost的并行不是模型生成的并行，而是在特征上的并行，將特征排序后以block的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，在后面迭代重復(fù)使用這個(gè)結(jié)構(gòu)。這個(gè)block也使得并行化成為了可能，其次在節(jié)點(diǎn)分裂時(shí)，計(jì)算每個(gè)特征的增益，最終選擇增益最大的那個(gè)特征去做分割，那么各個(gè)特征的增益計(jì)算就可以開多線程進(jìn)行。

2.與lightGBM相比的不足點(diǎn)：

XGBoosting采用預(yù)排序，在迭代之前，對(duì)結(jié)點(diǎn)的特征做預(yù)排序，遍歷選擇最優(yōu)分割點(diǎn)，數(shù)據(jù)量大時(shí)，貪心法耗時(shí)，LightGBM方法采用histogram算法，占用的內(nèi)存低，數(shù)據(jù)分割的復(fù)雜度更低。

XGBoosting采用level-wise生成決策樹，同時(shí)分裂同一層的葉子，從而進(jìn)行多線程優(yōu)化，不容易過擬合，但很多葉子節(jié)點(diǎn)的分裂增益較低，沒必要進(jìn)行跟進(jìn)一步的分裂，這就帶來了不必要的開銷；LightGBM采用深度優(yōu)化，leaf-wise生長策略，每次從當(dāng)前葉子中選擇增益最大的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行分裂，循環(huán)迭代，但會(huì)生長出更深的決策樹，產(chǎn)生過擬合，因此引入了一個(gè)閾值進(jìn)行限制，防止過擬合。

10.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

優(yōu)點(diǎn)：

1. 分類的準(zhǔn)確度高，并行分布處理能力強(qiáng)，分布存儲(chǔ)及學(xué)習(xí)能力強(qiáng)；

2. 對(duì)噪聲神經(jīng)有較強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)能力，能充分逼近復(fù)雜的非線性關(guān)系，具備聯(lián)想記憶的功能等。

缺點(diǎn)：

1. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、權(quán)值和閾值的初始值；

2. 不能觀察之間的學(xué)習(xí)過程，輸出結(jié)果難以解釋，會(huì)影響到結(jié)果的可信度和可接受程度；

3. 學(xué)習(xí)時(shí)間過長,甚至可能達(dá)不到學(xué)習(xí)的目的。