広告メディア事業部Kaggler がよく使う「LightGBM」とは？【機械学習】
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LightGBMとは？
LightGBM は、2016年に米マイクロソフト社が公開した勾配ブースティングに基づく機械学習手法です。
公開されてまだ3年足らずですが、「Kaggler」の上位6割以上が LightGBM を用いているという集計結果が報告されています。
これは、データサイエンティストとして、「知らなかった」では済まされません。
LightGBM を実装できるようになり、ステップアップしていきましょう！
それでは、計算原理から実装まで、順を追って説明していきます。
LightGBM の計算原理
LightGBM 公開前の勾配ブースティングは、「XGboost」が主流でした。
勾配ブースティングには、「予測精度は高いが、計算時間が長い」という特徴があります。
当時、勾配ブースティングの主流であった「XGboost」に対し、LightGBM の「予測精度を保ったまま計算時間を大きく削減できる」という特徴に注目が集まり、急速に広まりました。
LightGBM では、計算時間を削減するために色々な工夫がなされており、XGboost と比較すると以下の2点が大きく異なります。
計算時間削減のための工夫（その1）
1点目は、「Level-wise」から「Leaf-wise」に変更されている点です。
「Level-wise」は、各層ごとに一括で決定木の分岐を行います。
その一方、「Leaf-wise」は、分岐させるべき葉に絞って分岐を行います。
葉の数が減ることで、計算時間が短くすることができます。
計算時間削減のための工夫（その2）
二点目は、「葉の分岐点を探す際にヒストグラムを採用している」という点です。
これまでは、すべてのデータを読み込んで分岐点を探していました。
この読み込み時間に占める割合が非常に多いのですが、ヒストグラムで分岐点の狙いをつけることで、高速処理が可能となりました。
このように葉の数を減らし、葉の生成時間を短くすることで、計算時間が大幅に短縮されました。
それでは、LighGBM の実装に移ります。
LightGBM の実装
LightGBM ライブラリのインストール
まずは、AnacondaPrompt から LightGBM ライブラリをインストールします。
1conda install -c conda-forge lightgbmまたは、jupyternotebook からインストールしましょう。
1pip install LightGBMこれでインストールは完了です！
コードの実装
次に、必要なライブラリを読み込みます。
1# 必要なライブラリのインストール
2import pandas as pd
3import numpy as np
4import matplotlib.pyplot as plt
5import lightgbm as lgb
6import time
7
8from pandas import DataFrame
9from sklearn.model_selection import train_test_split
10from sklearn.metrics import mean_squared_error今回は、「ボストン住宅価格」のデータセットを用います。
データセットを確認し、正しく結合できていることを確認します。
1# ボストン住宅価格データセットの読み込み
2from sklearn.datasets import load_boston
3
4boston = load_boston()
5
6# 説明変数を読み込む
7X_array = boston.data
8# 目的変数を読み込む
9y_array = boston.target
10# データフレームの作成
11df = DataFrame(X_array, columns = boston.feature_names).assign(Price=np.array(y_array))ボストン住宅価格のデータセット
ボストン住宅価格のデータセットの詳細
| CRIM | 犯罪発生率（町毎の一人当たりの犯罪率） |
|---|---|
| ZN | 住宅区画の割合（25,000 平方フィート以上） |
| INDUS | 小売業以外の商業が占める土地面積の割合 |
| CHAS | チャールズ川沿いかどうか (ダミー変数 1: 川沿い 0: それ以外) |
| NOX | 窒素酸化物の濃度（pphm） |
| RM | １戸当たりの平均部屋数 |
| AGE | 1940年よりも前に建設した物件の割合 |
| DIS | ボストンにある5つの雇用施設までの重み付き距離 |
| RAD | 環状高速道路へのアクセス指数 |
| TAX | 10,000ドル当たりの固定資産税の割合 |
| PTRATIO | 町毎の生徒と教師の比率 |
| B | 1000(Bk – 0.63)^2 の値。Bkは町毎の黒人の割合。 |
| LSTAT | 低所得者の割合 (%) |
| Price | 家賃 |
上表がデータセットの詳細です。
家賃を目的変数とし、それ以外を説明変数とします。
訓練データとテストデータに分割
次に、「訓練データ」と「テストデータ」に分けます。
LightGBMは、専用のデータセットに入れることで処理速度が上がります。
今回の評価基準は、RMSE としています。
1# 訓練データとテストデータに分ける
2train_set, test_set = train_test_split(df, test_size = 0.2, random_state = 123)
3# 説明変数と目的変数に分ける
4x_train = train_set.drop('Price', axis = 1)
5y_train = train_set['Price']
6x_test = test_set.drop('Price', axis = 1)
7y_test = test_set['Price']
8# LightGBM用のデータセットに入れる
9lgb_train = lgb.Dataset(x_train, y_train)
10lgb.test = lgb.Dataset(x_test, y_test)
11# 評価基準を設定する
12params = {'metric' : 'rmse'}回帰結果の確認
LightGBM の回帰結果を確認します。
1# 訓練データから回帰モデルを作る
2gbm = lgb.train(params, lgb_train)
3# テストデータを用いて予測精度を確認する
4test_predicted = gbm.predict(x_test)
5predicted_df = pd.concat([y_test.reset_index(drop=True), pd.Series(test_predicted)], axis = 1)
6predicted_df.columns = ['true', 'predicted']
7# 予測値を図で確認する関数の定義
8def Prediction_accuracy(predicted_df):
9 RMSE = np.sqrt(mean_squared_error(predicted_df['true'], predicted_df['predicted']))
10 plt.figure(figsize = (7,7))
11 ax = plt.subplot(111)
12 ax.scatter('true', 'predicted', data = predicted_df)
13 ax.set_xlabel('True Price', fontsize = 20)
14 ax.set_ylabel('Predicted Price', fontsize = 20)
15 plt.tick_params(labelsize = 15)
16 x = np.linspace(5, 50)
17 y = x
18 ax.plot(x, y, 'r-')
19 plt.text(0.1, 0.9, 'RMSE = {}'.format(str(round(RMSE,3))),transform = ax.transAxes, fontsize = 15)
20# 予測値を図で確認する
21Prediction_accuracy(predicted_df)精度良く予測できていることが分かります。
結果から分かるように、データ数が少ない部分はどうしても精度が下がってしまいます。
特徴量の重要度の確認
次に、特徴量の重要度を確認します。
1# 特徴量の重要度を確認
2lgb.plot_importance(gbm, height = 0.5, figsize = (8,16))上位3項目がボストンの家賃に関わるのは、納得ができると思います。
このことから、違和感のないモデルができていると判断できます。
決定木の可視化
次に、決定木を確認してみます。
※ 決定木を見ることで、リバースエンジニアリングに繋がることはあまりありません。
ここから先は、「graphviz」のインストールが必要となりますが、興味のある方は調べてみてください。
1# 決定木の分岐の可視化
2# 最後の数字でleaf番号を指定
3lgb.create_tree_digraph(gbm, 1)LightGBM の決定木が「Leaf-wise」となっていることが確認できました。
重要度の高い特徴量が先頭に集まっていることが確認できます。
XGboost との比較
最後に、上記データを用いて「LightGBM」と「XGboost」を比較しました。
| 回帰モデル | 予測精度（RMSE） | 計算速度 |
| LightGBM | 3.283 | 275 ms |
| XGboost | 3.768 | 355 ms |
今回は、計算時間に大きな差が出ませんでしたが、データ数が少ないためと考えています。
数万行を超えるデータの場合は、分単位で差が出ることを確認できているので、皆さんもぜひ試してみてください！
さいごに
以上となりますが、どうだったでしょうか？
簡単なコードで強力な回帰ツールを扱うことが可能となるので、各自、色々なデータに使ってみてください。
今回は、ハイパーパラメータにデフォルト値を使っています。
ブースティング系は、ハイパーパラメータの調整による精度向上分は小さいと言われており、特徴量追加等が有効であると言われています。
インターネットなどで調べると、色々な工夫が出てきますので、理解を深めていただければと思います。
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