Sklearn调优之网格搜索与随机搜索原理详细分析

前言

超参调优是“模型调优”（Model Tuning)阶段最主要的工作，是直接影响模型最终效果的关键步骤，然而，超参调优本身却是一项非常低级且枯燥的工作，因为它的策略就是：不断变换参数值，一轮一轮地去“试”，直到找出结果最好的一组参数。显然，这个过程是可以通过编程封装成自动化的工作，而不是靠蛮力手动去一遍一遍的测试。为此，Sklearn提供了多种（自动化）超参调优方法（官方文档），其中网格搜索（Grid Search）和随机搜索（Randomized Search）是最基础也是最常用的两个：

对应类/函数的后缀CV是Cross-Validation的意思，因为它们每尝试一种超参组合时，都会使用Cross-Validation进行效果评估，所以调用它们时也都需要显式指定cv参数，即：验证的轮次（K-Fold的份数）。

网格搜索（Grid Search）

网格搜索（Grid Search）的逻辑其实非常简单，就是由开发者针对每个超参设定多个值去尝试，找出效果最好的那个，由于超参会有很多个，而每一个超参又有多个尝试值，所以就变成了一个“排列组合”问题。例如我们想针对两个超参进行调优，第一个超参设置了2个尝试值，第二个超参设置了3个尝试值，则超参设置总共会有 2 × 3 = 6 种组合，理论上模型要被训练6次，如果再加上交叉验证的轮次参数cv，假设cv=3，则总得的训练次数将变为：6 × 3 = 18 次。以下是《Hands-On ML, 2nd Edition》一书中提供的GridSearchCV示例代码：

from sklearn.model_selection import GridSearchCV
param_grid = [
    {'n_estimators': [3, 10, 30], 'max_features': [2, 4, 6, 8]},
    {'bootstrap': [False], 'n_estimators': [3, 10], 'max_features': [2, 3, 4]},
]
forest_reg = RandomForestRegressor()
grid_search = GridSearchCV(forest_reg, param_grid, cv=5,
                           scoring='neg_mean_squared_error',
                           return_train_score=True)
grid_search.fit(housing_prepared, housing_labels)

在这份示例代码中，作者提供针对bootstrap、n_estimators和max_features三个超参，给出了两套参数设定：

第一套：{'n_estimators': [3, 10, 30], 'max_features': [2, 4, 6, 8]} 总计：3 × 4 = 12 种组合

第二套：{'bootstrap': [False], 'n_estimators': [3, 10], 'max_features': [2, 3, 4]} 总计：1 × 2 × 3 = 6 种组合

合在一起一共：12 + 6 = 18 种组合，加上交叉验证设定cv=5，所以最终将训练 18 × 5 = 90 次！这里我们可以看到param_grid是一个list，里面每一个元素是一个dict，一个dict就代表了一套参数设定，每套参数设定根据赋值情况又会产生多种参数组合。其实上面两套组合也可以用下面的一套设定覆盖：

param_grid = [
    {'bootstrap': [True, False], 'n_estimators': [3, 10, 30], 'max_features': [2, 3, 4, 6, 8]}
]

但在此情况下，总的训练次数将会变为：(2 × 3 × 5) × 5 = 150 次。由此可见，Sklearn这种允许设定多套参数的设计（即一个list下可配置多个dict）还是有可取之处，会方便开发人员更具经验设定最有希望的取值集合，减少训练次数。

随机搜索（Randomized Search）

网格搜索适用于参数组合数比较少的情况，当参数组合大到一定程度后，模型训练所占用的资源和持续时间将会超用户的可接受范围，此时往往就要改用随机搜索（Randomized Search）了。随机搜索的工作原理和网格搜索其实差不多，都是“暴力尝试”，不同之处在于：网格搜索的参数取值集合是用户设定的，而随机搜索的参数取值则是指定好区间（最大值和最小值）由随机数发生器随机生成的，而想要生成多少种组合是可以设置的。以下是《Hands-On ML, 2nd Edition》一书中提供的RandomizedSearchCV示例代码：

from sklearn.model_selection import RandomizedSearchCV
from scipy.stats import randint
param_distribs = {
        'n_estimators': randint(low=1, high=200),
        'max_features': randint(low=1, high=8),
    }
forest_reg = RandomForestRegressor(random_state=42)
rnd_search = RandomizedSearchCV(forest_reg, param_distributions=param_distribs,
                                n_iter=10, cv=5, scoring='neg_mean_squared_error', random_state=42)
rnd_search.fit(housing_prepared, housing_labels)

在这份代码中，作者针对n_estimators和max_features两个超参分别设定了 1 ~ 200 和 1 ~ 8 的取值区间，然后通过设定参数n_iter=10将参数组合数设定为10，当然，叠加上交叉验证cv=5后，实际的训练就是 5 × 10 = 50 次了。