XGB-20:XGBoost中不同参数的预测函数

有许多在XGBoost中具有不同参数的预测函数。

预测选项

xgboost.Booster.predict() 方法有许多不同的预测选项，从 pred_contribs 到 pred_leaf 不等。输出形状取决于预测的类型。对于多类分类问题，XGBoost为每个类构建一棵树，每个类的树称为树的“组”，因此输出维度可能会因所使用的模型而改变。

在1.4版本后，添加了 strict_shape 的新参数。可以将其设置为 True，以指示希望获得更受限制的输出。假设正在使用 xgboost.Booster，以下是可能的返回列表：

• 使用 strict_shape 设置为 True 进行正常预测时：

  • 输出是一个2维数组，第一维是行数，第二维是组数。对于回归/生存/排序/二分类，这相当于一个形状为shape[1] == 1的列向量。但对于多类别问题，使用 multi:softprob 时，列数等于类别数。如果 strict_shape 设置为 False，输出1维或2维数组

• 使用 output_margin 避免转换且 strict_shape 设置为 True 时：

  • 输出是一个2维数组，除了 multi:softmax 由于去掉了转换而具有与 multi:softprob 相等的输出形状。如果 strict_shape 设置为 False，则输出可以具有1维或2维，具体取决于所使用的模型

• 使用 pred_contribs 且 strict_shape 设置为 True 时：

  • 输出是一个3维数组，形状为（行数，组数，列数+1）。是否使用 approx_contribs 不会改变输出形状。如果未设置 strict_shape 参数，则它可以是2维或3维数组，具体取决于是否使用多类别模型

• 使用 pred_interactions 且 strict_shape 设置为 True 时：

  • 输出是一个4维数组，形状为（行数，组数，列数+1，列数+1）。是否使用 approx_contribs 不会改变输出形状。如果 strict_shape 设置为 False，则它可以具有3维或4维，具体取决于底层模型

• 使用 pred_leaf 且 strict_shape 设置为 True 时：

  • 输出是一个4维数组，形状为（n_samples, n_iterations, n_classes, n_trees_in_forest）。 n_trees_in_forest 在训练过程中由 num_parallel_tree 指定。当 strict_shape 设置为 False 时，输出是一个2维数组，最后3维连接成1维。如果最后一维等于1，则会删除最后一维。

对于 R 包，当指定 strict_shape 时，将返回一个数组，其值与 Python 相同， R 数组是列主序的，而 Python 的 numpy 数组是行主序的，因此所有维度都被颠倒。例如，对于在 strict_shape=True 的情况下通过 Python predict_leaf 获得的输出有4个维度：(n_samples, n_iterations, n_classes, n_trees_in_forest)，而在 R 中 strict_shape=TRUE 的输出是 (n_trees_in_forest, n_classes, n_iterations, n_samples)。

除了这些预测类型之外，还有一个称为 iteration_range 的参数，类似于模型切片。但与实际将模型拆分为多个堆栈不同，它只是返回由范围内的树形成的预测。每次迭代创建的树的数量等于num_parallel_tree。因此，如果正在训练大小为4的增强随机森林，对于3类别分类数据集，并且想要使用前2次迭代的树进行预测，需要提供 iteration_range=(0, 2)。然后将在此预测中使用前
棵树。

提前停止Early Stopping

在使用提前停止进行训练时，原生 Python 接口和 sklearn/R 接口之间存在一种不一致的行为。默认情况下，在 R 和 sklearn 接口上，会自动使用 best_iteration，因此预测将来自最佳模型。但是在原生 Python 接口中，xgboost.Booster.predict() 和 xgboost.Booster.inplace_predict() 默认使用完整模型。用户可以使用 iteration_range 参数和 best_iteration 属性来实现相同的行为。此外，xgboost.callback.EarlyStopping 的 save_best 参数可能会很有用。

基准分数Base Margin

XGBoost 中有一个名为 base_score 的训练参数，以及一个 DMatrix 的元数据称为 base_margin。它们指定了增强模型的全局偏差。如果提供了后者，则会忽略前者。base_margin 可用于基于其他模型训练 XGBoost 模型。

阶段性预测

使用 DMatrix 的原生接口，可以对预测进行阶段性（或缓存）。例如，可以首先对前4棵树进行预测，然后在8棵树上运行预测。在运行第一个预测后，前4棵树的结果被缓存，因此当您在8棵树上运行预测时，XGBoost 可以重复使用先前预测的结果。缓存会在下一次预测、训练或评估时自动过期，如果缓存的 DMatrix 对象已过期（例如，超出作用域并被语言环境中的垃圾回收器收集）。

阶段性预测

使用原生接口和 DMatrix，可以对预测进行阶段性（或缓存）。例如，可以首先对前4棵树进行预测，然后在8棵树上运行预测。在运行第一个预测后，前4棵树的结果被缓存，因此当在8棵树上运行预测时，XGBoost 可以重复使用先前预测的结果。如果缓存的 DMatrix 对象已过期（例如，超出作用域并被语言环境中的垃圾回收器收集），则缓存会在下一次预测、训练或评估时自动过期。

In-place预测

传统上，XGBoost 只接受 DMatrix 进行预测，使用诸如 scikit-learn 接口之类的包装器时，构建过程会在内部发生。添加了对就地预测的支持，以绕过 DMatrix 的构建，这种构建方式速度较慢且占用内存。新的预测函数具有有限的功能，但通常对于简单的推断任务已经足够。它接受 Python 中一些常见的数据类型，如 numpy.ndarray、scipy.sparse.csr_matrix 和 cudf.DataFrame，而不是 xgboost.DMatrix。可以调用 xgboost.Booster.inplace_predict() 来使用它。请注意，就地预测的输出取决于输入数据类型，当输入在 GPU 数据上时，输出为 cupy.ndarray，否则返回 numpy.ndarray。

线程安全

在 1.4 版本之后，所有的预测函数，包括具有各种参数的正常预测（如 shap 值计算和 inplace_predict），在底层 booster 为 gbtree 或 dart 时是线程安全的，这意味着只要使用树模型，预测本身就应该是线程安全的。但是安全性仅在预测方面得到保证。如果尝试在一个线程中训练模型，并在另一个线程中使用相同的模型进行预测，则行为是未定义的。这比人们可能期望的更容易发生，例如可能会在预测函数内部意外地调用 clf.set_params()：

def predict_fn(clf: xgb.XGBClassifier, X):X = preprocess(X)clf.set_params(n_jobs=1)  # NOT safe!return clf.predict_proba(X, iteration_range=(0, 10))with ThreadPoolExecutor(max_workers=10) as e:e.submit(predict_fn, ...)

隐私保护预测

Concrete ML 是由 Zama 开发的第三方开源库，提供了类似于梯度提升类，但直接在加密数据上进行预测的功能，这得益于全同态加密。一个简单的例子如下：

from sklearn.datasets import make_classification
from sklearn.model_selection import train_test_split
from concrete.ml.sklearn import XGBClassifierx, y = make_classification(n_samples=100, class_sep=2, n_features=30, random_state=42)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=10, random_state=42
)# Train in the clear and quantize the weights
model = XGBClassifier()
model.fit(X_train, y_train)# Simulate the predictions in the clear
y_pred_clear = model.predict(X_test)# Compile in FHE
model.compile(X_train)# Generate keys
model.fhe_circuit.keygen()# Run the inference on encrypted inputs!
y_pred_fhe = model.predict(X_test, fhe="execute")print("In clear:", y_pred_clear)
print("In FHE:", y_pred_fhe)
print(f"Similarity: {int((y_pred_fhe == y_pred_clear).mean()*100)}%")

参考

• https://xgboost.readthedocs.io/en/latest/prediction.html