Tree boosting is a highly effective and widely used machine learning method. In this paper, we describe a scalable endto-end tree boosting system called XGBoost, which is used widely by data scientists to achieve state-of-the-art results on many machine learning challenges. We propose a novel sparsity-aware algorithm for sparse data and weighted quantile sketch for approximate tree learning. More importantly, we provide insights on cache access patterns, data compression and sharding to build a scalable tree boosting system. By combining these insights, XGBoost scales beyond billions of examples using far fewer resources than existing systems.

大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。

Gradient Boosting Decision Tree (GBDT) is a popular machine learning algorithm, and has quite a few effective implementations such as XGBoost and pGBRT. Although many engineering optimizations have been adopted in these implementations, the efficiency and scalability are still unsatisfactory when the feature dimension is high and data size is large. A major reason is that for each feature, they need to scan all the data instances to estimate the information gain of all possible split points, which is very time consuming. To tackle this problem, we propose two novel techniques: Gradient-based One-Side Sampling (GOSS) and Exclusive Feature Bundling (EFB). With GOSS, we exclude a significant proportion of data instances with small gradients, and only use the rest to estimate the information gain. We prove that, since the data instances with larger gradients play a more important role in the computation of information gain, GOSS can obtain quite accurate estimation of the information gain with a much smaller data size. With EFB, we bundle mutually exclusive features (i.e., they rarely take nonzero values simultaneously), to reduce the number of features. We prove that finding the optimal bundling of exclusive features is NP-hard, but a greedy algorithm can achieve quite good approximation ratio (and thus can effectively reduce the number of features without hurting the accuracy of split point determination by much). We call our new GBDT implementation with GOSS and EFB LightGBM. Our experiments on multiple public datasets show that, LightGBM speeds up the training process of conventional GBDT by up to over 20 times while achieving almost the same accuracy.

决策树学习是机器学习中广泛使用的方法，在需要简洁明了的模型的应用中受到青睐。传统上，启发式方法用于快速生产具有相当高准确性的模型。然而，一个普遍的批评是，从精度和大小方面，所产生的树可能不一定是数据的最佳表示。近年来，这激发了最佳分类树算法的发展，这些算法与执行一系列本地最佳决策的启发式方法相比，在全球范围内优化决策树。我们遵循这一工作线，并提供了一种基于动态编程和搜索的最佳分类树的新颖算法。我们的算法支持对树的深度和节点数量的约束。我们方法的成功归因于一系列专门技术，这些技术利用了分类树独有的属性。传统上，最佳分类树的算法受到了高运行时的困扰和有限的可伸缩性，但我们在一项详细的实验研究中表明，我们的方法仅使用最先进的时间所需的时间，并且可以处理数十个数据集的数据集在数千个实例中，提供了几个数量级的改进，并特别有助于实现最佳决策树的实现。

This paper presents the key algorithmic techniques behind CatBoost, a new gradient boosting toolkit. Their combination leads to CatBoost outperforming other publicly available boosting implementations in terms of quality on a variety of datasets. Two critical algorithmic advances introduced in CatBoost are the implementation of ordered boosting, a permutation-driven alternative to the classic algorithm, and an innovative algorithm for processing categorical features. Both techniques were created to fight a prediction shift caused by a special kind of target leakage present in all currently existing implementations of gradient boosting algorithms. In this paper, we provide a detailed analysis of this problem and demonstrate that proposed algorithms solve it effectively, leading to excellent empirical results.

比较不同的汽车框架是具有挑战性的，并且经常做错了。我们引入了一个开放且可扩展的基准测试，该基准遵循最佳实践，并在比较自动框架时避免常见错误。我们对71个分类和33项回归任务进行了9个著名的自动框架进行了详尽的比较。通过多面分析，评估模型的准确性，与推理时间的权衡以及框架失败，探索了自动框架之间的差异。我们还使用Bradley-terry树来发现相对自动框架排名不同的任务子集。基准配备了一个开源工具，该工具与许多自动框架集成并自动化经验评估过程端到端：从框架安装和资源分配到深入评估。基准测试使用公共数据集，可以轻松地使用其他Automl框架和任务扩展，并且具有最新结果的网站。

本文调查了股票回购，特别是分享回购公告。它解决了如何识别此类公告，股票回购的超额回报以及股票回购公告后的回报的预测。我们说明了两种NLP方法，用于自动检测股票回购公告。即使有少量的培训数据，我们也可以达到高达90％的准确性。该论文利用这些NLP方法生成一个由57,155个股票回购公告组成的大数据集。通过分析该数据集，本论文的目的是表明大多数宣布回购的公司的大多数公司都表现不佳。但是，少数公司的表现极大地超过了MSCI世界。当查看所有公司的平均值时，这种重要的表现过高会导致净收益。如果根据公司的规模调整了基准指数，则平均表现过高，并且大多数表现不佳。但是，发现宣布股票回购的公司至少占其市值的1％，即使使用调整后的基准，也平均交付了显着的表现。还发现，在危机时期宣布股票回购的公司比整个市场更好。此外，生成的数据集用于训练72个机器学习模型。通过此，它能够找到许多可以达到高达77％并产生大量超额回报的策略。可以在六个不同的时间范围内改善各种性能指标，并确定明显的表现。这是通过训练多个模型的不同任务和时间范围以及结合这些不同模型的方法来实现的，从而通过融合弱学习者来产生重大改进，以创造一个强大的学习者。

我们提出了TOD，这是一个在分布式多GPU机器上进行有效且可扩展的离群检测（OD）的系统。 TOD背后的一个关键思想是将OD应用程序分解为基本张量代数操作。这种分解使TOD能够通过利用硬件和软件中深度学习基础架构的最新进展来加速OD计算。此外，要在有限内存的现代GPU上部署昂贵的OD算法，我们引入了两种关键技术。首先，可证明的量化可以加快OD计算的速度，并通过以较低的精度执行特定的浮点操作来减少其内存足迹，同时证明没有准确的损失。其次，为了利用多个GPU的汇总计算资源和内存能力，我们引入了自动批处理，该批次将OD计算分解为小批次，以便在多个GPU上并行执行。 TOD支持一套全面且多样化的OD算法，例如LOF，PCA和HBOS以及实用程序功能。对真实和合成OD数据集的广泛评估表明，TOD平均比领先的基于CPU的OD系统PYOD快11.6倍（最大加速度为38.9倍），并且比各种GPU底线要处理的数据集更大。值得注意的是，TOD可以直接整合其他OD算法，并提供了将经典OD算法与深度学习方法相结合的统一框架。这些组合产生了无限数量的OD方法，其中许多方法是新颖的，可以很容易地在TOD中进行原型。

即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。

决策树是机器学习工具箱中最有用和最受欢迎的方法之一。在本文中，我们考虑了学习最佳决策树的问题，这是一个组合优化问题，该问题具有挑战性。文献中的一种常见方法是使用贪婪的启发式方法，这可能不是最佳的。最近，人们对使用各种方法（例如，基于整数编程，动态编程）学习最佳决策树已经引起了重大兴趣 - 为了实现计算可伸缩性，这些方法中的大多数都集中在具有二进制功能的分类任务上。在本文中，我们提出了一种基于分支机构（BNB）的新离散优化方法，以获得最佳决策树。与现有的定制方法不同，我们考虑具有连续功能的回归和分类任务。我们方法基础的基本思想是基于特征分布的分位数来拆分搜索空间 - 导致沿BNB迭代的基础优化问题的上限和下限。与现有的各种真实数据集中的浅最佳树相比，我们提出的算法Quant-BNB显示出显着的加速。

近年来，在广泛的机器学习应用程序中，在梯度增强决策树（GBDT）方面取得了重大成功。通常，关于GBDT训练算法的共识是梯度，统计数据是根据高精度浮点计算的。在本文中，我们调查了一个本质上重要的问题，该问题在先前的文献中在很大程度上被忽略了：代表培训GBDT的梯度需要多少位？为了解决这个谜团，我们建议在GBDT的培训算法中以非常简单但有效的方式量化所有高精度梯度。令人惊讶的是，我们的理论分析和实证研究都表明，梯度的必要精度而不伤害任何性能可能很低，例如2或3位。对于低精度梯度，GBDT培训中的大多数算术操作可以用8、16或32位的整数操作代替。有希望的是，这些发现可能为从几个方面对GBDT进行更有效训练的方式铺平了道路：（1）加速直方图中梯度统计的计算； （2）在分布式培训期间压缩高精度统计信息的通信成本； （3）使用和开发硬件体系结构的灵感，这些架构很好地支持了用于GBDT培训的低精确计算。与大量数据集中的SOTA GBDT系统相比，我们在CPU，GPU和分布式集群上进行了基准测试，最多可容纳我们简单量化策略的速度，这表明了GBDT低表演培训的有效性和潜力。该代码将发布给LightGBM的官方存储库。

稀疏决策树优化是AI自成立以来的最基本问题之一，并且是可解释机器学习核心的挑战。稀疏的决策树优化是计算地的艰难，尽管自1960年代以来稳定的努力，但在过去几年中才突破问题，主要是在找到最佳稀疏决策树的问题上。然而，目前最先进的算法通常需要不切实际的计算时间和内存，以找到一些真实世界数据集的最佳或近最优树，特别是那些具有多个连续值的那些。鉴于这些决策树优化问题的搜索空间是大规模的，我们可以实际上希望找到一个稀疏的决策树，用黑盒机学习模型的准确性竞争吗？我们通过智能猜测策略来解决这个问题，可以应用于基于任何最优分支和绑定的决策树算法。我们表明，通过使用这些猜测，我们可以通过多个数量级来减少运行时间，同时提供所得树木可以偏离黑匣子的准确性和表现力的界限。我们的方法可以猜测如何在最佳决策树错误的持续功能，树的大小和下限上进行换算。我们的实验表明，在许多情况下，我们可以迅速构建符合黑匣子型号精度的稀疏决策树。总结：当您在优化时遇到困难时，就猜测。

分类链是一种用于在多标签分类中建模标签依赖性的有效技术。但是，该方法需要标签的固定静态顺序。虽然理论上，任何顺序都足够了，实际上，该订单对最终预测的质量具有大量影响。动态分类链表示每个实例对分类的想法，可以动态选择预测标签的顺序。这种方法的天真实现的复杂性是禁止的，因为它需要训练一系列分类器，以满足标签的每种可能置换。为了有效地解决这个问题，我们提出了一种基于随机决策树的新方法，该方法可以动态地选择每个预测的标签排序。我们凭经验展示了下一个标签的动态选择，通过在否则不变的随机决策树模型下使用静态排序。 ％和实验环境。此外，我们还展示了基于极端梯度提升树的替代方法，其允许更具目标的动态分级链训练。我们的结果表明，该变体优于随机决策树和其他基于树的多标签分类方法。更重要的是，动态选择策略允许大大加速培训和预测。

无论是在功能选择的领域还是可解释的AI领域，都有基于其重要性的“排名”功能的愿望。然后可以将这种功能重要的排名用于：（1）减少数据集大小或（2）解释机器学习模型。但是，在文献中，这种特征排名没有以系统的，一致的方式评估。许多论文都有不同的方式来争论哪些具有重要性排名最佳的特征。本文通过提出一种新的评估方法来填补这一空白。通过使用合成数据集，可以事先知道特征重要性得分，从而可以进行更系统的评估。为了促进使用新方法的大规模实验，在Python建造了一个名为FSEVAL的基准测定框架。该框架允许并行运行实验，并在HPC系统上的计算机上分布。通过与名为“权重和偏见”的在线平台集成，可以在实时仪表板上进行交互探索图表。该软件作为开源软件发布，并在PYPI平台上以包裹发行。该研究结束时，探索了一个这样的大规模实验，以在许多方面找到参与算法的优势和劣势。

Shap（Shapley添加说明）值是解释机器学习模型的主要工具之一，具有强大的理论保证（一致性，本地准确性）以及广泛的实现和用例。即使计算形状值通常需要指数时间，也要在基于树的模型上进行多项式时间。尽管加速很大，但Treeshap仍然可以主导具有数百万或更多条目的数据集上行业级的机器学习解决方案的计算时间，从而导致事后模型诊断和解释服务延迟。在本文中，我们介绍了两种新算法，即快速Treeshap V1和V2，旨在提高大型数据集的Treeshap的计算效率。我们从经验上发现，快速的Treeshap V1的速度比Treeshap快1.5倍，同时保持内存成本不变。同样，由于昂贵的Treeshap步骤的预先摄入的前，快速Treeshap V2比Treeshap快2.5倍，其成本略高。我们还表明，快速的Treeshap V2非常适合多时间模型解释，从而使新传入样品的解释更高。

近年来，在平衡（超级）图分配算法的设计和评估中取得了重大进展。我们调查了过去十年的实用算法的趋势，用于平衡（超级）图形分区以及未来的研究方向。我们的工作是对先前有关该主题的调查的更新。特别是，该调查还通过涵盖了超图形分区和流算法来扩展先前的调查，并额外关注并行算法。

Alphazero，Leela Chess Zero和Stockfish Nnue革新了计算机国际象棋。本书对此类引擎的技术内部工作进行了完整的介绍。该书分为四个主要章节 - 不包括第1章（简介）和第6章（结论）：第2章引入神经网络，涵盖了所有用于构建深层网络的基本构建块，例如Alphazero使用的网络。内容包括感知器，后传播和梯度下降，分类，回归，多层感知器，矢量化技术，卷积网络，挤压网络，挤压和激发网络，完全连接的网络，批处理归一化和横向归一化和跨性线性单位，残留层，剩余层，过度效果和底漆。第3章介绍了用于国际象棋发动机以及Alphazero使用的经典搜索技术。内容包括minimax，alpha-beta搜索和蒙特卡洛树搜索。第4章展示了现代国际象棋发动机的设计。除了开创性的Alphago，Alphago Zero和Alphazero我们涵盖Leela Chess Zero，Fat Fritz，Fat Fritz 2以及有效更新的神经网络（NNUE）以及MAIA。第5章是关于实施微型α。 Shexapawn是国际象棋的简约版本，被用作为此的示例。 Minimax搜索可以解决六ap峰，并产生了监督学习的培训位置。然后，作为比较，实施了类似Alphazero的训练回路，其中通过自我游戏进行训练与强化学习结合在一起。最后，比较了类似α的培训和监督培训。

高维计算（HDC）是用于数据表示和学习的范式，起源于计算神经科学。HDC将数据表示为高维，低精度向量，可用于学习或召回等各种信息处理任务。高维空间的映射是HDC中的一个基本问题，现有方法在输入数据本身是高维时会遇到可伸缩性问题。在这项工作中，我们探索了一个基于哈希的流媒体编码技术。我们正式表明，这些方法在学习应用程序的性能方面具有可比的保证，同时比现有替代方案更有效。我们在一个流行的高维分类问题上对这些结果进行了实验验证，并表明我们的方法很容易扩展到非常大的数据集。

通常，机器学习应用程序必须应对动态环境，其中数据以潜在无限长度和瞬态行为的连续数据流的形式收集。与传统（批量）数据挖掘相比，流处理算法对计算资源和对数据演进的适应性具有额外要求。它们必须逐步处理实例，因为数据的连续流量禁止存储多次通过的数据。合奏学习在这种情况下取​​得了显着的预测性能。实现为一组（几个）个别分类器，合奏是自然可用于任务并行性的。但是，用于捕获概念漂移的增量学习和动态数据结构增加了缓存未命中并阻碍了并行性的好处。本文提出了一种迷你批处理策略，可以改善多核环境中用于流挖掘的多个集合算法的内存访问局部性和性能。借助正式框架，我们证明迷你批量可以显着降低重用距离（以及缓存未命中的数量）。在六种不同的最先进的集合算法上应用四个基准数据集的六种不同特性的实验显示了8个核心处理器上高达5倍的加速。这些效益牺牲了预测性能的少量减少。

天然气管道中的泄漏检测是石油和天然气行业的一个重要且持续的问题。这尤其重要，因为管道是运输天然气的最常见方法。这项研究旨在研究数据驱动的智能模型使用基本操作参数检测天然气管道的小泄漏的能力，然后使用现有的性能指标比较智能模型。该项目应用观察者设计技术，使用回归分类层次模型来检测天然气管道中的泄漏，其中智能模型充当回归器，并且修改后的逻辑回归模型充当分类器。该项目使用四个星期的管道数据流研究了五个智能模型（梯度提升，决策树，随机森林，支持向量机和人工神经网络）。结果表明，虽然支持向量机和人工神经网络比其他网络更好，但由于其内部复杂性和所使用的数据量，它们并未提供最佳的泄漏检测结果。随机森林和决策树模型是最敏感的，因为它们可以在大约2小时内检测到标称流量的0.1％的泄漏。所有智能模型在测试阶段中具有高可靠性，错误警报率为零。将所有智能模型泄漏检测的平均时间与文献中的实时短暂模型进行了比较。结果表明，智能模型在泄漏检测问题中的表现相对较好。该结果表明，可以与实时瞬态模型一起使用智能模型，以显着改善泄漏检测结果。