排序学习算法（lightgbm）

【实例简介】
【实例截图】
【核心代码】# 利用lightgbm做learning to rank 排序，主要包括：
- 数据预处理
- 模型训练
- 模型决策可视化
- 预测
- ndcg评估
- 特征重要度
- SHAP特征贡献度解释
- 样本的叶结点输出

(要求安装lightgbm、graphviz、shap等)

## 一.data format (raw data -> (feats.txt, group.txt))

###### python lgb_ltr.py -process

##### 1.raw_train.txt

0 qid:10002 1:0.007477 2:0.000000 ... 45:0.000000 46:0.007042 #docid = GX008-86-4444840 inc = 1 prob = 0.086622

0 qid:10002 1:0.603738 2:0.000000 ... 45:0.333333 46:1.000000 #docid = GX037-06-11625428 inc = 0.0031586555555558 prob = 0.0897452
...

##### 2.feats.txt:

0 1:0.007477 2:0.000000 ... 45:0.000000 46:0.007042

0 1:0.603738 2:0.000000 ... 45:0.333333 46:1.000000
...

##### 3.group.txt:
8

8

8

8

8

16

8

118

16

8

...

## 二.model train (feats.txt, group.txt) -> train -> model.mod

###### python lgb_ltr.py -train



    train params = {
            'task': 'train',  # 执行的任务类型
            'boosting_type': 'gbrt',  # 基学习器
            'objective': 'lambdarank',  # 排序任务(目标函数)
            'metric': 'ndcg',  # 度量的指标(评估函数)
            'max_position': 10,  # @NDCG 位置优化
            'metric_freq': 1,  # 每隔多少次输出一次度量结果
            'train_metric': True,  # 训练时就输出度量结果
            'ndcg_at': [10],
            'max_bin': 255,  # 一个整数，表示最大的桶的数量。默认值为 255。lightgbm 会根据它来自动压缩内存。如max_bin=255 时，则lightgbm 将使用uint8 来表示特征的每一个值。
            'num_iterations': 200,  # 迭代次数，即生成的树的棵数
            'learning_rate': 0.01,  # 学习率
            'num_leaves': 31,  # 叶子数
            'max_depth':6,
            'tree_learner': 'serial',  # 用于并行学习，‘serial’： 单台机器的tree learner
            'min_data_in_leaf': 30,  # 一个叶子节点上包含的最少样本数量
            'verbose': 2  # 显示训练时的信息
        }

- docs:7796
- groups:380
- consume time : 4 seconds
- training's ndcg@10: 0.940891

##### 1.model.mod(model的格式在data/model/mode.mod)
训练时的输出：
- [LightGBM] [Info] Total Bins 9171
- [LightGBM] [Info] Number of data: 7796, number of used features: 40
- [LightGBM] [Debug] Trained a tree with leaves = 31 and max_depth = 9
- [1] training's ndcg@10: 0.791427
- [LightGBM] [Debug] Trained a tree with leaves = 31 and max_depth = 12
- [2] training's ndcg@10: 0.828608
- [LightGBM] [Debug] Trained a tree with leaves = 31 and max_depth = 10
-  ...
-  ...
-  ...
- [198] training's ndcg@10: 0.941018
- [LightGBM] [Debug] Trained a tree with leaves = 31 and max_depth = 11
- [199] training's ndcg@10: 0.941038
- [LightGBM] [Debug] Trained a tree with leaves = 31 and max_depth = 11
- [200] training's ndcg@10: 0.940891
- consume time : 4 seconds
## 三.模型决策过程的可视化生成
可指定树的索引进行可视化生成，便于分析决策过程。
###### python lgb_ltr.py -plottree


## 四.predict 数据格式如feats.txt，当然可以在每行后面加一个标识(如文档编号，商品编码等)作为排序的输出,这里我直接从test.txt中得到feats与comment作为predict

###### python lgb_ltr.py -predict

##### 1.predict results

- ['docid = GX252-32-5579630 inc = 1 prob = 0.190849'
-  'docid = GX108-43-5342284 inc = 0.188670948386237 prob = 0.103576'
-  'docid = GX039-85-6430259 inc = 1 prob = 0.300191' ...,
-  'docid = GX009-50-15026058 inc = 1 prob = 0.082903'
-  'docid = GX065-08-0661325 inc = 0.012907717401617 prob = 0.0312699'
-  'docid = GX012-13-5603768 inc = 1 prob = 0.0961297']

## 五.validate ndcg 数据来自test.txt(data from test.txt)

###### python lgb_ltr.py -ndcg

all qids average ndcg:  0.761044123343

## 六.features 打印特征重要度(features importance)

###### python lgb_ltr.py -feature

模型中的特征是"Column_number",这里打印重要度时可以映射到真实的特征名，比如本测试用例是46个feature

##### 1.features importance

 - feat0name : 228 : 0.038
-  feat1name : 22 : 0.0036666666666666666
-  feat2name : 27 : 0.0045
-  feat3name : 11 : 0.0018333333333333333
-  feat4name : 198 : 0.033
-  feat10name : 160 : 0.02666666666666667
-  ...
-  ...
-  ...
-  feat37name : 188 : 0.03133333333333333
-  feat38name : 434 : 0.07233333333333333
-  feat39name : 286 : 0.04766666666666667
-  feat40name : 169 : 0.028166666666666666
-  feat41name : 348 : 0.058
-  feat43name : 304 : 0.050666666666666665
-  feat44name : 283 : 0.04716666666666667
-  feat45name : 220 : 0.03666666666666667

## 七.利用SHAP值解析模型中特征重要度

###### python lgb_ltr.py -shap
这里不同于六中特征重要度的计算，而是利用博弈论的方法--SHAP（SHapley Additive exPlanations）来解析模型。
利用SHAP可以进行特征总体分析、多维特征交叉分析以及单特征分析等。

##### 1.总体分析



##### 2.多维特征交叉分析


##### 3.单特征分析


## 八.利用模型得到样本叶结点的one-hot表示，可以用于像gbdt lr这种模型的训练

###### python lgb_ltr.py -leaf

这里测试用例是test/leaf.txt 5个样本

[
- [ 0.  1.  0. ...,  0.  0.  1.]
-  [ 1.  0.  0. ...,  0.  0.  0.]
-  [ 0.  0.  1. ...,  0.  0.  1.]
-  [ 0.  1.  0. ...,  0.  1.  0.]
-  [ 0.  0.  0. ...,  1.  0.  0.]
]

## 九.REFERENCES

https://github.com/microsoft/LightGBM

https://github.com/jma127/pyltr

https://github.com/slundberg/shap