Real life machine learning problems exhibit distributional shifts in the data from one time to another or from on place to another. This behavior is beyond the scope of the traditional empirical risk minimization paradigm, which assumes i.i.d. distribution of data over time and across locations. The emerging field of out-of-distribution (OOD) generalization addresses this reality with new theory and algorithms which incorporate environmental, or era-wise information into the algorithms. So far, most research has been focused on linear models and/or neural networks. In this research we develop two new splitting criteria for decision trees, which allow us to apply ideas from OOD generalization research to decision tree models, including random forest and gradient-boosting decision trees. The new splitting criteria use era-wise information associated with each data point to allow tree-based models to find split points that are optimal across all disjoint eras in the data, instead of optimal over the entire data set pooled together, which is the default setting. We describe the new splitting criteria in detail and develop unique experiments to showcase the benefits of these new criteria, which improve metrics in our experiments out-of-sample. The new criteria are incorporated into the a state-of-the-art gradient boosted decision tree model in the Scikit-Learn code base, which is made freely available.


翻译:现实生活中的机器学习问题中,数据在不同时间或不同地点间存在分布偏移。这种特性超出了传统经验风险最小化范式的适用范围,该范式假设数据在时间上和空间上均服从独立同分布。新兴的分布外泛化领域通过引入环境或时代信息的新理论与算法来应对这一现实。目前,大多数研究集中于线性模型和/或神经网络。在本研究中,我们为决策树开发了两种新的分裂准则,从而将分布外泛化研究的理念应用于决策树模型,包括随机森林和梯度提升决策树。这些新准则利用每个数据点关联的时代信息,使基于树的模型能够找到在所有不重叠时代中均最优的分裂点,而非默认的、在整个合并数据集上最优的分裂点。我们详细描述了这两种新分裂准则,并设计了独特的实验来展示其优势——实验结果表明这些新准则在样本外场景中提升了指标。这些新准则已整合至Scikit-Learn代码库中的先进梯度提升决策树模型中,并免费开源。

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《计算机信息》杂志发表高质量的论文,扩大了运筹学和计算的范围,寻求有关理论、方法、实验、系统和应用方面的原创研究论文、新颖的调查和教程论文,以及描述新的和有用的软件工具的论文。官网链接:https://pubsonline.informs.org/journal/ijoc
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