Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Comparison of Gradient Boosting Decision Tree Algorithms for CPU Performance

Yıl 2021, Cilt: 37 Sayı: 1, 157 - 168, 28.04.2021

Öz

Gradyan Artırıcı Karar Ağacı (GBDT) algoritmalarının regresyon ve sınıflandırma problemlerinin çüzümünde makine öğrenimindeki en iyi algoritmalar arasında olduğu kanıtlanmıştır. Kaggle gibi web sitelerinin düzenlediği birçok yarışmayı kazanması sebebiyle en popüler GBDT algoritması olan XGBoost son teknoloji performansa sahip tek GBDT algoritması değildir. LightGBM ve CatBoost gibi kimi zaman XGBoost'a göre daha fazla avantajları olan başka GBDT algoritmaları da vardır. Bu makale, en iyi üç gradyan artırıcı algoritmanın işlemci(CPU) performansını karşılaştırmayı amaçlamaktadır. Bunun için ilk olarak bu üç algoritmanın nasıl çalıştığını ve aralarındaki hiperparametre benzerliklerini açıklayacağız. Daha sonra performanslarını değerlendirmek için doğruluk, hız, güvenilirlik ve kullanım kolaylığı olarak dörde ayırdığımız performans kriterleri kullanacağız. Üç algoritmanın performansı beş sınıflandırma ve regresyon problemi ile test edilmiştir. Bulgularımız, LightGBM algoritmasının, dengeli bir doğruluk, hız, güvenilirlik ve kullanım kolaylığı kombinasyonuyla üçü arasında en iyi performansa sahip olduğunu, bunu histogram yöntemiyle XGBoost'un izlediğini ve CatBoost'un ise özellikle yavaş ve tutarsız performansla diğerlerinin gerisinde kaldığını göstermektedir.

Kaynakça

  • [1] J. H. Friedman, “Stochastic gradient boosting”, Computational statistics & data analysis, vol 38, no. 4, 367-378, (2002).
  • [2] J. H. Friedman, “Greedy function approximation: a gradient boosting machine”. Annals of statistics, 1189-1232, (2001).
  • [3] F. Pedregosa, G. Varoquaux, A. Gramfort, V. Michel, B. Thirion, O. Grisel, M. Blondel, P. Prettenhofer, R. Weiss, V. Dubourg et al., “Scikit-learn: Machine learning in python," Journal of machine learning research, vol. 12, no. Oct, 2825-2830, (2011).
  • [4] A. Swalin. “Catboost vs. Lightgbm vs. Xgboost”. (2018), [Online]. Available: https://towardsdatascience.com/catboost-vs-light-gbm-vs-xgboost-5f93620723db. Access date: 19.03.2019.
  • [5] X. Team. “Introduction to boosted trees”. (2019), [Online]. Available: https://xgboost. readthedocs.io/en/latest/tutorials/model.html. Access date: 19.03.2019.
  • [6] G. Ke, Q. Meng, T. Finley, T. Wang, W. Chen, W. Ma, Q. Ye, and T.-Y. Liu, Lightgbm: A highly efficient gradient boosting decision tree," in Advances in Neural Information Processing Systems, , 3146-3154, (2017).
  • [7] P. Langley and S. Sage, “Oblivious decision trees and abstract cases” Working notes of the AAAI-94 workshop on case-based reasoning. Seattle, WA, 113-117, (1994).
  • [8] R. Kohavi and C.-H. Li, “Oblivious decision trees, graphs, and top-down pruning,” IJCAI. Citeseer, 1071-1079, (1995).
  • [9] V. Ershov. “Catboost enables fast gradient boosting on decision trees using gpus”. (2018), [Online]. Available: https://devblogs.nvidia.com/catboost-fast-gradientboosting-decision-trees/. Access date: 13.04.2019.
  • [10] C. Team. “How training is performed”. (2018), [Online]. Available: https://catboost.ai/docs/ concepts/algorithm-main-stages.html. Access date: 23.05.2019.
  • [11] T. Chen and C. Guestrin, “Xgboost: A scalable tree boosting system”, Proceedings of the 22nd acm sigkdd international conference on knowledge discovery and data mining. ACM, 785-794, (2016).
  • [12] X. Team. “Xgboost parameters”. (2019) [Online]. Available: https://xgboost.readthedocs.io/ en/latest/parameter.html. Access date: 19.03.2019.
  • [13] A. V. Dorogush, V. Ershov, and A. Gulin, “Catboost: gradient boosting with categorical features support”, arXiv preprint arXiv:1810.11363, 2018.
  • [14] L. Team. “Advanced topics, missing value handle”. (2019), [Online]. Available: https://lightgbm. readthedocs.io/en/latest/Advanced-Topics.html#missing-value-handle . Access date: 11.04.2019.
  • [15] A. V. Dorogush, “Catboost - the new generation of gradient boosting," PyData, (2018), [Online]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=8o0e-r0B5xQ .Access date: 23.05.2019.
  • [16] L. Team. “Advanced topics, categorical feature support” (2019) [Online]. Available: https://lightgbm. readthedocs.io/en/latest/Advanced-Topics.html#categorical-feature-support. Access date: 11.04.2019.
  • [17] L. Prokhorenkova, G. Gusev, A. Vorobev, A. V. Dorogush, and A. Gulin, “Catboost: unbiased boosting with categorical features”, Advances in Neural Information Processing Systems, 2018, 6638-6648, (2018).
  • [18] C. database. Adult data set. (1996) [Online]. Available: http://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Adult. Access date: 18.03.2019.
  • [19] WHO. “Life expectancy” (2018) [Online]. Available: https://www.kaggle.com/kumarajarshi/life-expectancy-who. Access date: 18.03.2019.
  • [20] L. The National Heart and B. I. (NHLBI). “Framingham heart study”, (2018). [Online]. Available: https://www.nhlbi.nih.gov/science/framingham-heartstudy-fhs. Access date: 18.03.2019.

CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması

Yıl 2021, Cilt: 37 Sayı: 1, 157 - 168, 28.04.2021

Öz

Gradient Boosting Decision Trees (GBDT) algorithms have been proven to be among the best algorithms in machine learning. XGBoost, the most popular GBDT algorithm, has won many competitions on websites like Kaggle. However, XGBoost is not the only GBDT algorithm with state-of-the-art performance. There are other GBDT algorithms that have more advantages than XGBoost and sometimes even more potent like LightGBM and CatBoost. This paper aims to compare the performance of CPU implementation of the top three gradient boosting algorithms. We start by explaining how the three algorithms work and the hyperparameters similarities between them. Then we use a variety of performance criteria to evaluate their performance. We divide the performance criteria into four: accuracy, speed, reliability, and ease of use. The performance of the three algorithms has been tested with five classification and regression problems. Our findings show that the LightGBM algorithm has the best performance of the three with a balanced combination of accuracy, speed, reliability, and ease of use, followed by XGBoost with the histogram method, and CatBoost came last with slow and inconsistent performance.

Kaynakça

  • [1] J. H. Friedman, “Stochastic gradient boosting”, Computational statistics & data analysis, vol 38, no. 4, 367-378, (2002).
  • [2] J. H. Friedman, “Greedy function approximation: a gradient boosting machine”. Annals of statistics, 1189-1232, (2001).
  • [3] F. Pedregosa, G. Varoquaux, A. Gramfort, V. Michel, B. Thirion, O. Grisel, M. Blondel, P. Prettenhofer, R. Weiss, V. Dubourg et al., “Scikit-learn: Machine learning in python," Journal of machine learning research, vol. 12, no. Oct, 2825-2830, (2011).
  • [4] A. Swalin. “Catboost vs. Lightgbm vs. Xgboost”. (2018), [Online]. Available: https://towardsdatascience.com/catboost-vs-light-gbm-vs-xgboost-5f93620723db. Access date: 19.03.2019.
  • [5] X. Team. “Introduction to boosted trees”. (2019), [Online]. Available: https://xgboost. readthedocs.io/en/latest/tutorials/model.html. Access date: 19.03.2019.
  • [6] G. Ke, Q. Meng, T. Finley, T. Wang, W. Chen, W. Ma, Q. Ye, and T.-Y. Liu, Lightgbm: A highly efficient gradient boosting decision tree," in Advances in Neural Information Processing Systems, , 3146-3154, (2017).
  • [7] P. Langley and S. Sage, “Oblivious decision trees and abstract cases” Working notes of the AAAI-94 workshop on case-based reasoning. Seattle, WA, 113-117, (1994).
  • [8] R. Kohavi and C.-H. Li, “Oblivious decision trees, graphs, and top-down pruning,” IJCAI. Citeseer, 1071-1079, (1995).
  • [9] V. Ershov. “Catboost enables fast gradient boosting on decision trees using gpus”. (2018), [Online]. Available: https://devblogs.nvidia.com/catboost-fast-gradientboosting-decision-trees/. Access date: 13.04.2019.
  • [10] C. Team. “How training is performed”. (2018), [Online]. Available: https://catboost.ai/docs/ concepts/algorithm-main-stages.html. Access date: 23.05.2019.
  • [11] T. Chen and C. Guestrin, “Xgboost: A scalable tree boosting system”, Proceedings of the 22nd acm sigkdd international conference on knowledge discovery and data mining. ACM, 785-794, (2016).
  • [12] X. Team. “Xgboost parameters”. (2019) [Online]. Available: https://xgboost.readthedocs.io/ en/latest/parameter.html. Access date: 19.03.2019.
  • [13] A. V. Dorogush, V. Ershov, and A. Gulin, “Catboost: gradient boosting with categorical features support”, arXiv preprint arXiv:1810.11363, 2018.
  • [14] L. Team. “Advanced topics, missing value handle”. (2019), [Online]. Available: https://lightgbm. readthedocs.io/en/latest/Advanced-Topics.html#missing-value-handle . Access date: 11.04.2019.
  • [15] A. V. Dorogush, “Catboost - the new generation of gradient boosting," PyData, (2018), [Online]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=8o0e-r0B5xQ .Access date: 23.05.2019.
  • [16] L. Team. “Advanced topics, categorical feature support” (2019) [Online]. Available: https://lightgbm. readthedocs.io/en/latest/Advanced-Topics.html#categorical-feature-support. Access date: 11.04.2019.
  • [17] L. Prokhorenkova, G. Gusev, A. Vorobev, A. V. Dorogush, and A. Gulin, “Catboost: unbiased boosting with categorical features”, Advances in Neural Information Processing Systems, 2018, 6638-6648, (2018).
  • [18] C. database. Adult data set. (1996) [Online]. Available: http://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Adult. Access date: 18.03.2019.
  • [19] WHO. “Life expectancy” (2018) [Online]. Available: https://www.kaggle.com/kumarajarshi/life-expectancy-who. Access date: 18.03.2019.
  • [20] L. The National Heart and B. I. (NHLBI). “Framingham heart study”, (2018). [Online]. Available: https://www.nhlbi.nih.gov/science/framingham-heartstudy-fhs. Access date: 18.03.2019.
Toplam 20 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil İngilizce
Konular Mühendislik
Bölüm Makale
Yazarlar

Haithm Alshari 0000-0002-1729-6368

Abdulrazak Saleh

Alper Odabas

Yayımlanma Tarihi 28 Nisan 2021
Yayımlandığı Sayı Yıl 2021 Cilt: 37 Sayı: 1

Kaynak Göster

APA Alshari, H., Saleh, A., & Odabas, A. (2021). CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, 37(1), 157-168.
AMA Alshari H, Saleh A, Odabas A. CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. Nisan 2021;37(1):157-168.
Chicago Alshari, Haithm, Abdulrazak Saleh, ve Alper Odabas. “CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 37, sy. 1 (Nisan 2021): 157-68.
EndNote Alshari H, Saleh A, Odabas A (01 Nisan 2021) CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 37 1 157–168.
IEEE H. Alshari, A. Saleh, ve A. Odabas, “CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması”, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, c. 37, sy. 1, ss. 157–168, 2021.
ISNAD Alshari, Haithm vd. “CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi 37/1 (Nisan 2021), 157-168.
JAMA Alshari H, Saleh A, Odabas A. CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 2021;37:157–168.
MLA Alshari, Haithm vd. “CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması”. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, c. 37, sy. 1, 2021, ss. 157-68.
Vancouver Alshari H, Saleh A, Odabas A. CPU Performansı için Gradyan Artırıcı Karar Ağacı Algoritmalarının Karşılaştırılması. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi. 2021;37(1):157-68.

✯ Etik kurul izni gerektiren, tüm bilim dallarında yapılan araştırmalar için etik kurul onayı alınmış olmalı, bu onay makalede belirtilmeli ve belgelendirilmelidir.
✯ Etik kurul izni gerektiren araştırmalarda, izinle ilgili bilgilere (kurul adı, tarih ve sayı no) yöntem bölümünde, ayrıca makalenin ilk/son sayfalarından birinde; olgu sunumlarında, bilgilendirilmiş gönüllü olur/onam formunun imzalatıldığına dair bilgiye makalede yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, makalelerde Araştırma ve Yayın Etiğine uyulduğuna dair ifadeye yer verilmelidir.
✯ Dergi web sayfasında, hakem, yazar ve editör için ayrı başlıklar altında etik kurallarla ilgili bilgi verilmelidir.
✯ Dergide ve/veya web sayfasında, ulusal ve uluslararası standartlara atıf yaparak, dergide ve/veya web sayfasında etik ilkeler ayrı başlık altında belirtilmelidir. Örneğin; dergilere gönderilen bilimsel yazılarda, ICMJE (International Committee of Medical Journal Editors) tavsiyeleri ile COPE (Committee on Publication Ethics)’un Editör ve Yazarlar için Uluslararası Standartları dikkate alınmalıdır.
✯ Kullanılan fikir ve sanat eserleri için telif hakları düzenlemelerine riayet edilmesi gerekmektedir.