一文读完 Machine Learning Yearning

引言

断断续续读完了吴恩达老师的炼丹宝典，《Machine Learning Yearning》，收获很大，但是，原书有100多页，读起来还是费不少时间的，再加上吴老师讲解细致、举例丰富，花的时间更多了。因此，我尝试记录书中的观点，说清楚，不遗漏，希望给大伙省点时间。

书中，吴老师介绍了机器学习(ML)实战中的经验，包括测试集开发集的选取、评价指标、偏差和方差、基本错误分析、学习曲线、和人类水平比较、调试、端到端深度学习等，可谓针针见血、点点到位，建议有时间的话，看看我这篇。

介绍

在机器学习实践中，一个算法表现差强人意，可能的改进方向有很多，获取更多的数据、获取多样的数据（数据覆盖范围更广）、清理数据、尝试不同的网络结构、改变优化方法、加正则化等等。若是选错了方向，可能浪费大量的时间、精力，算法性能也没有多少提升。如何有效地选择下一步策略？接着往下看。

开始之前，介绍下数据对于算法性能的影响。传统的ML算法需要的数据少，训练稳定，但是算法最终性能有限。流行的深度学习算法，拟合复杂分布能力很强，但很消耗数据和计算力，在数据够多的情况下，比传统的算法表现好。因此，要想提升性能，如果算力够，通常可以通过增加数据、使用更大的神经网络的方法。如下图所示：

注：数据少时可能传统算法表现较好，主要看随着数据增加，不同模型的表现趋势。

设定开发集和测试集

训练集、开发集、测试集

训练集：Training set，用于算法训练，求解模型参数。

开发集：Dev set, development set, hold-out cross validation set，根据算法在开发集上的表现，寻找改进方向，如模型大小、特征选择等等。

测试集：Test set，测试算法的真正性能。测试集的分布要和真正应用时的分布一致，例如使用网络中爬取的图片作为训练，应用时输入用户上传的图片，如果划分一部分爬取图片作为测试集，可能测试结果不错，但真正算法性能可能很差，导致不能提前知道并改进。

开发集和测试集分布一致

开发集主要用于调整算法，如果和测试分布不一致，就不能保证开发集上的性能有提升，测试集上的性能也会跟着提升，不注意这点很坑人，会浪费大量的时间。

开发集和测试集的大小

开发集要足够大，以保证能够识别性能的提升。如果开发集只有100个样本，分类准确率提升1%，意味着仅仅多预测对一个样本，这很可能是误差和噪音带来的。如果开发集大小1000，区分0.1%的性能提升也是不准的。

同理，测试集也要足够大。

建立标量评价指标

实际任务可能有多个评价指标，比如识别图片是否有癌症，有分类准确率和召回率指标，光准确率高不够，召回率要高，有癌症的都能预测出来才行。要是都预测为有癌症，召回率高了，准确率却低了，老板该不高兴了。这时，只要定义一个数值指标，比如F1，朝着这个目标去，不用折腾别的了。团队可以快速迭代模型、评价性能提升、生活有奔头。

除了F1，还可以用加权的方式，将多个指标融入最终目标。

何时换开发集/测试集/评价指标

如果开发集有些过拟合，其上的性能提升不能代表真实的性能提升，换。

如果发现测试集和真实分布有出入，换。

如果发现评价指标有冗余，比如没有必要考虑召回率，准确率就够了，换。

基本错误分析

快速构建第一个系统，然后迭代

一上来就着手复杂的系统、最好的模型、想要面面俱到，不是一个好的方法。刚开始阶段，对问题了解的还不够，数据有哪些问题还不知道，有哪些坑，最值得投入的方向是什么都不清楚。应该先构建一个简单的模型，但是要快，从中发现问题、寻找灵感、改进模型，不断迭代。而且，简单模型可以用作基准，为后续模型提供参考。

错误分析：根据开发集评估想法

错误分析：通过检查样本出错情况，分析模型性能和改进方向的方法。

分析模型在开发集上的预测结果，归类错误类型，优先投入到提升空间大的想法。以识别图片是否有猫为例，如果对于狗的图片，模型预测为有猫的概率5%，再去改善这类错误，提升空间不是很大，浪费大量时间。可如果因为猫太小，没有识别到的错误率50%，应优先解决。

发现有多个并行的改进想法，人力够的话，可以同时实现，加快团队进度。

清除错误标签和样本

开发集可能含有错误标签和样本。如果错误占比较大，比如30%，影响了模型的评估，应当加以解决。如果错误占比1%，模型目前的错误率30%，还是算了吧，先别在这里浪费时间。

如果开发集较大，分出部分用于错误分析

开发集比较大的话，都看一遍太耗费精力，可以专门抽取一部分，从中吸取灵感，另外一部分仍可用来调参、模型选择等。

分出部分要足够大，使得找出的错误类型有普遍性。像猫识别的例子，如果猫太小导致的错误占比10%，但是只有1张，这跟开玩笑似的。

偏差和方差

两大类错误源

偏差：Bias，指的是算法建模的错误倾向。举个例子，如果真实的样本服从​, 用​去建模，然后求解​，无论如何拟合错误都很大，称为高偏差。如果发现分类训练准确率只有70%，数据也够，任务也简单，别人都是90%多，考虑是不是使用的模型太简单了，换个复杂的试试。

方差：Variance，指的是算法对于训练集样本波动的敏感性。如果算法很容易根据样本的噪声信息，区分训练样本，测试结果会很差，称为高方差。如果测试准确率70%，训练准确率90%，可能出现了高方差，试试正则化方法、获取更多数据等。

过拟合：Overfitting，低偏差、高方差

欠你和：Underfitting，高偏差、低方差

如果你发现模型的偏差较高，方差也不低，这时就能体会到，我经常遇到这种事是什么心情了。

对照最优错误率

最优错误率，通常以人类错误率、当前论文中SOTA结果等为准，根据它知道模型还有多少提升空间。

如果分类人类错误率14%，训练集错误率15%，开发集错误率30%，则再进行调整偏差，收获最多1%，提升不大，若减小方差，收获最多15%，可以着手去做。

对付偏差和方差

偏差和方差权衡：控制方差和偏差的折衷。减小偏差的同时，可能会增大方差，比如模型的复杂了，拟合能力变强，但更倾向于过拟合。缩小方差，也可能误伤到偏差，比如减小模型尺寸。

应对偏差：增大模型大小（神经网络层数、层数）、修改模型结构、增加输入特征（从错误分析中获取灵感）、减轻或消除正则化。

应对方差：增加数据、使用正则化、Early Stopping、特征选择（减少无用特征）、减小模型尺寸、修改模型结构、改变输入特征。

学习曲线

学习曲线：错误率随训练数据多少的变化趋势图。可以有效地诊断偏差和方差，辅助决定是否加入更多的数据。画学习曲线的时候，可以将训练数据采样部分出来，如果结果扰动厉害，采样多次，取结果的均值。

如下图所示，一般来说：

• 训练错误率要低于开发集错误率。

• 数据越少，越容易过拟合，方差越大。

• 数据增多，训练集和开发集错误缺口变小，方差减小。如果已经趋于平缓，表明没必要再增加数据了。

• 如果训练错误比期望表现高不少，说明偏差较大，考虑减小偏差。

人类水平对照

必要性

为什么和人类水平对照？通常来说，人容易完成的任务，做起来相对容易：

• 容易获取标注数据

• 容易进行错误分析

• 容易估计最优表现

人很难完成的任务，在上述方面做起来都有难度，决定做之前要慎重！

如何定义人类水平

对于同一个任务，不同人群水平不一样，拿识别图片是否有癌症来说，普通人的错误率10%，一般医生5%，而顶级专家可能只有1%。这时将5%作为人类水平来说合适，因为找一批医生来标注数据、错误分析等都很容易，找顶级专家来标多话，人家不会理你。

超越人类水平

如果模型已经和人类水平相当了，该如何继续提高？这时仍然可以提高模型某些方面的表现。比如语音识别，如果模型表现不错，可以通过错误分析，接着找出模型有哪些不足，若发现模型在噪音环境下不如人类，考虑下，如何进一步改进模型？人在噪声环境下如何识别的？有哪些灵感可以利用？

训练测试分布不同

何时会有这种情况

开发集和测试集要和真实分布一致，但是训练集不一定能够获取足量的真实分布数据。例如手机App识别猫图片，一开始获取用户上传10000张图片作为测试，训练数据不够，需要从网络中爬取大量的图片加入训练。

何时使用全部数据

如果有5k图片来自真实分布，50k图片来自网络爬取，要不要将50k图片全部加入训练？一般来说，加入额外的数据，神经网络表现会更好，这是假设神经网络的能力足够强，能hold住更多的图片。如果模型的容量有限，加入50k图片，可能导致模型把精力放在爬取图片上，而忽略了真实分布的特性。

不一致数据

有的时候额外获取的数据和真实数据有些关联，但要注意数据间是否一致，不一致的数据只会拖后腿。拿预测北京的房价来说，别净弄些印度泰国、缅甸老挝的房价数据，一点用没有。

数据加权

如果额外的数据较多，假设每条数据同等权重，会导致模型轻重失衡、本末倒置。计算损失的时候，加入的数据权重减小、真实数据权重增大，让模型兼顾不同数据。

从训练集到开发集的泛化

如果加入了额外的数据，结果训练集开发集表现差别较大，可能的原因有：

• 训练集上表现不好，这时偏差较大。

• 训练集上表现可以，和训练数据分布一致的数据上测试效果差，这时方差大。

• 训练集上表现可以，开发集上表现较差，这时训练数据和开发集数据不一致的影响较大。可以尝试理解训练集和开发集上数据间的差别，看看能否让训练数据和真实数据更匹配。

数据生成

如果数据不够，可以人工生成数据进行训练。若语音识别系统在车声中不准，可以跟老板申请买个车，用手机多录点。但要注意一点，一个车不够，因为模型可能学习到这个车的声音，换了其他车又不行了，还是坐出租较划算，可以假装打电话，实际上在录音。如果你是老板，要注意了，模型是否真的需要有车背景的语音？有可能模型已经做的不错了，再或者来了数据也没有大用，提前弄清楚，不然到时搭几辆车就亏大了。

调试推断算法

优化验证测试

很多优化目标对应着​，比如机器翻译，给定了源语言句子A，找出最合适的目标语言句子S*，​ 表示模型对于预测句子为S的打分。

这类求解通常包含一个搜索算法，比如beam search，来应对指数级别搜索空间，和一个打分模型​，评价不同的输出的好坏。这两部分的错误率，决定了整体的错误率。如果模型表现较差，但是对于大部分的S，​，说明打分模型没问题，搜索算法需要调整。反之，说明需要适当调整模型。

端到端深度学习

对比端到端和流水线系统

流水线系统：Pipeline system，输入经过多个组件，得到输出。比如下图的语音识别系统。流水线系统每个组件实现的任务较简单，需要的数据量较少，训练方便、鲁棒。但是，数据经过每个组件，会损失一些信息，比如第一层，进行特征提取的同时，丢失了语音信号的原始特征。另外，各个组件之间的耦合不一定最优，而且他们相互依赖。在第二部分的音素识别，人耳的语音识别中并不存在，如果性能不好，直接影响到后续组件和整体的性能。总的来说，流水线系统经过优化后，性能不错。如果每个组件都有数据来进行训练，又相对简单，考虑使用流水线系统。

端到端系统：End-to-end system，没有叠加的多个组件，输入经过模型一步得到输出。比如神经机器翻译。这类系统省去了设计组件的烦恼，不会因为组件间的限制影响了整体性能。但是数据需求大，必须覆盖范围足够广才行。拿神经机器翻译来说，要想端到端进行训练，数据必须支持模型学到各种各样的语言特征，包括两种语言的词对应、不同语境下词义的区分、每种语言的句法和转换关系等等，很复杂。只有数据够多了，才考虑进行端到端系统的设计。

选择流水线系统：任务简单性

设计组件任务的时候，考虑其难易，如果组件任务较难，存在较大的错误率，势必会影响后续处理。而且，简单任务需要的数据也少，训练也快。如下图，识别是否有暹罗猫，先识别猫的位置，再识别猫的种类，比直接识别是否有暹罗猫要简单。

流水线系统错误分析

流水线系统有多个组件，要分析每一个组件的错误类型，先解决提升空间大的错误。一个组件的输入来自前面组件的输出，在分析其错误情况的时候，要把上个组件的错误排除。如上图，识别猫种类时，发现上个组件框错了猫的位置，可以手动调整，再输入当前组件，得到真正的错误率。对于单独组件的分析，可以按前面提到的方法进行，比如统计错误类型、比对最优错误率、检查样本寻找灵感等等。

如果每个组件各自的性能都不错，但是整体表现不佳，考虑是否是流水线系统设计的有问题？人是如何判断的？是否是漏了什么信息？

资源

• 原书

• 中文翻译

• Bias and Variance Tradeoff

注：文章中观点为我对原书的理解，难免有错误，您要是发现了，可以参考原书相应章节，烦请也通知我。