过拟合标准定义:给定一个假设空间H,一个假设 h 属于H,如果存在其他的假设 h’ 属于H,使得在训练样例上 h 的错误率比 h’ 小,但在整个实例分布上 h’ 比 h 的错误率小,则假设 h 过度拟合训练数据。 —-《Machine Learning》Tom M.Mitchell
因为在统计学习中,假设数据满足独立同分布(i.i.d,independently and identically distributed),即当前已产生的数据可以对未来的数据进行推测与模拟,因此都是使用历史数据建立模型,即使用已经产生的数据去训练,然后使用该模型去拟合未来的数据。
但是一般独立同分布的假设往往不成立,即数据的分布可能会发生变化(distribution drift),并且可能当前的数据量过少,不足以对整个数据集进行分布估计,因此往往需要防止模型过拟合,提高模型泛化能力。而为了达到该目的的最常见方法便是:正则化,即在对模型的目标函数(objective function)或代价函数(cost function)加上正则项。
在对模型进行训练时,有可能遇到训练数据不够,即训练数据无法对整个数据的分布进行估计的时候,或者在对模型进行过度训练(overtraining)时,常常会导致模型的过拟合(overfitting)。如下图所示:
通过上图可以看出,随着模型训练的进行,模型的复杂度会增加,此时模型在训练数据集上的训练误差会逐渐减小,但是在模型的复杂度达到一定程度时,模型在验证集上的误差反而随着模型的复杂度增加而增大。此时便发生了过拟合,即模型的复杂度升高,但是该模型在除训练集之外的数据集上却不work。
(1)建模样本抽取错误,包括(但不限于)样本数量太少,抽样方法错误,抽样时没有足够正确考虑业务场景或业务特点,等等导致抽出的样本数据不能有效足够代表业务逻辑或业务场景;
(2)样本里的噪音数据干扰过大,大到模型过分记住了噪音特征,反而忽略了真实的输入输出间的关系;
(3)建模时的“逻辑假设”到了模型应用时已经不能成立了。任何预测模型都是在假设的基础上才可以搭建和应用的,常用的假设包括:假设历史数据可以推测未来,假设业务环节没有发生显著变化,假设建模数据与后来的应用数据是相似的,等等。如果上述假设违反了业务场景的话,根据这些假设搭建的模型当然是无法有效应用的。
(4)参数太多、模型复杂度高
(5)决策树模型。如果我们对于决策树的生长没有合理的限制和修剪的话,决策树的自由生长有可能每片叶子里只包含单纯的事件数据(event)或非事件数据(no event),可以想象,这种决策树当然可以完美匹配(拟合)训练数据,但是一旦应用到新的业务真实数据时,效果是一塌糊涂。
(6)神经网络模型。
a.由于对样本数据,可能存在隐单元的表示不唯一,即产生的分类的决策面不唯一.随着学习的进行, BP算法使权值可能收敛过于复杂的决策面,并至极致.
b.权值学习迭代次数足够多(Overtraining),拟合了训练数据中的噪声和训练样例中没有代表性的特征.
(1)权值衰减. 主要应用在神经网络模型中
它在每次迭代过程中以某个小因子降低每个权值,这等效于修改E的定义,加入一个与网络权值的总量相应的
惩罚项,此方法的动机是保持权值较小,避免weight decay,从而使学习过程向着复杂决策面的反方向偏。
(2)适当的stopping criterion
在二次误差函数的情况下,关于早停止和权值衰减类似结果的原因说明。椭圆给出了常数误差函数的轮廓线,Wml表示误差函数的最小值。如果权向量的起始点为原点,按照局部负梯度的方向移动,那么它会沿着曲线给出的路径移动。通过对训练过程早停止,我们找到了一个权值向量w。定性地说,它类似于使用检点的权值衰减正则化项,然后最小化正则化误差函数的方法得到的权值。
(3)验证数据
一个最成功的方法是在训练数据外再为算法提供一套验证数据,应该使用在验证集合上产生最小误差
的迭代次数,不是总能明显地确定验证集合何时达到最小误差.
Typically 30% of training patterns;Validation set error is checked each epoch;
Stop training if validation error goes up
(4)交叉验证
交叉验证方法在可获得额外的数据提供验证集合时工作得很好,但是小训练集合的过度拟合问题更为严重.
原理图
(5)添加正则项。L1正则更加容易产生稀疏解、L2正则倾向于让参数w趋向于0.
(6)针对树模型
a.在树过于大之前便停止生长
每个叶中至少需要多少个数据(threshold)
如何判断这个阈值(threshold)是重点【可以考虑用假设检验/P-值】
b.等树生长到足够大之后进行修剪
修剪枝叶,直到任何改动都会降低正确率
(1)增加样本的全面性和数量;
(2)控制模型的复杂度;
(3)不要过度训练
(4)模型融合本质上也是一种提高泛化能力的方法
对模型进行训练的过程即是对模型的参数进行学习更新的过程,这个参数学习的过程往往会用到一些迭代方法,如梯度下降(Gradient descent)学习算法。Early stopping便是一种迭代次数截断的方法来防止过拟合的方法,即在模型对训练数据集迭代收敛之前停止迭代来防止过拟合。
Early stopping方法的具体做法是,在每一个Epoch结束时(一个Epoch集为对所有的训练数据的一轮遍历)计算validation data的accuracy,当accuracy不再提高时,就停止训练。这种做法很符合直观感受,因为accurary都不再提高了,在继续训练也是无益的,只会提高训练的时间。那么该做法的一个重点便是怎样才认为validation accurary不再提高了呢?并不是说validation accuracy一降下来便认为不再提高了,因为可能经过这个Epoch后,accuracy降低了,但是随后的Epoch又让accuracy又上去了,所以不能根据一两次的连续降低就判断不再提高。一般的做法是,在训练的过程中,记录到目前为止最好的validation accuracy,当连续10次Epoch(或者更多次)没达到最佳accuracy时,则可以认为accuracy不再提高了。此时便可以停止迭代了(Early Stopping)。这种策略也称为“No-improvement-in-n”,n即Epoch的次数,可以根据实际情况取,如10、20、30……
在数据挖掘领域流行着这样的一句话,“有时候往往拥有更多的数据胜过一个好的模型”。因为我们在使用训练数据训练模型,通过这个模型对将来的数据进行拟合,而在这之间又一个假设便是,训练数据与将来的数据是独立同分布的。即使用当前的训练数据来对将来的数据进行估计与模拟,而更多的数据往往估计与模拟地更准确。因此,更多的数据有时候更优秀。但是往往条件有限,如人力物力财力的不足,而不能收集到更多的数据,如在进行分类的任务中,需要对数据进行打标,并且很多情况下都是人工得进行打标,因此一旦需要打标的数据量过多,就会导致效率低下以及可能出错的情况。所以,往往在这时候,需要采取一些计算的方式与策略在已有的数据集上进行手脚,以得到更多的数据。
通俗得讲,数据机扩增即需要得到更多的符合要求的数据,即和已有的数据是独立同分布的,或者近似独立同分布的。一般有以下方法:
正则化方法是指在进行目标函数或代价函数优化时,在目标函数或代价函数后面加上一个正则项,一般有L1正则与L2正则等。
正则是通过在代价函数后面加上正则项来防止模型过拟合的。而在神经网络中,有一种方法是通过修改神经网络本身结构来实现的,其名为Dropout。该方法是在对网络进行训练时用一种技巧(trick),对于如下所示的三层人工神经网络:
对于上图所示的网络,在训练开始时,随机得删除一些(可以设定为一半,也可以为1/3,1/4等)隐藏层神经元,即认为这些神经元不存在,同时保持输入层与输出层神经元的个数不变,这样便得到如下的ANN:
然后按照BP学习算法对ANN中的参数进行学习更新(虚线连接的单元不更新,因为认为这些神经元被临时删除了)。这样一次迭代更新便完成了。下一次迭代中,同样随机删除一些神经元,与上次不一样,做随机选择。这样一直进行瑕疵,直至训练结束。
Dropout方法是通过修改ANN中隐藏层的神经元个数来防止ANN的过拟合。具体可参见这里。
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指在模型参数拟合过程中的问题,由于训练数据包含抽样误差,训练时,复杂的模型将抽样误差也考虑在内,将抽样误差也进行了很好的拟合。具体表现就是训练集上效果好,在测试集上效果差。模型泛化能力弱。
发生过拟合主要有两方面的原因,下面就从数据和模型复杂度来考虑。
考虑集成的方法,结合多种模型:训练多个模型,以每个模型的平均输出作为结果。如Bagging随机森林,训练一堆互不关联的决策树。Boosting如GBDT,XGBoost。
Batch normalization
决策树的剪枝
通过贝叶斯的相关方法
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