六种方法帮你解决模型过拟合问题

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作者丨Mahitha Singirikonda

来源丨机器之心

导读

在机器学习中&＃xff0c;过拟合&＃xff08;overfitting&＃xff09;会使模型的预测性能变差&＃xff0c;通常发生在模型过于复杂的情况下&＃xff0c;如参数过多等。本文对过拟合及其解决方法进行了归纳阐述。 

正如巴菲特所言&＃xff1a;「近似的正确好过精确的错误。」

在机器学习中&＃xff0c;如果模型过于专注于特定的训练数据而错过了要点&＃xff0c;那么该模型就被认为是过拟合。该模型提供的答案和正确答案相距甚远&＃xff0c;即准确率降低。这类模型将无关数据中的噪声视为信号&＃xff0c;对准确率造成负面影响。即使模型经过很好地训练使损失很小&＃xff0c;也无济于事&＃xff0c;它在新数据上的性能仍然很差。欠拟合是指模型未捕获数据的逻辑。因此&＃xff0c;欠拟合模型具备较低的准确率和较高的损失。

如何确定模型是否过拟合&＃xff1f;

构建模型时&＃xff0c;数据会被分为 3 类&＃xff1a;训练集、验证集和测试集。训练数据用来训练模型&＃xff1b;验证集用于在每一步测试构建的模型&＃xff1b;测试集用于最后评估模型。通常数据以 80:10:10 或 70:20:10 的比率分配。

在构建模型的过程中&＃xff0c;在每个 epoch 中使用验证数据测试当前已构建的模型&＃xff0c;得到模型的损失和准确率&＃xff0c;以及每个 epoch 的验证损失和验证准确率。模型构建完成后&＃xff0c;使用测试数据对模型进行测试并得到准确率。如果准确率和验证准确率存在较大的差异&＃xff0c;则说明该模型是过拟合的。

如果验证集和测试集的损失都很高&＃xff0c;那么就说明该模型是欠拟合的。

如何防止过拟合

交叉验证

交叉验证是防止过拟合的好方法。在交叉验证中&＃xff0c;我们生成多个训练测试划分&＃xff08;splits&＃xff09;并调整模型。K-折验证是一种标准的交叉验证方法&＃xff0c;即将数据分成 k 个子集&＃xff0c;用其中一个子集进行验证&＃xff0c;其他子集用于训练算法。

交叉验证允许调整超参数&＃xff0c;性能是所有值的平均值。该方法计算成本较高&＃xff0c;但不会浪费太多数据。交叉验证过程参见下图&＃xff1a;

用更多数据进行训练

用更多相关数据训练模型有助于更好地识别信号&＃xff0c;避免将噪声作为信号。数据增强是增加训练数据的一种方式&＃xff0c;可以通过翻转&＃xff08;flipping&＃xff09;、平移&＃xff08;translation&＃xff09;、旋转&＃xff08;rotation&＃xff09;、缩放&＃xff08;scaling&＃xff09;、更改亮度&＃xff08;changing brightness&＃xff09;等方法来实现。

移除特征

移除特征能够降低模型的复杂性&＃xff0c;并且在一定程度上避免噪声&＃xff0c;使模型更高效。为了降低复杂度&＃xff0c;我们可以移除层或减少神经元数量&＃xff0c;使网络变小。

早停

对模型进行迭代训练时&＃xff0c;我们可以度量每次迭代的性能。当验证损失开始增加时&＃xff0c;我们应该停止训练模型&＃xff0c;这样就能阻止过拟合。

下图展示了停止训练模型的时机&＃xff1a;

正则化

正则化可用于降低模型的复杂性。这是通过惩罚损失函数完成的&＃xff0c;可通过 L1 和 L2 两种方式完成&＃xff0c;数学方程式如下&＃xff1a;

L1 惩罚的目的是优化权重绝对值的总和。它生成一个简单且可解释的模型&＃xff0c;且对于异常值是鲁棒的。

L2 惩罚权重值的平方和。该模型能够学习复杂的数据模式&＃xff0c;但对于异常值不具备鲁棒性。

这两种正则化方法都有助于解决过拟合问题&＃xff0c;读者可以根据需要选择使用。

Dropout

Dropout 是一种正则化方法&＃xff0c;用于随机禁用神经网络单元。它可以在任何隐藏层或输入层上实现&＃xff0c;但不能在输出层上实现。该方法可以免除对其他神经元的依赖&＃xff0c;进而使网络学习独立的相关性。该方法能够降低网络的密度&＃xff0c;如下图所示&＃xff1a;

总结

过拟合是一个需要解决的问题&＃xff0c;因为它会让我们无法有效地使用现有数据。有时我们也可以在构建模型之前&＃xff0c;预估到会出现过拟合的情况。通过查看数据、收集数据的方式、采样方式&＃xff0c;错误的假设&＃xff0c;错误表征能够发现过拟合的预兆。为避免这种情况&＃xff0c;请在建模之前先检查数据。但有时在预处理过程中无法检测到过拟合&＃xff0c;而是在构建模型后才能检测出来。我们可以使用上述方法解决过拟合问题。

原文链接&＃xff1a;https://mahithas.medium.com/overfitting-identify-and-resolve-df3e3fdd2860

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