机器学习 算法总结（二） 调参技巧

偏差和方差

• 在统计学习框架下，Error = Bias + Variance。Error指的模型的预测错误率，由两部分组成，一部分是由于模型太简单而带来的估计不准确的部分（Bias），另一部分是由于模型太复杂而带来的更大的变化空间和不确定性（Variance）。
• 如果要降低模型的Bias，就一定程度上会提高模型的Variance，反之亦然。根本原因是如果我们更相信训练数据的真实性，忽视对模型的先验知识，就会保证模型在训练样本上的准确度，这样可以减少模型的Bias，但这样会使模型的泛化能力不够，导致过拟合，降低模型在真实数据上的表现，增加模型的不确定性。反之，如果我们更注重模型的先验知识，在学习模型的过程中对模型增加更多的限制，就可以降低模型的variance，提高模型的稳定性，但也会使模型的Bias增大。
• 模型太简单：欠拟合；模型太复杂：过拟合。

 

抑制欠拟合与过拟合方法

欠拟合主要是因为模型太简单，不能很好地捕捉模型特征。

• 添加其他特征项让模型学习
• 使模型更复杂，比如说对一个线性模型添加多项式特征等
• 减少正则化参数

过拟合主要是因为模型太复杂，过度拟合训练数据，或是训练数据太少，导致模型不能很好地学习到全局特征。

• 清洗数据，去掉outliner
• 扩大数据集，包括从数据源头采集更多数据，复制原有数据并加上随机噪声，重采样，根据当前数据集估计数据分布参数，使用该分布产生更多数据等方法
• Early stopping，当valid准确率不提高时适时停止
• 正则化，包括L0正则、L1正则和L2正则
• dropout

 

L1与L2正则化说明和区别

L0范数：向量中非0元素的个数。

L1范数(Lasso Regularization)：向量中各个元素绝对值的和。

L2范数(Ridge Regression)：向量中各元素平方和求平方根。

L1正则化也叫Lasso回归（图左）：

可以看到如果ω为正，那么L1使ω减小，反之ω为负，L1使ω增大，也就是L1会让ω趋向于零，因此产生稀疏解。网络参数越多为零，可以认为模型越简单，有助于抑制过拟合。

缺点是在原点无法求导，一般人为定义为原点导数为零。

 

L2正则化也叫Ridge回归（图右）：

           

会使ω变小，参数变小一般可以认为使模型更简单，从而减小过拟合。并且L2正则化可以让优化求解变得稳定很快速（这是因为加入了L2范式之后，满足了强凸）。

为什么有助于让优化求解变得稳定很快速的原理可见：https://blog.csdn.net/zouxy09/article/details/24971995

L2对outliner更加敏感，outliner在图上就是离原点更远，惩罚就越大，所以L2会让解更加稠密，向原点靠拢。一般来说，L2在抑制过拟合的表现比L1好。

 

知乎上对为什么参数值变小能抑制过拟合有一个更为数学上的解释：

过拟合的时候，拟合函数的系数往往非常大，为什么？如下图所示，过拟合，就是拟合函数需要顾忌每一个点，最终形成的拟合函数波动很大。在某些很小的区间里，函数值的变化很剧烈。这就意味着函数在某些小区间里的导数值（绝对值）非常大，由于自变量值可大可小，所以只有系数足够大，才能保证导数值很大。

正则化是通过约束参数的范数使其不要太大，所以可以在一定程度上减少过拟合情况。

 

从统计概率的角度来看，L1 Norm和L2 Norm其实对向量中值的分布有着不同的先验假设：

蓝色是L1，红色是L2，L1认为是拉普拉斯先验，L2认为是高斯先验。可以看出L1对极端情况，也就是outliner忍受度更高。

如何从拉普拉斯和高斯先验推出L1和L2正则化可见：http://www.cnblogs.com/heguanyou/p/7688344.html

 

稀疏解的优点

• 能实现特征的自动选择，能自动过滤掉很多相关性低的特征
• 更少的特征意味着模型更容易解释

 

梯度下降算法

SGD 震荡很厉害

Momentum 改变一阶项，考虑之前的batch的影响，能够在相关方向加速SGD，抑制振荡，从而加快收敛

Ada 学习率自适应的方法，通过二阶项的约束，前期加大梯度，后期减小梯度，使得更快收敛。问题是分母的累加可能导致梯度消失太快，提前结束训练

Adadelta 减少了分母的累加

Rmpop Adadelta的一个变种，善于处理非平稳目标

Adam 结合了Momentum和Ada，结合了Adagrad善于处理稀疏梯度和RMSprop善于处理非平稳目标的优点，效果是最好的

 

如何避免局部最小？

• 用多个初始值，选择误差最小的参数作为最终结果
• 模拟退火，即在每一步以一定概率接受比当前解更差的结果，该概率随时间推移而降低，有助于跳出局部最小
• 随机梯度下降（SGD），由于每次只选择部分样本，有几率跳出局部最小

 

为什么说bagging是减少variance，而boosting是减少bias?

简单来说如果bagging的n个分类器的样本都是独立的，那么方差可以缩小n倍，偏差不变。尽管一般来说都不是完全独立的，也能一定程度上减小方差。boosting是用弱分类去训练错误样本，目标是减少偏差。

详细解释可见：https://www.zhihu.com/question/26760839

 

Batch Normalization归一化作用

用的不是很多，目的是为了解决不同层之间数据分布改变导致训练速度慢等的问题。

可以参考：

https://blog.csdn.net/yujianmin1990/article/details/78764597

https://blog.csdn.net/hjimce/article/details/50866313

 

特征选择

数据属性过多会造成维度灾难，特征选择就是从中选出更重要的部分属性。

• 过滤式：计算相关性，丢掉方差改变小的特征（方差阈值），丢掉高度相关的特征（冗余信息）。
• 包裹式：利用测试集作为评价标准，反过来选。
• 嵌入式：利用了L1norm直接做筛选。

 

特征提取

创造全新的，较小的特征集

• PCA：选取方差最大化的投影平面
  （1）先对所有样本中心化，xi = xi - x(average) 
  （2）计算协方差矩阵
  （3）对协方差矩阵用奇异值分解SVD
  （4）选取最大的k个特征值对应的特征向量

 

稀疏表示

稀疏表示本来是最小化L0范数的问题，这往往是一个NP hard的问题，一般用最小化L1范数作为近似。（L1是L0的最优近似）

是对于庞大数据集的一种降维表示，优点是省空间；奥卡姆剃刀说：如果两个模型的解释力相同，选择较简洁的那个。稀疏表达就符合这一点。

 

关于模型的选择

这篇讲的很好：https://www.leiphone.com/news/201608/WosBbsYqyfwcDNa4.html

1. 首当其冲应该选择的就是逻辑回归，如果它的效果不怎么样，那么可以将它的结果作为基准来参考，在基础上与其他算法进行比较；

2. 然后试试决策树（随机森林）看看是否可以大幅度提升你的模型性能。即便最后你并没有把它当做为最终模型，你也可以使用随机森林来移除噪声变量，做特征选择；

3. 如果特征的数量和观测样本特别多，那么当资源和时间充足时（这个前提很重要），使用SVM不失为一种选择。

通常情况下：【GBDT>=SVM>=RF>=Adaboost>=Other…】