欠擬合與過擬合

欠擬合是指模型在訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測試集上均表現(xiàn)不佳的情況；

過擬合是指模型在訓(xùn)練集上表現(xiàn)很好，到了驗(yàn)證和測試階段就大不如意了，即模型的泛化能力很差。

欠擬合和過擬合一直是機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練中的難題，在進(jìn)行模型訓(xùn)練的時(shí)候往往要對(duì)這二者進(jìn)行權(quán)衡，使得模型不僅在訓(xùn)練集上表現(xiàn)良好，在驗(yàn)證集以及測試集上也要有出色的預(yù)測能力。下面對(duì)解決欠擬合和過擬合的一般方法作一總結(jié)，說明大致的處理方向，具體應(yīng)用還得結(jié)合實(shí)際的任務(wù)、數(shù)據(jù)和算法模型等。

解決欠擬合(高偏差)的方法

1. 模型復(fù)雜化

? 對(duì)同一個(gè)算法復(fù)雜化。例如回歸模型添加更多的高次項(xiàng)，增加決策樹的深度，增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層數(shù)和隱藏單元數(shù)等

? 棄用原來的算法，使用一個(gè)更加復(fù)雜的算法或模型。例如用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來替代線性回歸，用隨機(jī)森林來代替決策樹等

2. 增加更多的特征，使輸入數(shù)據(jù)具有更強(qiáng)的表達(dá)能力

? 特征挖掘十分重要，尤其是具有強(qiáng)表達(dá)能力的特征，往往可以抵過大量的弱表達(dá)能力的特征

? 特征的數(shù)量往往并非重點(diǎn)，質(zhì)量才是，總之強(qiáng)特最重要

? 能否挖掘出強(qiáng)特，還在于對(duì)數(shù)據(jù)本身以及具體應(yīng)用場景的深刻理解，往往依賴于經(jīng)驗(yàn)

3. 調(diào)整參數(shù)和超參數(shù)

? 超參數(shù)包括：
- 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中：學(xué)習(xí)率、學(xué)習(xí)衰減率、隱藏層數(shù)、隱藏層的單元數(shù)、Adam優(yōu)化算法中的β1和β2參數(shù)、batch_size數(shù)值等
- 其他算法中：隨機(jī)森林的樹數(shù)量，k-means中的cluster數(shù)，正則化參數(shù)λ等

4. 增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)往往沒有用

? 欠擬合本來就是模型的學(xué)習(xí)能力不足，增加再多的數(shù)據(jù)給它訓(xùn)練它也沒能力學(xué)習(xí)好

5. 降低正則化約束

? 正則化約束是為了防止模型過擬合，如果模型壓根不存在過擬合而是欠擬合了，那么就考慮是否降低正則化參數(shù)λ或者直接去除正則化項(xiàng)

解決過擬合(高方差)的方法

1. 增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)數(shù)

? 發(fā)生過擬合最常見的現(xiàn)象就是數(shù)據(jù)量太少而模型太復(fù)雜

? 過擬合是由于模型學(xué)習(xí)到了數(shù)據(jù)的一些噪聲特征導(dǎo)致，增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)的量能夠減少噪聲的影響，讓模型更多地學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的一般特征

? 增加數(shù)據(jù)量有時(shí)可能不是那么容易，需要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力去搜集處理數(shù)據(jù)

? 利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充或許也是一個(gè)好辦法。例如在圖像識(shí)別中，如果沒有足夠的圖片訓(xùn)練，可以把已有的圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，拉伸，鏡像，對(duì)稱等，這樣就可以把數(shù)據(jù)量擴(kuò)大好幾倍而不需要額外補(bǔ)充數(shù)據(jù)

? 注意保證訓(xùn)練數(shù)據(jù)的分布和測試數(shù)據(jù)的分布要保持一致，二者要是分布完全不同，那模型預(yù)測真可謂是對(duì)牛彈琴了

2. 使用正則化約束

? 在代價(jià)函數(shù)后面添加正則化項(xiàng)，可以避免訓(xùn)練出來的參數(shù)過大從而使模型過擬合。使用正則化緩解過擬合的手段廣泛應(yīng)用，不論是在線性回歸還是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的梯度下降計(jì)算過程中，都應(yīng)用到了正則化的方法。常用的正則化有l(wèi)1正則和l2正則，具體使用哪個(gè)視具體情況而定，一般l2正則應(yīng)用比較多

3. 減少特征數(shù)

? 欠擬合需要增加特征數(shù)，那么過擬合自然就要減少特征數(shù)。去除那些非共性特征，可以提高模型的泛化能力

4. 調(diào)整參數(shù)和超參數(shù)

? 不論什么情況，調(diào)參是必須的

5. 降低模型的復(fù)雜度

? 欠擬合要增加模型的復(fù)雜度，那么過擬合正好反過來

6. 使用Dropout

? 這一方法只適用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，即按一定的比例去除隱藏層的神經(jīng)單元，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)簡單化

7. 提前結(jié)束訓(xùn)練

? 即early stopping，在模型迭代訓(xùn)練時(shí)候記錄訓(xùn)練精度(或損失)和驗(yàn)證精度(或損失)，倘若模型訓(xùn)練的效果不再提高，比如訓(xùn)練誤差一直在降低但是驗(yàn)證誤差卻不再降低甚至上升，這時(shí)候便可以結(jié)束模型訓(xùn)練了