【白话机器学习的数学】读书笔记(4)评估(评估已建立的模型)

四、评估(评估已建立的模型)

1.评估什么

在进行回归和分类时，为了进行预测，我们定义了函数$f_{\theta }(x)$，然后根据训练数据求出了函数的参数 θ。最后求出了参数更新表达式，然后不断重复更新参数。

但是我们不要忘了我们的目标是通过预测函数得到预测值。所以我们要评估的就是预测函数$f_{\theta }(x)$的正确性。

2.交叉验证

把全部训练数据分为测试数据和训练数据的做法称为交叉验证。

1 回归问题的验证

把获取的全部训练数据分成两份：一份用于测试，一份用于训练。然后用前者来评估模型。

用一次函数预测的效果$f_{\theta }(x)={\theta }_0+{\theta }_1{x}^{?}$：

二次函数预测的效果：

那么，二次函数是只有对训练数据才是正确的。

如果只看训练数据，那么二次函数比一次函数拟合得更好。但是，如果将测试数据也考虑进来，那么二次函数就完全不行了。

模型评估就是像这样检查训练好的模型对测试数据的拟合情况。

评估：对于回归的情况，只要在训练好的模型上计算测试数据的误差的平方，再取其平均值就可以了。假设测试数据有 n 个，那么可以这样计算。
$$MSE=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{\left(y^{(i)}?f_{\theta }({\mathbf{x}}^{(i)})\right)}^2$$

• 这个值被称为均方误差或者 MSE，全称 Mean Square Error。

• 对于预测点击量的回归问题来说，y(i) 就是点击量，而 x(i) 是广告
  费或广告版面的大小

其实，回归的目标函数也是误差函数。因为他们要做的事情是一致的，为了让误差函数的值变小而更新参数时所做的事情是一样的。

2 分类问题的验证

首先还是数据的分配：

对于分类的结果有以下几种情况：

设横向的情况为正、非横向的情况为负，那么一般来说，二分类的结果可以用这张表来表示：

即分类结果为正的情况是 Positive、为负的情况是 Negative。分类成功为 True、分类失败为 False。

那么精度Accuracy就可以表示成：
$$Accuracy=\frac{\mathrm{TP}+\mathrm{TN}}{\mathrm{TP}+\mathrm{FP}+\mathrm{FN}+\mathrm{TN}}$$
假如 100 个数据中 80 个被正确地分类了,那么精度就是：
$$Accuracy=\frac{80}{100}=0.8$$

3 精确率和召回率

假设有 100 个数据，其中 95 个是 Negative。那么，哪怕出现模型把数据全部分类为 Negative 的极端情况，Accuracy 值也为 0.95，也就是说模型的精度是 95%

不管精度多高，一个把所有数据都分类为 Negative 的模型，不能算作一个好模型。

所以，我们要引入别的指标。

1.精确率Precision

$$Precision=\frac{\mathrm{TP}}{\mathrm{TP}+\mathrm{FP}}$$

• 这个指标只关注 TP 和 FP(只关注分类为Positive的部分)
• 它的含义是在被分类为 Positive 的数据中，实际就是 Positive 的数据所占的比例
• 这个值越高，说明分类错误越少。假设TP = 1，FP = 2，那么Precision = 33.3%。虽然被分类为 Positive 的数据有 3 个，但其中只有 1 个是分类正确的。所以计算得出的精确率很低。

2.召回率Recall

$$Recall=\frac{\mathrm{TP}}{\mathrm{TP}+\mathrm{FN}}$$

• 这个指标只关注 TP 和 FN
• 它的含义是在Positive 数据中，实际被分类为 Positive 的数据所占的比例
• 这个值越高，说明被正确分类的数据越多
• 假设TP = 1，FN = 4（FN是数据是Positive但被分类为Negative的个数），那么Recall = 1/5。
• 虽然 Positive 数据共有 5 个，但只有 1 个被分类为 Positive。所以计算得出的召回率也很低。

4 F值

精确率和召回率会一个高一个低，这时候就需要了评定综合性能的指标 F 值。
$$Fmeasure=\frac{2}{\frac{1}{Precision}+\frac{1}{Recall}}=\frac{2?Precision?Recall}{Precision+Recall}$$
精确率和召回率只要有一个低，就会拉低 F 值。

有时称 F 值为 F1 值会更准确，这一点需要注意。有的时候含义相同，有时候却并不相同。除 F1 值之外，还有一个带权重的 F 值指标：
$$WeightedFmeasure=\frac{(1+{\beta }^2)?Precision?Recall}{{\beta }^2?Precision+Recall}$$

• 我们可以认为 F 值指的是带权重的 F 值，当权重为 1 时才是刚才介绍的 F1 值。
• F1 值在数学上是精确率和召回率的调和平均值。

之前介绍的精确率和召回率都是以 TP 为主进行计算的，也能以 TN 为主：
$$\begin{array}{rl}\text{Precision}& =\frac{\mathrm{TN}}{\mathrm{TN}+\mathrm{FN}}\\ \text{Recall}& =\frac{\mathrm{TN}}{\mathrm{TN}+\mathrm{FP}}\end{array}$$
我们选择TP和TN的一个重要依据是当数据不平衡时，使用数量少的那个会更好。

5 K折交叉验证

• 把全部训练数据分为 K 份
• 将 K ? 1 份数据用作训练数据，剩下的 1 份用作测试数据
• 每次更换训练数据和测试数据，重复进行 K 次交叉验证
• 最后计算 K 个精度的平均值，把它作为最终的精度

假如我们要进行 4 折交叉验证，那么就会这样测量精度：

不切实际地增加 K 值会非常耗费时间，所以我们必须要确定一个合适的 K 值

3.正则化

模型只能拟合训练数据的状态被称为过拟合，英文是 overfitting。

避免过拟合的几种方法：

• 增加全部训练数据的数量
• 使用简单的模型
• 正则化

1 正则化的方法

回归的目标函数：
$$E(\mathbf{\theta })=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^n{\left(y^{(i)}?f_{\mathbf{\theta }}({\mathbf{x}}^{(i)})\right)}^2$$
我们要向这个目标函数增加下面这样的正则化项：
$$R(\mathbf{\theta })=\frac{\lambda }{2}\sum _{j=1}^m{\theta }_j^2$$
就变成了：
$$\begin{array}{rl}E(\mathbf{\theta })& \begin{array}{r}=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^n{\left(y^{(i)}?f_{\mathbf{\theta }}({\mathbf{x}}^{(i)})\right)}^2+R(\mathbf{\theta })\end{array}\\ & =\frac{1}{2}\sum _{i=1}^n{\left(y^{(i)}?f_{\theta }({\mathbf{x}}^{(i)})\right)}^2+\frac{\lambda }{2}\sum _{j=1}^m{\theta }_j^2\end{array}$$
我们要对这个新的目标函数进行最小化，这种方法就称为正则化。

• 一般来说不对 $θ_0 $应用正则化。所以仔细看会发现?j?的取值是从1开始的。$θ_0$ 这种只有参数的项称为偏置项，一般不对它进行正则化。

• 假如预测函数的表达式为 $f\theta (x)={\theta }_0+{\theta }_{1}x+{\theta }_2{x}^2$，那么 m = 2 就意味着正则化的对象参数为 θ1 和 θ2。

• λ 是决定正则化项影响程度的正的常数。需要我们自行确定。

2 正则化的效果

把目标函数分成两个部分：
$$\begin{array}{rl}& C(\mathbf{\theta })=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^n{\left(y^{(i)}?f_{\theta }({\mathbf{x}}^{(i)})\right)}^2\\ & R(\mathbf{\theta })=\frac{\lambda }{2}\sum _{j=1}^m{\theta }_j^2\end{array}$$

• C(θ) 是本来就有的目标函数项，R(θ) 是正则化项

C(θ) 和 R(θ) 相加之后就是新的目标函数，所以我们实际地把这两个函数的图形画出来。

参数太多就画不出图来了，所以这里我们只关注 θ1。而且为了更加易懂，先不考虑 λ。

从这个目标函数在没有正则化项时的形状来看，${\theta }_1=4.5$ 附近是最小值。

接下来是 R(θ)，它就相当于$\frac{1}{2}{\theta }_1^2$，所以是过原点的简单二次函数。

实际的目标函数是这两个函数之和$E(\theta )=C(\theta )+R(\theta )$

与加正则化项之前相比，${\theta }_1$ 更接近 0 了。本来是在 ${\theta }_1=4.5$ 处最小，现在是在 ${\theta }_1=0.9$ 处最小，的确更接近 0 了。

这就是正则化的效果。它可以防止参数变得过大，有助于参数接近较小的值。虽然我们只考虑了 ${\theta }_1$，但其他 ${\theta }_j$ 参数的情况也是类似的。

参数的值变小，意味着该参数的影响也会相应地变小。比如，有这样的一个预测函数 $f_{\theta }(x)$。
$$f_{\mathbf{\theta }}(\mathbf{x})={\theta }_0+{\theta }_{1}x+{\theta }_2{x}^2$$
极端一点，假设 ${\theta }_2=0$，这个表达式就从二次变为一次了。这就意味着本来是曲线的预测函数变为直线了。

这正是通过减小不需要的参数的影响，将复杂模型替换为简单模型来防止过拟合的方式。

为了防止参数的影响过大，在训练时要对参数施加这样的一些惩罚。

λ 是可以控制正则化惩罚的强度。

• 令 λ = 0，那就相当于不使用正则化
• λ 越大，正则化的惩罚也就越严厉

3 分类的正则化

前面讨论的是回归的情况，分类也是可以正则化的。

逻辑回归的目标函数：
$$\log L(\mathbf{\theta })=\sum _{i=1}^n\left(y^{(i)}\log f_{\theta }({\mathbf{x}}^{(i)})+(1?y^{(i)})\log (1?f_{\theta }({\mathbf{x}}^{(i)}))\right)$$
分类也是在这个目标函数中增加正则化项就行了：
$$\begin{array}{rl}\log L(\theta )& =?\sum _{i=1}^n\left(y^{(i)}\log f_{\theta }(x^{(i)})+(1?y^{(i)})\log (1?f_{\theta }(x^{(i)}))\right)+\frac{\lambda }{2}\sum _{j=1}^m{\theta }_j^2\end{array}$$

• 对数似然函数本来以最大化为目标。但是，这次我想让它变成和回归的目标函数一样的最小化问题，所以加了负号。

4 包含正则化项的表达式的微分

1 回归加入正则化后的更新表达式

目标函数的形式变了，参数更新的表达式也会变，不过只要再把正则化项的部分也微分。
$$\begin{gathered} E(\mathbf{\theta })=C(\mathbf{\theta })+R(\mathbf{\theta }) \\ \frac{?E(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}=\frac{?C(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}+\frac{?R(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j} \end{gathered}$$
第一部分：
$$\frac{?C(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}=\sum _{i=1}^n(f_{\theta }({\mathbf{x}}^{(i)})?y^{(i)})x_j^{(i)}$$
第二部分：
$$\begin{gathered} \begin{array}{rl}R(\mathbf{\theta })& =\frac{\lambda }{2}\sum _{j=1}^m{\theta }_j^2\\ & =\frac{\lambda }{2}{\theta }_1^2+\frac{\lambda }{2}{\theta }_2^2+?+\frac{\lambda }{2}{\theta }_m^2\end{array} \\ \frac{?R(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}=\lambda {\theta }_j \end{gathered}$$
整合：
$$\frac{?E(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}=\sum _{i=1}^n\left(f_{\mathbf{\theta }}({\mathbf{x}}^{(i)})?y^{(i)}\right)x_j^{(i)}+\lambda {\theta }_j$$
所以加入了正则化项的参数更新表达式：
$$\begin{array}{rlr}{\theta }_0& :={\theta }_0?\eta \left(\sum _{i=1}^n\left(f_{\mathbf{\theta }}({\mathbf{x}}^{(i)})?y^{(i)}\right)x_j^{(i)}\right)& \\ & & \\ {\theta }_j& :={\theta }_j?\eta \left(\sum _{i=1}^n\left(f_{\mathbf{\theta }}({\mathbf{x}}^{(i)})?y^{(i)}\right)x_j^{(i)}+\lambda {\theta }_j\right)& (j>0)\end{array}$$
一般不对 ${\theta }_0$ 应用正则化。$R(\theta )$ 对 ${\theta }_0$ 微分的结果为 0，所以 j = 0 时表达式中的 $\lambda {\theta }_j$ 就消失了。

2 逻辑回归包含正则化项的更新表达式

其实和回归的处理是一样的。
$$\begin{array}{rl}& C(\mathbf{\theta })\begin{array}{r}=?\sum _{i=1}^n\left(y^{(i)}\log f_{\mathbf{\theta }}({\mathbf{x}}^{(i)})+(1?y^{(i)})\log (1?f_{\mathbf{\theta }}({\mathbf{x}}^{(i)}))\right)\end{array}\\ & R(\mathbf{\theta })=\frac{\lambda }{2}\sum _{j=1}^m{\theta }_j^2\\ & E(\mathbf{\theta })=C(\mathbf{\theta })+R(\mathbf{\theta })\end{array}$$

然后求微分：
$$\frac{?E(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}=\frac{?C(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}+\frac{?R(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}$$
现在考虑的是最小化问题，所以要注意在前面加上负号。也就是要进行符号的反转。
$$\begin{gathered} \frac{?C(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}=\sum _{i=1}^n\left(f_{\theta }({\mathbf{x}}^{(i)})?y^{(i)}\right)x_j^{(i)} \\ \frac{?R(\mathbf{\theta })}{?{\theta }_j}=\lambda {\theta }_j \end{gathered}$$
所以更新表达式为：
$$

$$

$$\begin{array}{rl}{\theta }_0& :={\theta }_0?\eta \left(\sum _{i=1}^n\left(f_{\mathbf{\theta }}({\mathbf{x}}^{(i)})?y^{(i)}\right)x_j^{(i)}\right)\\ & \\ {\theta }_j& :={\theta }_j?\eta \left(\sum _{i=1}^n\left(f_{\mathbf{\theta }}({\mathbf{x}}^{(i)})?y^{(i)}\right)x_j^{(i)}+\lambda {\theta }_j\right)(j>0)\end{array}$$

上面介绍的方法是L2正则化。

5 L2正则化 VS L1正则化

L2 正则化方法之外，还有 L1 正则化方法。它的正则化项 R 是：
$$R(\mathbf{\theta })=\lambda \sum _{i=1}^m|{\theta }_i|$$

对比：

• L1 正则化的特征是被判定为不需要的参数会变为 0，从而减少变量个数。而 L2 正则化不会把参数变为 0。
• L2 正则化会抑制参数，使变量的影响不会过大，而 L1 会直接去除不要的变量。

没有绝对的好坏，使用那种正则化取决于实际问题。

4.学习曲线

展示了数据数量和精度的图称为学习曲线。

1 欠拟合

欠拟合是没有拟合训练数据的状态，用英文说是 underfitting。

2 区分欠拟合和过拟合：

以数据的数量为横轴、以精度为纵轴，然后把用于训练的数据和用于测试的数据画成图：

a.欠拟合

当目标函数很简单，$f_{\theta }(x)$为一次函数时：

• 只选用2个数据进行训练

在这个状态下，2 个用来训练的点都完美拟合，误差为 0。

• 把 10 个数据都用来训练

在这种情况下，误差已经无法为 0且很大。

模型过于简单，那么随着数据量的增加，误差也会一点点变大。也就是精度会一点点下降。

以数据的数量为横轴、以精度为纵轴的图：

用测试数据先评估根据 2 个训练数据训练好的模型，再评估根据10 个训练数据训练好的模型，我们可以得出结论：

• 训练数据较少时训练好的模型难以预测未知的数据(测试数据)，所以精度很低；相反，训练数据变多时，预测精度就会一点点地变高

两份数据的精度用图来展示后，如果是这种形状，就说明出现了欠拟合的状态。也叫作高偏差。

b.过拟合

过拟合的情况下，图是这样的。这也叫作高方差：

随着数据量的增加，使用训练数据时的精度一直很高，而使用测试数据时的精度一直没有上升到它的水准。

只对训练数据拟合得较好，这就是过拟合的特征。

3 总结

像这样展示了数据数量和精度的图称为学习曲线。

通过学习曲线判断出是过拟合还是欠拟合之后，就可以采取相应的对策以便改进模型。