科普一下機器學習熱門概念

機器學習日常：不是在建模，就是在建模的路上。

而在建模過程中，又能聽到煉丹愛好者時而念念有詞“怎么又過擬合了？”，時而自我安慰“找到偏差和方差的平衡點是成功的訣竅”。

所以為了能讓非專業者也能愉快地玩（zhuang）耍（bi），今天就來科普一下機器學習的幾個常見概念。

泛化

如何判別一個每天都刷題的高中班級的成績怎么樣呢？

拉去考一場。

那怎么判斷一個機器學習領域的新算法到底棒不棒呢？

去新數據里溜一圈。

這種對于訓練集以外的數據也能進行良好的判別，或得到合適輸出的能力，就稱為機器學習模型的泛化（generalization）能力。

并且，說一個模型泛化能力弱，那也是有很多種弱法的。

過擬合與欠擬合

有些模型，直接死在提取數據特征這一步。

訓練集上就沒有完全擬合數據，實際樣本中的表現同樣誤差很大。

類似一個高中生每天都拿著五三刷，但是始終找不到做題規律，模擬題做得拉跨，考試就更不用說。

這種在訓練集和測試集（實際樣本）中都表現不好的情況，就叫做欠擬合（Underfitting）。

這通常是因為模型復雜度低引起的（就是菜得很實在）。

而有些模型在訓練時表現良好：

但一到實戰就撲街。

這種在訓練集上表現良好，但在測試集上表現很差的情況，就叫做過擬合（Overfitting）。

訓練集質量不高就可能導致過擬合，比如樣本不足，或者訓練數據中的噪聲（干擾數據）過多。

也有可能因為模型復雜度高于實際問題，只是死記硬背下了訓練數據的信息，但完全無法推廣到沒見過的新數據上。

不管菜到底有幾種方式，對于一個機器模型來說，總歸是在實際應用里表現不好，發生了泛化誤差（Generalization Error）。

而這種誤差，可以再次細化為兩個方面：

誤差（Error） = 偏差（Bias） + 方差（Variance）

偏差與方差

在機器學習領域，偏差（bias）是指模型的預測值相對于真實結果的偏離程度。

△其中f(x)為預測函數，y為樣本數據真實值

而方差（variance）與真實值沒有關系，只描述通過模型得到的預測值之間的分布情況。

對于一個模型來說，偏差反映模型本身的精確度，而方差則衡量模型的穩定性。

如果模型過于簡單且參數很少，那么它可能具有高偏差和低方差的特征，也就會造成欠擬合。

而如果模型復雜而具有大量參數，那么它將具有高方差和低偏差的特征，造成過擬合。

看上去，一個好的機器模型就是要同時追求更低的偏差和方差。

但在實際應用中，偏差和方差往往不可兼得。

偏差與方差的權衡

先來看這兩個模型：

右邊的模型明顯比左邊要復雜很多，也因此它的偏差更低，方差更高，與左邊的模型相反。

這種偏差與方差之間的沖突就是偏差-方差窘境（Bias- Variance dilemma）：

在改進算法時，要減少偏差就會增大方差，反之亦然。

因此，我們需要找到一個合適的平衡點，既不會因為高偏差而造成欠擬合，也不會因為高方差而造成過擬合。

這種偏差與方差之間的權衡（bias and variance trade-off），實際上也就是模型復雜度的權衡。

為什么要提出這些概念？

簡單來說，為了讓計算機也學會人類的概括能力。

比如，如果我們要通過某地房屋面積與房價之間的關系，進而幫助房屋售賣者選取更合適的售價，那么下面哪個函數最好呢？

第一個明顯欠擬合。都沒有從給定的數據中找到一般規律，更不用說讓函數去預測新房價面積可能對應的售價了。

第三個就是過擬合，函數參數過多，想要抓住所變化，反而導致模型的通用性下降，預測效果大打折扣。

而第二個函數基本擬合了樣本數據，形成了一般規律，也保證了對新數據的預測能力。

能從海量數據中找到一般規律，這就是一個模型的泛化能力。

模型的泛化能力越高，通用性也就越強，這樣能完成的任務范圍也就越廣。

但就算是ANN（人工神經網絡）這樣優秀的機器學習模型，目前也還是受限于偏差與方差的權衡。

算法工程師們提出了各種方法，如正則化（Regularization)、套袋法（Bagging）、貝葉斯法（Bayesian)，使模型能夠更好地概括舊數據，預測新數據。

并期望著最終能構建一個機器學習模型，使其能力無限逼近目前最強的通用模型——人類大腦。