模型评估与选择

  • 获得测试结果: 评估方法.
  • 评估性能优劣: 性能度量.
  • 判断实质差别: 比较检验.

〇. 经验误差与过拟合

  • 泛化误差: 未来样本上的误差; 训练误差: 也称作经验误差;

  • 过拟合(经验误差小, 泛化误差大); 欠拟合(经验误差大).

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一. 评估方法

包含 (m) 个样本的数据集 (D), 既要训练又要测试, 如何划分? - 数据集划分.

1.1 留出法 (hold-out)

  • 做法: 直接将数据集划分为两个互斥集合: 训练集 (S), 测试集 (T).
  • 注意: (S)(T) 的划分要尽可能保持数据分布一致性.
    • 分层抽样: 保持类别比例一致.
    • 若干次随机抽样, 取平均值.
  • 比例: (S/T) 比例通常在 2:1 ~ 4:1.

1.2 交叉验证法 (cross-validation)

  • 将数据集划分为 (k) 个大小相似的互斥子集(分层采样);
  • 每次选 (1) 个子集作为测试集, 余下的为训练集;
  • 最终取 (k) 个测试结果的均值.

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  • (10)(10) 折交叉验证, 含义:
    • (D) 划分为 (k) 个子集可能有多种划分方式, 随机使用不同的划分方式 (p) 次.
    • 最终结果为 (p)(k) 折交叉验证, 是所有测试结果的均值.
  • 留一法: 数据集 (D) 包含 (m) 个样本时, 取 (k=m).
    • 此时每个样本都被测试, 不受随机取样的影响.
    • 通常, 结果更加准确, 而计算开销太大.

二. 性能度量, performance measurement

根据测试结果 (f(x_i)) 和样本真实值 (y_i), 如何衡量机器学习模型的效果? - 从测试集计算指标.

2.1 回归任务

均方误差

[E(f ; D)=frac{1}{m} sum_{i=1}^{m}left(fleft(oldsymbol{x}_{i} ight)-y_{i} ight)^{2} ]

2.2 分类任务

错误率

[E(f ; D)=frac{1}{m} sum_{i=1}^{m} mathbb{I}left(fleft(oldsymbol{x}_{i} ight) eq y_{i} ight) ]

精确率/精度

[egin{aligned} operatorname{acc}(f ; D) &=frac{1}{m} sum_{i=1}^{m} mathbb{I}left(fleft(oldsymbol{x}_{i} ight)=y_{i} ight) =1-E(f ; D) end{aligned} ]

下面是一些与混淆矩阵(confusion matrix)有关的概念.

查准率/准确率, precision, (找到的都对)

[P=frac{TP}{TP+FP} ]

查全率/召回率, recall, (可能对的都找到)

[R = frac{TP}{TP+FN} ]

(F_1)(F_eta), (权衡 precision 和 recall)

[F_1 = frac{2 imes P imes R}{P+R} ]

[F_eta=frac{(1+eta^2) imes P imes R}{(eta^2 imes P) + R} ]

  • (eta = 1), 标准 (F_1).

  • (eta >1), 偏重查全率 (R) (逃犯信息检索)

  • (eta<1), 偏重查准率 (P) (商品推荐系统)

(ROC) 曲线 (AUC)

  • 分类器通常不是直接预测得到标签, 而是预测一个概率预测值, 然后将预测值(pred_prob)与分类阈值(threshold)进行比较.
    • ( ext{pred_prob} ge ext{threshold}), 认为是正类; 反之, 为反类.
  • 根据每个样本的 ( ext{pred_prob}), 可以对测试样本的预测结果进行排序; 最可能是正类的排在前, 最不可能是正类的排在后.
  • 分类过程, 相当于在上一步的排序结果中, 选取一个截断点 (cut point), 之前的认为是正类, 之后的认为是负类.
( ext{ROC}), Reciver Operating Characteristic
  • 根据预测结果 ( ext{pred_prob}) 对测试样本排序.
  • 逐个把样本作为正类进行预测 (相当于把 threshold 依次设置为每个样本的预测值 pred_prob), 每次设定后计算真正例率 ( ext{TPR}) 和假正例率 ( ext{FPR}).
  • ROC 曲线: (y) 轴是 ( ext{TPR}), (x) 轴是 ( ext{FPR}).

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  • 真正例率: ( ext{TPR} = frac{TP}{TP+FN}); 假正例率: ( ext{FPR} = frac{FP}{TN+FP}).
( ext{AUC}), Area Under ROC Curve
  • ( ext{ROC}) 曲线下方面积是 ( ext{AUC}), Area Under ROC Curve.
  • 有限样例的情况下, 可以用 ( ext{AUC}=frac{1}{2}sum_{i=1}^{m-1} (x_{i+1}-x_i)cdot(y_i+y_{i+1})). (梯形面积公式)
  • ( ext{AUC}) 考虑的是样本的排序质量 ( ext{AUC}=1-ell_{ ext {rank }})
    • 排序损失 (ell_{ ext {rank }}=frac{1}{m^{+} m^{-}} sum_{x^{+} in D^{+}} sum_{x^{-} in D^{-}}left(mathbb{I}left(fleft(oldsymbol{x}^{+} ight)<fleft(oldsymbol{x}^{-} ight) ight)+frac{1}{2} mathbb{I}left(fleft(oldsymbol{x}^{+} ight)=fleft(oldsymbol{x}^{-} ight) ight) ight))

三. 比较检验

测试集上的指标显示出的性能, 并不等于泛化性能. - 从测试性能推出泛化性能的把握有多大.

  • 假设检验: 为比较分类器性能提供依据. 根据假设检验的结果, 我们可以推断出, 若在测试集上 (A)(B) 好, 则 (A)泛化性能是否在统计意义上优于 (B) 的, 以及得到这个结论的把握有多大.
  • 借助数理统计工具.

3.1 T-检验

  • 多次重复留出法或者交叉验证法得到多组结果时, 可以使用"T-检验".

3.2 交叉验证T-检验

  • 对不同学习器进行比较. (k) 折交叉验证, 成对T-检验.

3.2 偏差-方差分解

  • 适用于回归任务, 拆解泛化误差.
    • 从三个方面进行定量: 算法, 数据, 任务.

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泛化性能是由: 算法学习能力, 数据充分性以及学习任务本身的难度共同决定的.

References

原文地址:https://www.cnblogs.com/crayonsea/p/14928148.html