机器学习--避免过度拟合 笔记

过渡拟合

采用上面算法生成的决策树在事件中往往会导致过滤拟合。也就是该决策树对训练数据可以得到很低的错误率,但是运用到测试数据上却得到非常高的错误率。过渡拟合的原因有以下几点:

  • 噪音数据:训练数据中存在噪音数据,决策树的某些节点有噪音数据作为分割标准,导致决策树无法代表真实数据。
  • 缺少代表性数据:训练数据没有包含所有具有代表性的数据,导致某一类数据无法很好的匹配,这一点可以通过观察混淆矩阵(Confusion Matrix)分析得出。
  • 多重比较Mulitple Comparition):举个列子,股票分析师预测股票涨或跌。假设分析师都是靠随机猜测,也就是他们正确的概率是0.5。每一个人预测10次,那么预测正确的次数在8次或8次以上的概率为 image,只有5%左右,比较低。但是如果50个分析师,每个人预测10次,选择至少一个人得到8次或以上的人作为代表,那么概率为 image,概率十分大,随着分析师人数的增加,概率无限接近1。但是,选出来的分析师其实是打酱油的,他对未来的预测不能做任何保证。上面这个例子就是多重比较。这一情况和决策树选取分割点类似,需要在每个变量的每一个值中选取一个作为分割的代表,所以选出一个噪音分割标准的概率是很大的。

优化方案1:修剪枝叶

决策树过渡拟合往往是因为太过“茂盛”,也就是节点过多,所以需要裁剪(Prune Tree)枝叶。裁剪枝叶的策略对决策树正确率的影响很大。主要有两种裁剪策略。

前置裁剪 在构建决策树的过程时,提前停止。那么,会将切分节点的条件设置的很苛刻,导致决策树很短小。结果就是决策树无法达到最优。实践证明这中策略无法得到较好的结果。

后置裁剪 决策树构建好后,然后才开始裁剪。采用两种方法:1)用单一叶节点代替整个子树,叶节点的分类采用子树中最主要的分类;2)将一个字数完全替代另外一颗子树。后置裁剪有个问题就是计算效率,有些节点计算后就被裁剪了,导致有点浪费。

优化方案2:K-Fold Cross Validation

首先计算出整体的决策树T,叶节点个数记作N,设i属于[1,N]。对每个i,使用K-Fold Validataion方法计算决策树,并裁剪到i个节点,计算错误率,最后求出平均错误率。这样可以用具有最小错误率对应的i作为最终决策树的大小,对原始决策树进行裁剪,得到最优决策树。

优化方案3:Random Forest

Random Forest是用训练数据随机的计算出许多决策树,形成了一个森林。然后用这个森林对未知数据进行预测,选取投票最多的分类。实践证明,此算法的错误率得到了经一步的降低。这种方法背后的原理可以用“三个臭皮匠定一个诸葛亮”这句谚语来概括。一颗树预测正确的概率可能不高,但是集体预测正确的概率却很高。

准确率估计

决策树T构建好后,需要估计预测准确率。直观说明,比如N条测试数据,X预测正确的记录数,那么可以估计acc = X/N为T的准确率。但是,这样不是很科学。因为我们是通过样本估计的准确率,很有可能存在偏差。所以,比较科学的方法是估计一个准确率的区间,这里就要用到统计学中的置信区间Confidence Interval)。

设T的准确率p是一个客观存在的值,X的概率分布为X ~ B(N,p),即X遵循概率为p,次数为N的二项分布(Binomial Distribution),期望E(X) = N*p,方差Var(X) = N*p*(1-p)。由于当N很大时,二项分布可以近似有正太分布(Normal Distribution)计算,一般N会很大,所以X ~ N(np,n*p*(1-p))。可以算出,acc = X/N的期望E(acc) = E(X/N) = E(X)/N = p,方差Var(acc) = Var(X/N) = Var(X) / N2 = p*(1-p) / N,所以acc ~ N(p,p*(1-p)/N)。这样,就可以通过正太分布的置信区间的计算方式计算执行区间了。

正太分布的置信区间求解如下:

1) 将acc标准化,即image

2) 选择置信水平α= 95%,或其他值,这取决于你需要对这个区间有多自信。一般来说,α越大,区间越大。

3) 求出 α/2和1-α/2对应的标准正太分布的统计量 imageimage (均为常量)。然后解下面关于p的不等式。acc可以有样本估计得出。即可以得到关于p的执行区间

image

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