2.模型評(píng)估與選擇

2.1經(jīng)驗(yàn)誤差和過(guò)擬合

不同學(xué)習(xí)算法及其不同參數(shù)產(chǎn)生的不同模型，涉及到模型選擇的問(wèn)題，關(guān)系到兩個(gè)指標(biāo)性，就是經(jīng)驗(yàn)誤差和過(guò)擬合。

1）經(jīng)驗(yàn)誤差

錯(cuò)誤率(errorrate)：分類(lèi)錯(cuò)誤的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的比例。如果在m個(gè)樣本中有a個(gè)樣本分類(lèi)錯(cuò)誤，則錯(cuò)誤率E=a/m，相應(yīng)的，1-a/m稱(chēng)為精度（accuracy），即精度=1-錯(cuò)誤率。

誤差(error)：學(xué)習(xí)器的實(shí)際預(yù)測(cè)輸出和樣本的真實(shí)輸出之間的差異。訓(xùn)練誤差或經(jīng)驗(yàn)誤差：學(xué)習(xí)器在訓(xùn)練集上的誤差；泛化誤差：學(xué)習(xí)器在新樣本上的誤差。

自然，理想情況下，泛化誤差越小的學(xué)習(xí)器越好，但現(xiàn)實(shí)中，新樣本是怎樣的并不知情，能做的就是針對(duì)訓(xùn)練集的經(jīng)驗(yàn)誤差最小化。

那么，在訓(xùn)練集上誤差最小、甚至精度可到100%的分類(lèi)器，是否在新樣本預(yù)測(cè)是最優(yōu)的嗎？

我們可以針對(duì)已知訓(xùn)練集設(shè)計(jì)一個(gè)完美的分類(lèi)器，但新樣本卻是未知，因此同樣的學(xué)習(xí)器（模型）在訓(xùn)練集上表現(xiàn)很好，但卻未必在新樣本上同樣優(yōu)秀。

2）過(guò)擬合

學(xué)習(xí)器首先是在訓(xùn)練樣本中學(xué)出適用于所有潛在樣本的普遍規(guī)律，用于正確預(yù)測(cè)新樣本的類(lèi)別。這會(huì)出現(xiàn)兩種情況，導(dǎo)致訓(xùn)練集上表現(xiàn)很好的學(xué)習(xí)器未必在新樣本上表現(xiàn)很好。

過(guò)擬合(overfitting)：學(xué)習(xí)器將訓(xùn)練樣本的個(gè)體特點(diǎn)上升到所有樣本的一般特點(diǎn)，導(dǎo)致泛化性能下降。

欠擬合(underfitting)：學(xué)習(xí)器未能從訓(xùn)練樣本中學(xué)習(xí)到所有樣本的一般特點(diǎn)。

通俗地說(shuō)，過(guò)擬合就是把訓(xùn)練樣本中的個(gè)體一般化，而欠擬合則是沒(méi)學(xué)習(xí)到一般特點(diǎn)。一個(gè)是過(guò)猶不及；一個(gè)是差之毫厘。過(guò)擬合是學(xué)習(xí)能力太強(qiáng)，欠擬合是學(xué)習(xí)能力太弱。

欠擬合通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)可以克服，但過(guò)擬合確實(shí)無(wú)法徹底避免。機(jī)器學(xué)習(xí)的問(wèn)題是NP難，有效的學(xué)習(xí)算法可在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)完成，如能徹底避免過(guò)擬合，則通過(guò)經(jīng)驗(yàn)誤差最小化就能獲得最優(yōu)解，這樣構(gòu)造性證明P=NP，但實(shí)際P≠NP，過(guò)擬合不可避免。

總結(jié)，在模型選擇中，理想的是對(duì)候選模型的泛化誤差進(jìn)行評(píng)估，選擇泛化誤差最小的模型，但實(shí)際上無(wú)法直接獲得泛化誤差，需要通過(guò)訓(xùn)練誤差來(lái)評(píng)估，但訓(xùn)練誤差存在過(guò)擬合現(xiàn)象也不適合作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如此，如何進(jìn)行模型評(píng)估和選擇呢？

2.2評(píng)估方法

評(píng)估模型既然不能選擇泛化誤差，也不能選擇訓(xùn)練誤差，可以選擇測(cè)試誤差。所謂測(cè)試誤差，就是建立測(cè)試樣本集，用來(lái)測(cè)試學(xué)習(xí)器對(duì)新樣本的預(yù)測(cè)能力，作為泛化誤差的近似。

測(cè)試集，也是從真實(shí)樣本分布中獨(dú)立同分布采樣而得，和訓(xùn)練集互斥。通過(guò)測(cè)試集的測(cè)試誤差來(lái)評(píng)估模型，作為泛化誤差的近似，是一個(gè)合理的方法。對(duì)數(shù)據(jù)集D={（x₁,y₁）, （x₂,y₂）,…, （x_m,y_m）}進(jìn)行分隔，產(chǎn)生訓(xùn)練集S和測(cè)試集T，通過(guò)訓(xùn)練集生成模型，并應(yīng)用測(cè)試集評(píng)估模型。文中有個(gè)很好的例子，就是訓(xùn)練集相當(dāng)于測(cè)試題、而測(cè)試集相當(dāng)于考試題。

現(xiàn)在我們將問(wèn)題集中在測(cè)試集的測(cè)試誤差上，用以評(píng)估模型。那重要的是，對(duì)數(shù)據(jù)集D如何劃分成訓(xùn)練集和測(cè)試集從而獲得測(cè)試誤差？

1）留出法

留出法(hold-out)將數(shù)據(jù)集D劃分為兩個(gè)互斥的集合，其中一個(gè)集合用作訓(xùn)練集S，另一個(gè)作為測(cè)試集T，即D=SUT，S∩T=?。在S上訓(xùn)練出的模型，用T來(lái)評(píng)估其測(cè)試誤差，作為對(duì)泛化誤差的近似估計(jì)。

以二分類(lèi)任務(wù)為例。假定D包含1000個(gè)樣本，將其劃分為700個(gè)樣本的訓(xùn)練集S和300個(gè)樣本的測(cè)試集T。用S訓(xùn)練后，模型在T上有90個(gè)樣本分類(lèi)錯(cuò)誤，那么測(cè)試誤差就是90/300=30%，相應(yīng)地，精度為1-30%=70%。

留出法就是把數(shù)據(jù)集一分為不同比例的二，這里面就有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一個(gè)就是如何分？另一個(gè)就是分的比例是多少？

如何分呢？訓(xùn)練集和測(cè)試集的劃分要保持?jǐn)?shù)據(jù)分布的一致性。何意？分層采樣，保持樣本的類(lèi)別比例相似，就是說(shuō)樣本中的各類(lèi)別在S和T上的分布要接近，比如A類(lèi)別的樣本的比例是S:T=7:3，那么B類(lèi)別也應(yīng)該接近7:3這個(gè)分布。

在分層采樣之上，也存在不同的劃分策略，導(dǎo)致不同的訓(xùn)練集和測(cè)試集。顯然，單次使用留出法所得到的估計(jì)結(jié)果不夠穩(wěn)定可靠，一般情況下采用若干次隨機(jī)劃分、重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估后取平均值作為評(píng)估結(jié)果。

S和T各自分多少呢？若訓(xùn)練集S過(guò)多而測(cè)試集T過(guò)小，S越大越接近D，則訓(xùn)練出的模型更接近于D訓(xùn)練出的模型，但T小，評(píng)估結(jié)果可能不夠穩(wěn)定準(zhǔn)確；若訓(xùn)練集S偏小而測(cè)試集T偏多，S和D差距過(guò)大，S訓(xùn)練的模型將用于評(píng)估，該模型和D訓(xùn)練出的模型可能有較大差別，從而降低評(píng)估結(jié)果的保證性（fidelity）。S和T各自分多少，沒(méi)有完美解決方法，通常做法是二八開(kāi)。

2）交叉驗(yàn)證法

交叉驗(yàn)證法(crossvalidation)將數(shù)據(jù)集D劃分為k個(gè)大小相似的互斥子集，即D=D₁UD₂U…UD_k，D_i∩D_j=?（i≠j）；每個(gè)子集D_i都盡可能保持?jǐn)?shù)據(jù)分布的一致性，即從D中通過(guò)分層采樣所得。訓(xùn)練時(shí)，每次用k-1個(gè)子集的并集作為訓(xùn)練集，余下的一個(gè)子集作為測(cè)試集；如此，可獲得k組訓(xùn)練集和測(cè)試集，從而進(jìn)行k次訓(xùn)練和測(cè)試，最終返回k次測(cè)試結(jié)果的均值。k值決定了交叉驗(yàn)證法評(píng)估結(jié)果的穩(wěn)定性和保真性，因此也稱(chēng)為k折交叉驗(yàn)證或k倍交叉驗(yàn)證，k常取值10、5、20，10折交叉驗(yàn)證示意圖如下：

和留出法一樣，將數(shù)據(jù)集D劃分為k個(gè)子集也是多樣劃分方式，為減小樣本劃分不同而發(fā)生的差別，k折交叉驗(yàn)證通常隨機(jī)使用不同的劃分重復(fù)p次，最后評(píng)估結(jié)果是這p次k折交叉驗(yàn)證結(jié)果的均值，如10次10折交叉驗(yàn)證。

典型的劃分特例留一法(Leave-One-Out，LOO)，假設(shè)數(shù)據(jù)集D中包含m個(gè)樣本，令k=m，就是每個(gè)子集只包含一個(gè)樣本。這個(gè)特例，不受隨機(jī)樣本劃分方式的影響，且訓(xùn)練集S只比數(shù)據(jù)集D少一個(gè)樣本，其實(shí)際訓(xùn)練出的模型和期望評(píng)估的用D訓(xùn)練出的模型相似，其評(píng)估結(jié)果比較準(zhǔn)備。當(dāng)然，問(wèn)題就是一個(gè)樣本一個(gè)子集，一旦樣本過(guò)大，訓(xùn)練的模型所需開(kāi)銷(xiāo)也是極其龐大，且其評(píng)估結(jié)果也未必比其他方法準(zhǔn)確。

實(shí)際，所有算法都是如此，有其優(yōu)點(diǎn)有其缺點(diǎn)，各有適用場(chǎng)合，符合性?xún)r(jià)比原則。比如留一法，為了提升理論上的準(zhǔn)確性，而犧牲相對(duì)明確龐大的開(kāi)銷(xiāo)，效益上是否可取，那要看場(chǎng)合了。

3）自助法

在留出法和交叉驗(yàn)證法中，訓(xùn)練集S的樣本數(shù)是小于數(shù)據(jù)集D，因樣本規(guī)模不同會(huì)導(dǎo)致所訓(xùn)練的模型及評(píng)估結(jié)果偏差。留一法雖然S只少一個(gè)樣本，但計(jì)算規(guī)模龐大。那么有沒(méi)辦法避免樣本規(guī)模影響且能高效計(jì)算呢？

自助法，基于自助采樣獲取訓(xùn)練集和測(cè)試集。給定包含m個(gè)樣本的數(shù)據(jù)集 ,如何通過(guò)自助采樣（可重復(fù)采樣或有放回采樣）產(chǎn)生數(shù)據(jù)集D’呢？自助采樣基本過(guò)程是：每次隨機(jī)從D中選一個(gè)樣本，放入D’，然后將該樣本放回初始數(shù)據(jù)集D中，使得該樣本在下次采樣時(shí)仍有可能被采到；這個(gè)過(guò)程重復(fù)執(zhí)行m次后，就得到了包含m個(gè)樣本的數(shù)據(jù)集D’，規(guī)模和D一樣，不同的是，D’中部分樣本可能重復(fù)也有部分樣本可能不出現(xiàn)。一個(gè)樣本在m次自助采樣中都沒(méi)有被采到的概率是(1-1/m)^m，取極限得到：

即通過(guò)自助采樣，初始數(shù)據(jù)集D中約有36.8%的樣本未出現(xiàn)在采樣數(shù)據(jù)集D’中。自助采樣后 ，將樣本規(guī)模和數(shù)據(jù)集D一樣的采樣數(shù)據(jù)集D’作為訓(xùn)練集S=D’，將T=D-D’作為測(cè)試集（不在D’中的樣本作為測(cè)試集）。如此，實(shí)際評(píng)估的模型（訓(xùn)練集S訓(xùn)練出的）與期望評(píng)估的模型（數(shù)據(jù)集 D訓(xùn)練出的）使用了同樣的樣本規(guī)模（m個(gè)樣本），同時(shí)又有大概36.8%的樣本（未在采樣數(shù)據(jù)集D’中）作為測(cè)試集T用于測(cè)試，產(chǎn)生的測(cè)試結(jié)果，稱(chēng)為包外估計(jì)（out-of-bag estimate）。

每個(gè)算法都有自己的使用場(chǎng)合，并不是萬(wàn)能性地好用高效。自助法自助采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集D’也是改變了初始數(shù)據(jù)集D的分布，也會(huì)引入估計(jì)偏差。自助法適用于數(shù)據(jù)集較小、難以有效劃分訓(xùn)練集和測(cè)試。在初始數(shù)據(jù)量足夠時(shí)，留出法和交叉驗(yàn)證法更常用一些。

為更好地對(duì)模型（學(xué)習(xí)器）進(jìn)行泛化性能評(píng)估，提出了近似的測(cè)試誤差來(lái)評(píng)估泛化誤差，也就衍生出了留出法、交叉驗(yàn)證法、自助法的數(shù)據(jù)集劃分方法。實(shí)際上，算法還需要調(diào)參，不同的參數(shù)配置，模型的性能會(huì)有一定差別。在進(jìn)行模型評(píng)估和選擇時(shí)，除了選擇算法還有數(shù)據(jù)集劃分方法外，還需要對(duì)算法參數(shù)進(jìn)行設(shè)定或說(shuō)是調(diào)節(jié)。每一個(gè)算法都有參數(shù)設(shè)定空間，假定算法有3個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)有5個(gè)可選值，對(duì)每一組訓(xùn)練集/測(cè)試集來(lái)說(shuō)就有5³=125個(gè)模型需要考察。

實(shí)際的學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)給定包含m個(gè)樣本的數(shù)據(jù)集D，先選定學(xué)習(xí)算法及其參數(shù)，然后劃分?jǐn)?shù)據(jù)集訓(xùn)練和測(cè)試，直至選定算法和參數(shù)，再應(yīng)用數(shù)據(jù)集D來(lái)重新訓(xùn)練模型。在研究對(duì)比不同算法的泛化性能時(shí)，用測(cè)試集上的判別效果來(lái)評(píng)估模型在實(shí)際使用中的泛化能力，而把訓(xùn)練數(shù)據(jù)另外劃分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，基于驗(yàn)證集上的性能進(jìn)行模型選擇和調(diào)參。

梳理下幾個(gè)要點(diǎn)：1）將數(shù)據(jù)集劃分為：訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集；2）訓(xùn)練集用于訓(xùn)練出模型，驗(yàn)證集用于模型選擇和調(diào)參，測(cè)試集用于近似評(píng)估泛化誤差；3）模型評(píng)估方法有留出法、交叉驗(yàn)證法、自助法，用于算法選擇及參數(shù)設(shè)定。

2.3性能度量

通過(guò)在訓(xùn)練過(guò)程中的評(píng)估方法來(lái)判定學(xué)習(xí)器的泛化性能，還需要通過(guò)性能度量來(lái)考察。換句話來(lái)說(shuō)，選什么模型，通過(guò)訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集來(lái)實(shí)驗(yàn)評(píng)估選定并輸出；而所輸出的模型，在測(cè)試集中實(shí)的泛化能力，需要通過(guò)性能度量工具來(lái)度量。這樣理解，基于測(cè)試誤差近似泛化誤差的認(rèn)定，通過(guò)劃分?jǐn)?shù)據(jù)集為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集，并選擇不同的評(píng)估方法和調(diào)整算法參數(shù)來(lái)輸出的模型，需要通過(guò)性能度量的工具來(lái)量化評(píng)估。

不同的性能度量，在對(duì)比不同模型能力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不同評(píng)判結(jié)果，因?yàn)槟Ｐ偷暮脡氖窍鄬?duì)的。實(shí)際模型的好壞，取決于算法和數(shù)據(jù)，取決于訓(xùn)練中調(diào)參和實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法，也取決于當(dāng)前任務(wù)的實(shí)際數(shù)據(jù)。

模型訓(xùn)練出來(lái)后，進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，給定樣例集D={（x₁,y₁）, （x₂,y₂）,…, （x_m,y_m）}，其中y_i是示例x_i的真實(shí)標(biāo)記，要評(píng)估學(xué)習(xí)器f的性能，把學(xué)習(xí)器預(yù)測(cè)結(jié)果f(x)與真實(shí)標(biāo)記y進(jìn)行比較。

預(yù)測(cè)回歸任務(wù)最常用的性能度量是均方誤差(mean squared error)：

真實(shí)情況	預(yù)測(cè)結(jié)果
	正例	反例
正例	TP（真正例）	FN（假反例）
反例	FP（假正例）	TN（真反例）

查準(zhǔn)率P和查全率R分別定義為：

P=TP/(TP+FP)

R=TP/(TP+FN)

查準(zhǔn)率和查全率是一對(duì)矛盾的度量，一般來(lái)說(shuō)，查準(zhǔn)率高時(shí)，查全率往往偏低；而查全率高時(shí)，查準(zhǔn)率往往偏低。在信息檢索中，查準(zhǔn)率就是檢索出的信息有多少比例是用戶(hù)感興趣的；查全率則是用戶(hù)感興趣的信息有多少被檢索出來(lái)。查準(zhǔn)率分母中就包含了那些不是用戶(hù)感興趣的信息，但仍被預(yù)測(cè)為是用戶(hù)感興趣的而被檢索出來(lái)；查全率分母中則包含了那些是用戶(hù)感興趣的信息，但為被預(yù)測(cè)為用戶(hù)感興趣而被拋棄未檢索出來(lái)。

可根據(jù)學(xué)習(xí)器的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)樣例進(jìn)行排序，排在前面的是學(xué)習(xí)器認(rèn)為最可能是正例的樣本，排在最后的則是學(xué)習(xí)器認(rèn)為最不可能是正例的樣本。按此順序逐個(gè)把樣本作為正例進(jìn)行預(yù)測(cè)，則每次可以計(jì)算出當(dāng)前的查全率、查準(zhǔn)率，并以查準(zhǔn)率為縱軸、查全率為橫軸構(gòu)造查準(zhǔn)率-查全率曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)P-R曲線。

P-R曲線是非單調(diào)、不平滑的。P-R曲線可用來(lái)評(píng)估學(xué)習(xí)器的優(yōu)劣。若一個(gè)學(xué)習(xí)器的P-R曲線被另一個(gè)學(xué)習(xí)器的P-R曲線完全包住，則后者的性能優(yōu)于前者。如果兩個(gè)學(xué)習(xí)器的曲線發(fā)生交叉，則通過(guò)二者面積的大小來(lái)比較，面積大的表示查全率和查準(zhǔn)率雙高比較優(yōu)秀，但不太容易計(jì)算曲線（不平滑）的面積，因此通過(guò)平衡點(diǎn)（Break-Even Point，簡(jiǎn)稱(chēng)BEP）來(lái)度量。BEP是坐標(biāo)上查準(zhǔn)率等于查全率時(shí)的點(diǎn)，平衡點(diǎn)值越大，學(xué)習(xí)器越優(yōu)秀。

用了簡(jiǎn)單的圖來(lái)說(shuō)明，紅色的點(diǎn)就是三條P-R曲線的BEP點(diǎn)，學(xué)習(xí)器A的曲線被C包住，C比較優(yōu)秀，而C和B交叉，用面積計(jì)算難以估算，但C的BEP值大于B，所以C比較優(yōu)秀。

ERP過(guò)于簡(jiǎn)化，定義F1常量來(lái)比較學(xué)習(xí)器P-R曲線的性能：

F1=2*P*R/P+R=2*TP/(樣例總數(shù)+TP-TN)

不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)查全率和查準(zhǔn)率的側(cè)重不同，如在商品推薦中，為盡可能少打擾用戶(hù)，希望推薦的內(nèi)容卻是用戶(hù)所感興趣的，查準(zhǔn)率更重要；在逃犯信息檢索中，希望盡可能少漏掉逃犯，此時(shí)查全率更重要。對(duì)查準(zhǔn)率和查全率的不同偏好，可用F1度量的一般形式F_β，定義為：

F_β=(1+β²)*P*R/((β²*P)+R)

其中β>0度量了查全率對(duì)查準(zhǔn)率的相對(duì)重要性；β=1時(shí)就是標(biāo)準(zhǔn)的F1；β>1時(shí)偏好查全率；β<1時(shí)偏好查準(zhǔn)率。

F1是基于查準(zhǔn)率和查全率的調(diào)和平均（harmonic mean）定義：

1/F1=1/2*(1/P+1/R)

F_β則是加權(quán)調(diào)和平均：

1/ F_β=1/(1+β²)*(1/P+β²/R)

與算術(shù)平均（P+R）/2和幾何平均 相比，調(diào)和平均更重視較小值。

幾何平均數(shù)：N個(gè)數(shù)據(jù)的連乘積的開(kāi)N次方根。

算術(shù)平均數(shù)：一組數(shù)據(jù)的代數(shù)和除以數(shù)據(jù)的項(xiàng)數(shù)所得的平均數(shù).

調(diào)和平均數(shù)：一組數(shù)據(jù)的倒數(shù)和除數(shù)據(jù)的項(xiàng)數(shù)的倒數(shù)。

平方平均數(shù)：一組數(shù)據(jù)的平方和除以數(shù)據(jù)的項(xiàng)數(shù)的開(kāi)方。

對(duì)同一數(shù)據(jù)，調(diào)和≤幾何≤算術(shù)≤平方。

進(jìn)行多次訓(xùn)練和測(cè)試、在多個(gè)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試、執(zhí)行多分類(lèi)任務(wù)時(shí)每?jī)蓛深?lèi)別組合對(duì)應(yīng)的混淆矩陣，這些情況系下產(chǎn)生的多個(gè)混淆矩陣，需要估計(jì)算法的全局性能，即在n個(gè)二分類(lèi)混淆矩陣上考察查準(zhǔn)率和查全率，從而評(píng)估模型性能。這個(gè)有兩種做法，一個(gè)是求得P和R再平均；另一個(gè)是直接對(duì)TP、FP、TN、FN求取平均值后再得P和R值；分別為宏查全率和宏查準(zhǔn)率、微查全率和微查準(zhǔn)率。

3）ROC與AUC

很多學(xué)習(xí)期為測(cè)試樣本產(chǎn)生一個(gè)實(shí)值或概率預(yù)測(cè)，然后將這個(gè)預(yù)測(cè)值和分類(lèi)閾值進(jìn)行比較，若大于閾值則分類(lèi)正類(lèi)，否則為反類(lèi)。對(duì)測(cè)試樣本的實(shí)值或概率預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行排序，最可能是正例的排在最前面，最不可能是正例的排在最后面。分類(lèi)過(guò)程就相當(dāng)于在這個(gè)排序中以某個(gè)截?cái)帱c(diǎn)將樣本分為兩部分，前一部分判為正例，后一部分則判為反例。

在不同的應(yīng)用任務(wù)中，可根據(jù)任務(wù)需求來(lái)采用不同的截?cái)帱c(diǎn)，選擇排序中靠前的位置進(jìn)行截?cái)嘀匾暡闇?zhǔn)率；選擇靠后的位置進(jìn)行截?cái)鄤t重視查全率。排序本身的質(zhì)量好壞，體現(xiàn)了學(xué)習(xí)器在不同任務(wù)下的期望泛化性能的好壞，或者說(shuō)，一般情況下泛化性能的好壞。ROC曲線正是考量期望泛化性能的性能度量工具，適用于產(chǎn)生實(shí)值或概率預(yù)測(cè)結(jié)果的學(xué)習(xí)器評(píng)估。

ROC（ReceiverOperating Characteristic，受試者工作特征），根據(jù)學(xué)習(xí)器的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)樣例進(jìn)行排序，按此順序逐個(gè)把樣本作為正例進(jìn)行預(yù)測(cè)，每次計(jì)算出兩個(gè)重要量的值，分別作為橫、縱坐標(biāo)，即得到ROC曲線。

ROC曲線的縱軸是真正例率（The Positive Rate,TPR），橫軸是假正例率（FalsePositive Rate,FPR），分別定義為：

真正例率：TPR=TP/(TP+FN)，預(yù)測(cè)的真正例數(shù)和實(shí)際的正例數(shù)比值，有多少真正的正例預(yù)測(cè)準(zhǔn)確；

假正例率：FPR=FP/(TN+FP)，預(yù)測(cè)的假正例數(shù)和實(shí)際的反例數(shù)比值，有多少反例被預(yù)測(cè)為正例；

從圖中可以看出ROC曲線的對(duì)角線對(duì)應(yīng)于隨機(jī)猜測(cè)模型，而點(diǎn)（0，1）則對(duì)應(yīng)于將正例排在所有反例之前的理想模型，真正例率是100%。

在實(shí)際任務(wù)中，樣本是有限的，所以不能產(chǎn)生光滑的ROC曲線，而是帶有齒狀的近似ROC曲線。有限個(gè)測(cè)試樣例ROC圖繪制方法：給定m⁺個(gè)正例和m^-個(gè)反例，根據(jù)學(xué)習(xí)器預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)樣例進(jìn)行排序，開(kāi)始把分類(lèi)閾值設(shè)為最大（所有樣例均預(yù)測(cè)為反例），此時(shí)真正例率和假正例率均為0，在坐標(biāo)（0,0）處標(biāo)記一個(gè)點(diǎn)；然后，依次將分類(lèi)閾值設(shè)為每個(gè)樣例的預(yù)測(cè)值（依次將每個(gè)樣例劃分為正例），并求解真正例率和假正例率，在相應(yīng)的坐標(biāo)處標(biāo)記一個(gè)點(diǎn)。設(shè)前一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)為（x,y），當(dāng)前若為真正例，則對(duì)應(yīng)比較點(diǎn)的坐標(biāo)為（x,y+1/ m⁺）；當(dāng)前若為假正例，則對(duì)應(yīng)標(biāo)記的點(diǎn)的坐標(biāo)為（x+1/ m^-，y），最后用線段把相鄰的點(diǎn)連接起來(lái)即得近似ROC曲線。

接著，自然是要說(shuō)到用ROC曲線怎么比較學(xué)習(xí)器的優(yōu)劣呢？和P-R曲線相似，若一個(gè)學(xué)習(xí)器的ROC曲線被另一個(gè)學(xué)習(xí)器的曲線完成包住，則后者的性能優(yōu)于前者。若兩個(gè)學(xué)習(xí)器的ROC曲線發(fā)生交叉，要進(jìn)行比較的話，就需要比較ROC曲線下的面積，即AUC（AreaUnder ROC Curve）。

AUC可通過(guò)對(duì)ROC曲線下各部分的面積求和而得。假定ROC曲線是由坐標(biāo)為{（x ₁,y ₁）, （x ₂,y ₂）,…, （x _m,y _m）}的點(diǎn)按序鏈接而形成（x ₁=0，x _m=1），則AUC估算為：

真實(shí)類(lèi)別	預(yù)測(cè)類(lèi)別
	第0類(lèi)	第1類(lèi)
第0類(lèi)	0	cost01
第1類(lèi)	Cost10	0

如上表，整體學(xué)習(xí)器性能評(píng)估上，不是考慮最小化錯(cuò)誤次數(shù)，而是最小化總體代價(jià)。假設(shè)上表的第0類(lèi)為正類(lèi)，第1類(lèi)為反類(lèi)，令D⁺和D^-分別表示正、反例集合，則代價(jià)敏感（cost-sensitive）錯(cuò)誤率為：

其中FPR是假正例率，FNR=1-TPR是假反例率。代價(jià)曲線的繪制：ROC曲線上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)了代價(jià)平面上的一條線段，設(shè)ROC曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)為（TPR,FPR），則可相應(yīng)計(jì)算出FNR，然后在代價(jià)平面上繪制一條從（0,FPR）到（1,FNR）的線段，線段下的面積表示了該條件下的期望總體代價(jià)。如此，將ROC曲線上的每個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為代價(jià)平面上的一條線段，然后去所有線段的下界，圍城的面積即為在所有條件下學(xué)習(xí)器的期望總體代價(jià)。

5）總結(jié)

對(duì)學(xué)習(xí)器的性能度量是選擇學(xué)習(xí)器的參考，下面對(duì)幾個(gè)性能度量指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)：

類(lèi)別	性能度量指標(biāo)
	均等代價(jià)	非均等代價(jià)
預(yù)測(cè)分類(lèi)的學(xué)習(xí)器	P-R曲線和F1	代價(jià)敏感錯(cuò)誤率	?
預(yù)測(cè)實(shí)值的學(xué)習(xí)器	ROC曲線和AUC	代價(jià)曲線

對(duì)于常用的錯(cuò)誤率和精度，也是用于預(yù)測(cè)分類(lèi)的學(xué)習(xí)器性能度量。實(shí)際上，不同的任務(wù)需要采用不同的指標(biāo)來(lái)度量，同時(shí)在指標(biāo)上具體的側(cè)重也不同。

2.4比較檢驗(yàn)

對(duì)學(xué)習(xí)器的性能評(píng)估，基于測(cè)試集已經(jīng)給出了評(píng)估方法和衡量模型泛化能力的性能度量工具，那么是否就可以通過(guò)對(duì)性能度量的值比較來(lái)評(píng)估學(xué)習(xí)器優(yōu)劣呢？顯然答案不是那么肯定，因?yàn)闇y(cè)試集上的性能評(píng)估方法和度量工具始終還是測(cè)試集上的，與測(cè)試集本身的選擇有關(guān)系，且機(jī)器學(xué)習(xí)算法本身存在一定隨機(jī)性。統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)（hypothesis test）為學(xué)習(xí)器性能比較提供了重要依據(jù)。

基于假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果可推斷出，在測(cè)試集上觀察到的學(xué)習(xí)器A優(yōu)于B，則A的泛化性能是否在統(tǒng)計(jì)意義上好于B，以及這個(gè)判定的準(zhǔn)確度。也就是說(shuō)，在測(cè)試集上的評(píng)估和度量，放在統(tǒng)計(jì)意義上進(jìn)一步檢驗(yàn)。以錯(cuò)誤率為性能度量工具，用e表示，介紹假設(shè)檢驗(yàn)方法。

1）單個(gè)學(xué)習(xí)器的假設(shè)檢驗(yàn)

假設(shè)檢驗(yàn)中的假設(shè)是對(duì)學(xué)習(xí)器泛化錯(cuò)誤率分布的某種判斷或猜想。在統(tǒng)計(jì)意義上，對(duì)泛化錯(cuò)誤率的分布進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)。現(xiàn)實(shí)任務(wù)中，只知測(cè)試錯(cuò)誤率，而不知泛化錯(cuò)誤率，二者有差異，但從直觀上，二者接近的可能性較大，而相差很遠(yuǎn)的可能性很小，因此可基于測(cè)試錯(cuò)誤率推出泛化錯(cuò)誤率的分布。

實(shí)際上，評(píng)估方法和性能度量，正式基于上面這一統(tǒng)計(jì)分布直觀思維來(lái)開(kāi)展，這里更是通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步肯定測(cè)試錯(cuò)誤率和泛化錯(cuò)誤率二者接近。

數(shù)據(jù)集	算法A	算法B	算法C
D1	1	2	3
D2	1	2.5	2.5
D3	1	2	3
D4	1	2	3
平均序值	1	2.125	2.875

2.5偏差與方差

通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法估計(jì)的泛化性能，還需要解釋其具有這樣性能的原因，回答為什么具有這樣的性能。偏差-方差分解是解釋學(xué)習(xí)算法泛化性能的一種重要工具。

梳理下模型評(píng)估與選擇的整個(gè)思路：首先模型評(píng)估面臨經(jīng)驗(yàn)誤差和過(guò)擬合現(xiàn)象，因此引入測(cè)試集，通過(guò)測(cè)試誤差率近似泛化誤差率來(lái)評(píng)估模型，提出了評(píng)估方法，并量化度量性能，在此基礎(chǔ)上通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)為性能度量提供依據(jù)，最后解釋性能，即偏差-方差分解。

偏差-方差分解對(duì)學(xué)習(xí)算法的期望泛化錯(cuò)誤率進(jìn)行拆解。算法在不同訓(xùn)練集上學(xué)得的結(jié)果很可能不同，即便這些訓(xùn)練集是來(lái)自同一分布。對(duì)測(cè)試樣本x，令y _D為x在數(shù)據(jù)集中的標(biāo)記，y為x的真實(shí)標(biāo)記，f(x;D)為訓(xùn)練集D上學(xué)得模型f在x上的預(yù)測(cè)輸出。以為回歸任務(wù)為例，學(xué)習(xí)算法的期望預(yù)測(cè)為：

正好分解為：偏差、方差和噪聲之和。

偏差度量了學(xué)習(xí)算法的期望預(yù)測(cè)與真實(shí)結(jié)果的偏離程度，即刻畫(huà)了學(xué)習(xí)算法本身的擬合能力；方差度量了同樣大小的訓(xùn)練集的電動(dòng)所導(dǎo)致的學(xué)習(xí)性能的變化，即刻畫(huà)了數(shù)據(jù)擾動(dòng)所造成的影響；噪聲則表達(dá)了當(dāng)前任務(wù)上任何學(xué)習(xí)算法所能達(dá)到的期望泛化誤差的下界，即刻畫(huà)了學(xué)習(xí)問(wèn)題本身的難度。偏差-分差分解說(shuō)明，泛化性能是由算法的能力、數(shù)據(jù)的充分性以及學(xué)習(xí)任務(wù)本身的難度所共同決定的。給定學(xué)習(xí)任務(wù)，為取得較好的泛化性能，需使偏差較小，即能否重復(fù)擬合數(shù)據(jù)，并使方差較小，即使數(shù)據(jù)擾動(dòng)產(chǎn)生的影響小。

然而，偏差和方差是有沖突的，稱(chēng)為偏差-方差窘境（bias-variance dilemma）。給定學(xué)習(xí)任務(wù)并假定學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練程度，在訓(xùn)練不足時(shí)，學(xué)習(xí)器的擬合能力不夠強(qiáng)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的擾動(dòng)不足以使學(xué)習(xí)器產(chǎn)生顯著變化，此時(shí)偏差主導(dǎo)泛化錯(cuò)誤率；隨著訓(xùn)練程度的加深，學(xué)習(xí)器的擬合能力逐漸增強(qiáng)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)所發(fā)生的擾動(dòng)漸漸被學(xué)習(xí)器學(xué)到，方差逐漸主導(dǎo)了泛化錯(cuò)誤率；在訓(xùn)練程度充足后，學(xué)習(xí)器的擬合能力已非常強(qiáng)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)發(fā)生的輕微擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)器發(fā)生顯著變化，若訓(xùn)練數(shù)據(jù)自身的、非全局的特性被學(xué)習(xí)器學(xué)到了，將發(fā)生過(guò)擬合。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的机器学习笔记(二)模型评估与选择的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。