正则化与交叉验证

基本概念

两种常用的模型选择方法: 正则化与交叉验证。

正则化

模型选择的典型方法是正则化(regularization) 。 正则化是结构风险最小化策略的实现, 是在经验风险上加一个正则化项(regularizer) 或罚项(penalty term)。

正则化项一般是模型复杂度的单调递增函数, 模型越复杂, 正则化值就越大。 比如, 正则化项可以是模型参数向量的范数。
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第1项的经验风险较小的模型可能较复杂(有多个非零参数) ,这时第2项的模型复杂度会较大。

正则化的作用是选择经验风险与模型复杂度同时较小的模型。

正则化符合奥卡姆剃刀(Occam’s razor) 原理。

奥卡姆剃刀原理应用于模型选择时变为以下想法: 在所有可能选择的模型中, 能够很好地解释已知数据并且十分简单才是最好的模型, 也就是应该选择的模型。 从贝叶斯估计的角度来看, 正则化项对应于模型的先验概率。可以假设复杂的模型有较小的先验概率, 简单的模型有较大的先验概率。

交叉验证

另一种常用的模型选择方法是交叉验证(cross validation)。

如果给定的样本数据充足, 进行模型选择的一种简单方法是随机地将数据集切分成三部分, 分别为训练集(training set) 、 验证集(validation set) 和测试集(test set) 。

训练集用来训练模型, 验证集用于模型的选择, 而测试集用于最终对学习方法的评估。

在学习到的不同复杂度的模型中, 选择对验证集有最小预测误差的模型。 由于验证集有足够多的数据, 用它对模型进行选择也是有效的。

但是, 在许多实际应用中数据是不充足的。 为了选择好的模型,可以采用交叉验证方法。

交叉验证的基本想法是重复地使用数据; 把给定的数据进行切分, 将切分的数据集组合为训练集与测试集, 在此基础上反复地进行训练、 测试以及模型选择。

简单交叉验证

简单交叉验证方法是: 首先随机地将已给数据分为两部分, 一部分作为训练集, 另一部分作为测试集(例如, 70%的数据为训练集,30%的数据为测试集)

然后用训练集在各种条件下(例如, 不同的参数个数) 训练模型, 从而得到不同的模型; 在测试集上评价各个模型的测试误差, 选出测试误差最小的模型。

S折交叉验证

应用最多的是S折交叉验证(S-fold cross validation) , 方法如下:
1. 首先随机地将已给数据切分为S个互不相交的大小相同的子集;
2. 然后利用S-1个子集的数据训练模型, 利用余下的子集测试模型;
3. 将这一过程对可能的S种选择重复进行; 最后选出S次评测中平均测试误差最小的模型。

留一交叉验证

S折交叉验证的特殊情形是S=N, 称为留一交叉验证(leave-oneout cross validation) , 往往在数据缺乏的情况下使用。 这里, N是给定数据集的容量。

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