展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 业界资讯 > 机器学习必备:如何防止过拟合?

机器学习必备:如何防止过拟合?

其实正则化的本质很简单,就是对某一问题加以先验的限制或约束以达到某种特定目的的一种手段或操作。在算法中使用正则化的目的是防止模型出现过拟合。一提到正则化,很多同学可能马上会想到常用的L1范数和L2范数,在汇总之前,我们先看下LP范数是什么?LP范数范数简单可以理解为用来表征向量空间中的距离,而距离的定义很抽象,只要满足非负、自反、三角不等式就可以称之为距离。LP范数不是一个范数,而是一组范数,其定义如下:p的范围是[1,∞)。p在(0,1)范围内定义的并不是范数,因为违反了三角不等式。根据pp的变化,范数

本文目录

    其实正则化的本质很简单,就是对某一问题加以先验的限制或约束以达到某种特定目的的一种手段或操作。在算法中使用正则化的目的是防止模型出现过拟合。一提到正则化,很多同学可能马上会想到常用的L1范数和L2范数,在汇总之前,我们先看下LP范数是什么?

    LP范数

    范数简单可以理解为用来表征向量空间中的距离,而距离的定义很抽象,只要满足非负、自反、三角不等式就可以称之为距离。

    LP范数不是一个范数,而是一组范数,其定义如下:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    p的范围是[1,∞)。p在(0,1)范围内定义的并不是范数,因为违反了三角不等式。

    根据pp的变化,范数也有着不同的变化,借用一个经典的有关P范数的变化图如下:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    上图表示了p从0到正无穷变化时,单位球(unit ball)的变化情况。在P范数下定义的单位球都是凸集,但是当0

    那问题来了,L0范数是啥玩意?L0范数表示向量中非零元素的个数,用公式表示如下:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    我们可以通过最小化L0范数,来寻找最少最优的稀疏特征项。但不幸的是,L0范数的最优化问题是一个NP hard问题(L0范数同样是非凸的)。因此,在实际应用中我们经常对L0进行凸松弛,理论上有证明,L1范数是L0范数的最优凸近似,因此通常使用L1范数来代替直接优化L0范数。

    L1范数

    根据LP范数的定义我们可以很轻松的得到L1范数的数学形式:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    通过上式可以看到,L1范数就是向量各元素的绝对值之和,也被称为是"稀疏规则算子"(Lasso regularization)。那么问题来了,为什么我们希望稀疏化?稀疏化有很多好处,最直接的两个:

    • 特征选择
    • 可解释性

    L2范数

    L2范数是最熟悉的,它就是欧几里得距离,公式如下:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    L2范数有很多名称,有人把它的回归叫“岭回归”(Ridge Regression),也有人叫它“权值衰减”(Weight Decay)。以L2范数作为正则项可以得到稠密解,即每个特征对应的参数ww都很小,接近于0但是不为0;此外,L2范数作为正则化项,可以防止模型为了迎合训练集而过于复杂造成过拟合的情况,从而提高模型的泛化能力。

    L1范数和L2范数的区别

    引入PRML一个经典的图来说明下L1和L2范数的区别,如下图所示:机器学习必备:如何防止过拟合?

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    如上图所示,蓝色的圆圈表示问题可能的解范围,橘色的表示正则项可能的解范围。而整个目标函数(原问题+正则项)有解当且仅当两个解范围相切。从上图可以很容易地看出,由于L2范数解范围是圆,所以相切的点有很大可能不在坐标轴上,而由于L1范数是菱形(顶点是凸出来的),其相切的点更可能在坐标轴上,而坐标轴上的点有一个特点,其只有一个坐标分量不为零,其他坐标分量为零,即是稀疏的。所以有如下结论,L1范数可以导致稀疏解,L2范数导致稠密解。

    从贝叶斯先验的角度看,当训练一个模型时,仅依靠当前的训练数据集是不够的,为了实现更好的泛化能力,往往需要加入先验项,而加入正则项相当于加入了一种先验。

    • L1范数相当于加入了一个Laplacean先验;
    • L2范数相当于加入了一个Gaussian先验。

    如下图所示:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    Dropout

    Dropout是深度学习中经常采用的一种正则化方法。它的做法可以简单的理解为在DNNs训练的过程中以概率pp丢弃部分神经元,即使得被丢弃的神经元输出为0。Dropout可以实例化的表示为下图:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    我们可以从两个方面去直观地理解Dropout的正则化效果:

    • 在Dropout每一轮训练过程中随机丢失神经元的操作相当于多个DNNs进行取平均,因此用于预测时具有vote的效果。
    • 减少神经元之间复杂的共适应性。当隐藏层神经元被随机删除之后,使得全连接网络具有了一定的稀疏化,从而有效地减轻了不同特征的协同效应。也就是说,有些特征可能会依赖于固定关系的隐含节点的共同作用,而通过Dropout的话,就有效地组织了某些特征在其他特征存在下才有效果的情况,增加了神经网络的鲁棒性。

    Batch Normalization

    批规范化(Batch Normalization)严格意义上讲属于归一化手段,主要用于加速网络的收敛,但也具有一定程度的正则化效果。

    这里借鉴下魏秀参博士的知乎回答中对covariate shift的解释。

    注:以下内容引自魏秀参博士的知乎回答大家都知道在统计机器学习中的一个经典假设是“源空间(source domain)和目标空间(target domain)的数据分布(distribution)是一致的”。如果不一致,那么就出现了新的机器学习问题,如transfer learning/domain adaptation等。而covariate shift就是分布不一致假设之下的一个分支问题,它是指源空间和目标空间的条件概率是一致的,但是其边缘概率不同。大家细想便会发现,的确,对于神经网络的各层输出,由于它们经过了层内操作作用,其分布显然与各层对应的输入信号分布不同,而且差异会随着网络深度增大而增大,可是它们所能“指示”的样本标记(label)仍然是不变的,这便符合了covariate shift的定义。

    BN的基本思想其实相当直观,因为神经网络在做非线性变换前的激活输入值(X=WU+B,U是输入)随着网络深度加深,其分布逐渐发生偏移或者变动(即上述的covariate shift)。之所以训练收敛慢,一般是整体分布逐渐往非线性函数的取值区间的上下限两端靠近(对于Sigmoid函数来说,意味着激活输入值X=WU+B是大的负值或正值),所以这导致后向传播时低层神经网络的梯度消失,这是训练深层神经网络收敛越来越慢的本质原因。而BN就是通过一定的规范化手段,把每层神经网络任意神经元这个输入值的分布强行拉回到均值为0方差为1的标准正态分布,避免因为激活函数导致的梯度弥散问题。所以与其说BN的作用是缓解covariate shift,倒不如说BN可缓解梯度弥散问题。

    归一化、标准化 & 正则化

    正则化我们以及提到过了,这里简单提一下归一化和标准化。归一化(Normalization):归一化的目标是找到某种映射关系,将原数据映射到[a,b]区间上。一般a,b会取[−1,1],[0,1]这些组合。一般有两种应用场景:

    • 把数变为(0, 1)之间的小数
    • 把有量纲的数转化为无量纲的数

    常用min-max normalization:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    标准化(Standardization):用大数定理将数据转化为一个标准正态分布,标准化公式为:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    归一化和标准化的区别:

    我们可以这样简单地解释:归一化的缩放是“拍扁”统一到区间(仅由极值决定),而标准化的缩放是更加“弹性”和“动态”的,和整体样本的分布有很大的关系。值得注意:

    • 归一化:缩放仅仅跟最大、最小值的差别有关。
    • 标准化:缩放和每个点都有关系,通过方差(variance)体现出来。与归一化对比,标准化中所有数据点都有贡献(通过均值和标准差造成影响)。

    为什么要标准化和归一化?

    • 提升模型精度:归一化后,不同维度之间的特征在数值上有一定比较性,可以大大提高分类器的准确性。
    • 加速模型收敛:标准化后,最优解的寻优过程明显会变得平缓,更容易正确的收敛到最优解。如下图所示:

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    机器学习必备:如何防止过拟合?

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    业界资讯 深度学习 机器学习
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    Mac软件 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    Aperty macOS版
    Aperty macOS版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw macOS版
    AionClaw macOS版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy macOS版
    Loomy macOS版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。

    AirBuddy 3 macOS版
    AirBuddy 3 macOS版

    AirBuddy 3 是面向 macOS 的蓝牙外设增强工具,可集中查看 AirPods、Beats 与苹果设备电量,提供快速连接、播放控制、电量提醒、桌面小组件和多台 Mac 外设接力等功能。

    AirServer macOS版
    AirServer macOS版

    AirServer macOS版可把 Mac 转换为无线投屏接收端,通过 AirPlay 或 Google Cast 接收手机、平板和电脑画面,并支持多设备同时连接、高清镜像及会话录制,适合家庭娱乐、课堂教学、会议演示和应用展示。

    AnyDesk macOS版
    AnyDesk macOS版

    AnyDesk macOS版是一款适用于远程办公、设备维护和客户支持的远程桌面工具,可连接并操作异地计算机,支持文件传输、无人值守访问、会话权限控制及跨平台协作。

    WINDOWS 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    PixTV 网页版
    PixTV 网页版

    PixTV 是一款在浏览器中使用的 AI 视觉内容创作平台,提供图片、视频、音频、文字生成、AI 分镜、局部重绘、提示词反推和无限画布等工具,适合短剧、漫剧、广告及社交媒体内容制作。

    讯飞绘文 网页版
    讯飞绘文 网页版

    讯飞绘文网页版是科大讯飞推出的AI图文创作与内容运营工具,覆盖热点选题、文章生成、稿件校对、智能配图、排版发布和数据复盘等环节,适合自媒体创作者及内容团队在线使用。

    Maya(Autodesk Maya) Windows版
    Maya(Autodesk Maya) Windows版

    Autodesk Maya 是面向影视、电视、动画和游戏行业的专业三维制作软件,集多边形与 NURBS 建模、角色绑定、关键帧和动作捕捉动画、Bifrost 特效模拟、材质开发及 Arnold 渲染于一体,

    Aperty Windows版
    Aperty Windows版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw Windows版
    AionClaw Windows版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy Windows版
    Loomy Windows版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。