为什么PCA不被推荐用来避免过拟合

本文探讨了PCA在高维数据环境中作为降维技术的应用,特别是在人脸识别领域的早期研究中。通过对比eigenface和fisherface等方法,文章揭示了PCA在解决过拟合问题的同时可能带来的欠拟合问题,并讨论了其作为无监督学习方法的优势与局限。

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作者:戴玮
链接:https://www.zhihu.com/question/47121788/answer/121838673
来源:知乎
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PCA是高维环境下能想到的最直接的方案。比如人脸识别,维度往往成千上万,但识别身份的话,每个人样本最多也就几十,过拟合现象是很严重的。

由此产生了人脸识别早期研究中影响力极大的工作eigenface,其实就是先用PCA对人脸图像进行降维,然后再训练分类器。但PCA是无监督的,正如Andrew所说:“it does not consider the values of our results y”。所以它虽然能解决过拟合问题,但又会带来欠拟合问题。

拿人脸识别来说,eigenface虽然能训练出识别能力尚可的分类器,但因为分类信息并不一定存在于前几个主成分上,所以用前几个主成分来做分类的话,会丢失后面变化细微的主成分上存在的大量分类信息。正因为如此,之后又出现了fisherface等有监督降维工作,识别能力也因此提高了很多。

深度学习也是这样,pre-training阶段很多训练都是无监督的,其实和PCA异曲同工,但之后一定要有进一步的fine-tuning,把无监督提取出来的特征transfer到我们的目标任务上,这样得到的特征才真正work。

所以说,类似于PCA和auto-encoder这样的无监督方法,提取的特征不会太差、但也不会太好,它最大的作用,是总结出一些关于X的较高层次的抽象知识、为之后的有监督训练提供一个比原始特征空间更好的起点。

实际上,无监督最具优势之处,就在于它的通用性:不管y是什么,只要有X就行,之后可以在各种各样的y上进一步训练。有证据显示,人类在婴儿时期也是先有一个无监督学习阶段,然后才是各种有监督学习。

随机森林模型虽然在一定程度上具有抗过拟合的能力,但在某些情况下仍然可能出现过拟合问题。以下是一些有效的解决方法: 1. **调整随机森林的超参数** 随机森林的主要超参数包括决策树的数量(`n_estimators`)、每棵树使用的特征数量(`max_features`)以及树的最大深度(`max_depth`)等。增加决策树的数量可以提升模型的稳定性,并降低过拟合风险,因为更多的树意味着更强的泛化能力。同时,限制每棵树使用的特征数量和深度可以减少模型的复杂度,从而避免过拟合。例如,可以通过以下方式设置参数: ```python from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier rf = RandomForestClassifier(n_estimators=100, max_features='log2', max_depth=10) ``` 2. **利用交叉验证选择最佳参数组合** 通过交叉验证(如k-fold交叉验证)评估同参数组合下的模型性能,从而选择最优的超参数配置。这种方法可以确保模型在训练数据上过度拟合,同时在验证数据上表现良好。交叉验证帮助识别最佳的模型复杂度,以平衡偏差和方差。 3. **特征选择与重要性评估** 随机森林提供了特征重要性评分,可以用来识别和移除对模型预测影响较小的特征。减少特征数量仅可以提高模型的可解释性,还能降低过拟合的可能性。可以使用`feature_importances_`属性获取特征重要性: ```python importances = rf.feature_importances_ ``` 4. **简化模型结构** 如果模型过于复杂,可以尝试减少树的数量或限制树的最大深度。较小的树数量和较浅的深度可以降低模型的方差,从而减少过拟合的风险。 5. **使用Bootstrap Aggregating(Bagging)方法** 随机森林本身是基于Bagging的集成方法,通过从原始数据集中重复抽样构建多个决策树,并使用平均或投票机制输出最终预测结果。这种方法能够有效降低过拟合风险,因为每个树都基于同的数据子集进行训练,从而更全面地捕捉数据分布特征。 6. **引入正则化或其他优化技术** 虽然随机森林本身没有显式的正则化参数,但可以通过调整树的深度、特征选择等方式实现类似正则化的效果。此外,还可以考虑对数据进行加权调整、使用特征变换(如PCA)等方法来进一步减少过拟合的可能性。 7. **使用早期停止(Early Stopping)策略** 在使用随机森林的扩展方法(如梯度提升森林)时,可以通过监控验证集的性能,在模型性能开始下降时提前终止训练,从而避免过拟合。 通过上述方法,可以有效缓解随机森林模型的过拟合问题,提升模型的泛化能力和稳定性。
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