集成学习之优化基础模型

集成学习之优化基础模型

感谢Datawhale提供本次的学习机会。
在回归问题中，我们常用训练集去估计模型的参数，然后用测试集去预测。我们常会遇到的问题就是模型在训练集上的表现很好，但是在测试集上的表现却一般。我们所希望的是测试集与训练集的表现相近，或者说训练集优于测试集，这样我们所作的工作才是有意义的，我们可以从以下几个角度去考虑：
1.训练均方误差与测试均方误差：
在回归中，我们最常用的评价指标为均方误差，即：，其中是样本 Xi应用建立的模型f预测的结果。如果我们所用的数据是训练集上的数据，那么这个
误差为训练均方误差，如果我们使用测试集的数据计算的均方误差，我们称为测试均方误差。一般而言，我们并不关心模型在训练集上的训练均方误差，我们关心的是模型面对未知的样本集，即测试集上的测试误差，我们的目标是使得我们建立的模型在测试集上的测试误差最小。那我们如何选择一个测试误差最小的模型呢？这是个棘手的问题，因为在模型建立阶段，我们是不能得到测试数据的，比如：我们在模型未上线之前是不能拿到未知且真实的测试数据来验证我们的模型的。在这种情况下，为了简便起见，一些观点认为通过训练误差最小化来选择模型也是可行的。这种观点表面看上去是可行的，但是存在一个致命的缺点，那就是：一个模型的训练均方误差最小时，不能保证测试均方误差同时也很小。对于这种想法构造的模型，一般在训练误差达到最小时，测试均方误差一般很大！如图：

可以看到：当我们的模型的训练均方误差达到很小时，测试均方误差反而很大，但是我们寻找的最优的模型是测试均方误差达到最小时对应的模型，因此基于训练均方误差达到最小选择模型本质上是行不同的。正如上右图所示：模型在训练误差很小，但是测试均方误差很大时，我们称这种情况叫模型的过拟合。
2.偏差-方差的权衡
首先要了解一下偏差和方差的概念。偏差：偏差又称为表观误差，是指个别测定值与测定的平均值之差，它可以用来衡量测定结果的精密度高低。在统计学中，偏差可以用于两个不同的概念，即有偏采样与有偏估计。一个有偏采样是对总样本集非平等采样，而一个有偏估计则是指高估或低估要估计的量。

可以看到偏差就是偏离平均值的数值。方差：方差是在概率论和统计方差衡量随机变量或一组数据时离散程度的度量。概率论中方差用来度量随机变量和其数学期望（即均值）之间的偏离程度。统计中的方差（样本方差）是每个样本值与全体样本值的平均数之差的平方值的平均数。在许多实际问题中，研究方差即偏离程度有着重要意义。
从上图的测试均方误差曲线可以看到：测试均方误差曲线呈现U型曲线，这表明了在测试误差曲线中有两种力量在互相博弈。可以证明：

也就是说，我们的测试均方误差的期望值可以分解为f的方差、 f的偏差平方和误差项
的方差。为了使得模型的测试均方误差达到最小值，也就是同时最小化偏差的平方和方差。由于我们知道偏差平方和方差本身是非负的，因此测试均方误差的期望不可能会低于误差的方差，因此我们称 为建模任务的难度，这个量在我们的任务确定后是无法改变的，也叫做不可约误差。那么模型的方差和偏差的平方和究竟是什么呢？所谓模型的方差就是：用不同的数据集去估计 时，估计函数的改变量。举个例子：我们想要建立一个线性回归模型，可以通过输入中国人身高去预测我们的体重。但是显然我们没有办法把全中国13亿人做一次人口普查，拿到13亿人的身高体重去建立模型。我们能做的就是从13亿中抽1000个样本进行建模，我们对这个抽样的过程重复100遍，就会得到100个1000人的样本集。我们使用线性回归模型估计参数就能得到100个线性回归模型。由于样本抽取具有随机性，我们得到的100个模型不可能参数完全一样，那么这100个模型之间的差异就叫做方差。显然，我们希望得到一个稳定的模型，也就是在不同的样本集估
计的模型都不会相差太大，即要求f的方差越小越好。一般来说，模型的复杂度越高，f的方差就会越大。 如加入二次项的模型的方差比线性回归模型的方差要大。

另一方面，模型的偏差是指：为了选择一个简单的模型去估计真实函数所带入的误差。假如真实的数据X与Y的关系是二次关系，但是我们选择了线性模型进行建模，那由于模型的复杂度引起的这种误差我们称为偏差，它的构成时复杂的。偏差度量了学习算法的期望预测与真实结果的偏离程度，即刻画了学习算法本身的拟合能力**。偏差度量的是单个模型的学习能力，而方差度量的是同一个模型在不同数据集上的稳定性。**“偏差-方差分解”说明：泛化性能是由学习算法的能力、数据的充分性以及学习任务本身的难度所共同决定的。给定学习任务，为了取得好的泛化性能，则需使偏差较小，即能够充分拟合数据，并且使方差较小，即使得数据扰动产生的影响小。

一般而言，增加模型的复杂度，会增加模型的方差，但是会减少模型的偏差，我们要找到一个方差–偏差的权衡，使得测试均方误差最。

3.特征提取
现在我们需要选择一个测试误差最小的模型，因此我们要对测试误差进行估计，可用训练误差修正与交叉验证。
训练误差修正：
模型越复杂，训练误差越小，测试误差先减后增。因此，我们先
构造一个特征较多的模型使其过拟合，此时训练误差很小而测试误差很大，那这时我们加入关于特征个数的惩罚。因此，当我们的训练误差随着特征个数的增加而减少时，惩罚项因为特征数量的增加而增大，抑制了训练误差随着特征个数的增加而无休止地减小。具体的数学量如下：


交叉验证：
前面讨论的对训练误差修正得到测试误差的估计是间接方法，这种方法的桥梁是训练误差，而交叉验证则是对测试误差的直接估计。交叉验证比训练误差修正的优势在于：能够给出测试误差的一个直接估计。在这里只介绍K折交叉验证：我们把训练样本分成K等分，然后用K-1个样本集当做训练集，剩下的一份样本集为验证集去估计由K-1个样本集得到的模型的精度，这个过程重复K次取平均值得到测试误差的一个估计
5折交叉验证如下图：（蓝色的是训练集，黄色的是验证集）

在测试误差能够被合理的估计出来以后，我们做特征选择的目标就是：从p个特征中选择m个特征，使得对应的模型的测试误差的估计最小。对应的方法有：
最优子集选择
向前逐步选择
4.压缩估计(正则化)：
除了刚刚讨论的直接对特征自身进行选择以外，我们还可以对回归的系数进行约束或者加罚的技巧对p个特征的模型进行拟合，显著降低模型方差，这样也会提高模型的拟合效果。具体来说，就是将回归系数往零的方向压缩，这也就是为什么叫压缩估计的原因了。岭回归(L2正则化)，Lasso回归(L1正则化)。
5.降维：
到目前为止，我们所讨论的方法对方差的控制有两种方式：一种是使用原始变量的子集，另一种是将变量系数压缩至零。但是这些方法都是基于原始特征 得到的，现在我们探讨一类新的方法：将原始的特征空间投影到一个低维的空间实现变量的数量变少如：将二维的平面投影至一维空间。机器学习领域中所谓的降维就是指采用某种映射方法，将原高维空间中的数据点映射到低维度的空间中。降维的本质是学习一个映射函数 f : x->y，其中x是原始数据点的表达，目前最多使用向量表达形式。 y是数据点映射后的低维向量表达，通常y的维度小于x的维度（当然提高维度也是可以的）。f可能是显式的或隐式的、线性的或非线性的。目前大部分降维算法处理向量表达的数据，也有一些降维算法处理高阶张量表达的数据。之所以使用降维后的数据表示是因为在原始的高维空间中，包含有冗余信息以及噪音信息，在实际应用例如图像识别中造成了误差，降低了准确率；而通过降维,我们希望减少 冗余信息 所造成的误差,提高识别（或其他应用）的精度。又或者希望通过降维算法来寻找数据内部的本质结构特征。在很多算法中，降维算
法成为了数据预处理的一部分，如PCA。事实上，有一些算法如果没有降维预处理，其实是很难得到很好的效果的。如主成分分析法（PCA）。