偏差和方差

首先我们用房屋问题来说明偏差和方差的问题:

 如下图所示,左边是欠拟合导致的偏差过大问题,右边是过拟合导致的方差过大问题。

我们画出d为横坐标,偏差方差的大小为纵坐标的图像:你会发现欠拟合的情况下,测试集的偏差和方差都很大;过拟合的情况下,偏差会很小但是方差会很大。如下图:

 

加入正则项之后的偏差和方差:

 

 

 

### 残差、偏差方差的概念及其关系 #### 1. 残差 (Residuals) 残差是指实际观测值与模型预测值之间的差异。它是评估模型拟合程的一个重要指标,在监督学习中用于优化模型参数。通过最小化残差平方(RSS),可以有效减少模型的预测误差[^1]。 #### 2. 偏差 (Bias) 偏差表示模型预测值与真实值之间的平均差距。高偏差通常意味着模型欠拟合,即模型未能捕捉到数据中的复杂模式。例如,在Boosting算法中,随着弱分类器数量增加,偏差会逐渐降低,从而提高模型的整体性能。 #### 3. 方差 (Variance) 方差反映了模型对训练数据的变化敏感。当模型过于复杂时,可能会过适应训练数据中的噪声,导致在未见数据上的表现较差。因此,高方差往往对应于过拟合现象[^2]。 #### 4. 泛化误差 (Generalization Error) 泛化误差是模型在新数据上的预测能力的表现。理想情况下,一个优秀的模型应具有较低的泛化误差,这意味着它不仅能在训练集上表现良好,还能很好地处理未知的数据点[^3]。 #### 5. Bias-Variance Tradeoff 机器学习的核心挑战之一就是找到偏差方差之间的最佳平衡点。如果模型太简单,则可能产生较高的偏差;而如果模型过于复杂,则可能导致较大的方差。为了实现良好的泛化效果,需要在这两者间做出适当取舍。 #### XGBoost 中的特殊处理 XGBoost作为一种高效的梯提升框架,在面对含有缺失值的数据时能够自动决定分裂方向,这一特性有助于改善模型对于不完全数据的学习效果,间接影响了模型的偏差方差控制[^4]。 ```python import xgboost as xgb from sklearn.datasets import make_classification from sklearn.model_selection import train_test_split # 创建模拟数据集 X, y = make_classification(n_samples=1000, n_features=20, n_informative=15, n_redundant=5, random_state=7) # 划分训练集测试集 X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=7) # 定义并训练XGBoost模型 model = xgb.XGBClassifier(use_label_encoder=False, eval_metric='logloss') model.fit(X_train, y_train) ```
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