过学习 overfitting

过学习,也称为过度拟合,发生在模型过于复杂导致在独立验证数据上的预测误差显著高于校准数据时。理想的模型应在剩余干扰误差和估计误差之间取得平衡。模型的最优复杂度高度依赖于校准数据集的大小和质量。对于噪声大且数据量有限的集合,简单模型能防止过学习,而对噪声小的大数据集,更复杂的模型可能更优。寻找每个数据集的最优模型复杂度是一项挑战,涉及防止过拟合和欠拟合的问题,这不仅影响神经网络,也影响多种多元校准算法。

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过学习 Overfitting 

【原文】http://www.frank-dieterle.de/phd/2_8_1.html

The best measure for the generalizing ability is the error of prediction of as many independent separate validation data as possible. According to figure 2 the error of prediction is composed of two main contributions, the remaining interference error and the estimation error [39]. The interference error is the systematic error (bias) due to unmodeled interference in the data, as the calibration model is not complex enough to capture all the interferences of the relationship between sensor responses and analytes. The estimation error is caused by modeling measured random noise of various kinds. The optimal prediction is obtained, when the remaining interference error and the estimation error balance ea

### 过拟合问题的解决方案及代码示例 在机器学习中,过拟合(Overfitting)是指模型在训练数据上表现很好,但在测试数据或新数据上表现较差的现象。过拟合通常表现为高方差(Variance),即模型过于复杂,以至于过度学习了训练数据中的噪声和细节。为了缓解过拟合问题,可以采用多种技术,包括正则化、数据增强、交叉验证等。以下将通过代码示例展示几种常见的解决方案。 #### 1. **正则化(Regularization)** 正则化是一种通过在损失函数中添加惩罚项来限制模型复杂度的方法。常见的正则化方法包括L1正则化(Lasso)和L2正则化(Ridge)。L2正则化通过添加权重平方的惩罚项来防止权重过大,从而降低模型的复杂度。 以下是一个使用L2正则化的岭回归(Ridge Regression)示例: ```python from sklearn.linear_model import Ridge from sklearn.metrics import mean_squared_error # 使用Ridge回归模型 ridge_model = Ridge(alpha=1.0) # alpha控制正则化的强度 ridge_model.fit(X, y) # 绘制拟合曲线 plt.scatter(X, y, color='blue') plt.plot(X, ridge_model.predict(X), color='green', linewidth=2) plt.title('Ridge Regression - Regularization') plt.show() # 计算均方误差 mse = mean_squared_error(y, ridge_model.predict(X)) print(f"Mean Squared Error with Ridge: {mse}") ``` #### 2. **数据增强(Data Augmentation)** 数据增强是通过对训练数据进行变换(如旋转、缩放、裁剪等)来增加数据的多样性,从而提高模型的泛化能力。以下是一个使用`ImageDataGenerator`进行数据增强的示例: ```python from tensorflow.keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator import numpy as np # 假设X_train是图像数据 datagen = ImageDataGenerator( rotation_range=20, width_shift_range=0.2, height_shift_range=0.2, horizontal_flip=True, fill_mode='nearest' ) # 生成增强后的数据 augmented_data = datagen.flow(X_train, y_train, batch_size=32) # 训练模型时使用增强后的数据 model.fit(augmented_data, epochs=10) ``` #### 3. **交叉验证(Cross-Validation)** 交叉验证是一种评估模型性能并选择最佳超参数的技术。K折交叉验证(K-Fold Cross-Validation)将数据集划分为K个子集,并在每个子集上进行训练和验证。以下是一个使用K折交叉验证的示例: ```python from sklearn.model_selection import cross_val_score from sklearn.linear_model import LinearRegression # 使用线性回归模型进行交叉验证 scores = cross_val_score(LinearRegression(), X, y, cv=5, scoring='neg_mean_squared_error') # 计算平均均方误差 mse_scores = -scores print(f"Cross-Validation MSE: {mse_scores.mean()}") ``` #### 4. **早停法(Early Stopping)** 早停法是一种在训练过程中监控验证集的性能,并在性能不再提升时提前停止训练的方法。以下是一个使用Keras实现早停法的示例: ```python from tensorflow.keras.callbacks import EarlyStopping # 定义早停回调 early_stop = EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=5) # 训练模型时使用早停法 history = model.fit(X_train, y_train, validation_split=0.2, epochs=100, callbacks=[early_stop]) ``` #### 5. **简化模型结构(Model Simplification)** 简化模型结构是另一种有效的防止过拟合的方法。例如,在神经网络中减少层数或神经元数量可以降低模型的复杂度。以下是一个简化神经网络结构的示例: ```python from tensorflow.keras.models import Sequential from tensorflow.keras.layers import Dense # 简化的神经网络模型 model = Sequential([ Dense(64, activation='relu', input_shape=(input_dim,)), Dense(1) ]) # 编译模型 model.compile(optimizer='adam', loss='mse') # 训练模型 model.fit(X_train, y_train, epochs=50, validation_split=0.2) ``` #### 6. **Dropout(随机丢弃神经元)** Dropout是一种在神经网络中防止过拟合的技术,通过在训练过程中随机丢弃一部分神经元来减少神经元之间的依赖关系。以下是一个使用Dropout的示例: ```python from tensorflow.keras.layers import Dropout # 使用Dropout的神经网络模型 model = Sequential([ Dense(128, activation='relu', input_shape=(input_dim,)), Dropout(0.5), # 随机丢弃50%的神经元 Dense(64, activation='relu'), Dropout(0.5), Dense(1) ]) # 编译模型 model.compile(optimizer='adam', loss='mse') # 训练模型 model.fit(X_train, y_train, epochs=50, validation_split=0.2) ```
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