L1和L2正则详解

本文深入探讨了L1和L2正则化在机器学习中的作用,包括防止过拟合、参数稀疏性和模型解释性。L1正则化倾向于产生稀疏解,适合特征选择,而L2正则化确保模型稳定性,防止过拟合。通过优化问题、梯度和概率三个角度,解释了L1正则化实现稀疏化的原理。

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之前看过很多L1正则和L2正则分析的文章,也看了很多比较二者区别的文章,但始终没能总结成体系,写这篇文章的目的就是想总结一下关于L1正则和L2正则的分析。

正则化方法 (Regularization) 是机器学习领域中一种非常重要的技巧,它主要用来对权重系数加以约束限制,进而防止过拟合。数学上来讲,正则化即为在目标函数中加入对权值系数的约束。

首先说说使用正则化的场景:

  1. 变量较多或者样本量少于变量数的情形;

  2. 特征集合具有比较高的共线性;

  3. 寻求稀疏解(比如估计模型参数时的嵌入式特征选择);

  4. 为了解释或寻求高维数据集中变量组合;

正则化的作用在于:

1)保证模型尽可能的简单,避免过拟合。

2)约束模型特性,加入一些先验知识,例如稀疏、低秩等。

说到正则化的作用,先要搞清楚两个问题

1)实现参数的稀疏有什么好处吗?

一个好处是可以简化模型,避免过拟合。因为一个模型中真正重要的参数可能并不多,如果考虑所有的参数起作用,那么可以对训练数据可以预测的很好,但是对测试数据就只能呵呵了。另一个好处是参数变少可以使整个模型获得更好的可解释性。

2)参数值越小代表模型越简单吗?

是的。为什么参数越小,说明模型越简单呢,这是因为越复杂的模型,越是会尝试对所有的样本进行拟合,甚至包括一些异常样本点,这就容易造成在较小的区间里预测值产生较大的波动,这种较大的波动也反映了在这个区间里的导数很大,

要理解正则化如何在深度学习中防止过拟合并提升模型泛化能力,你应当深入阅读《深度学习正则详解:L1与L2,防止过拟合》。这份资料将帮助你掌握正则化的核心概念,并通过Python代码展示如何实现L1L2正则化。 参考资源链接:[深度学习正则详解:L1与L2,防止过拟合](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/x4by7wvcao?spm=1055.2569.3001.10343) L1L2正则化通过在损失函数中添加一个惩罚项来抑制模型复杂度。L1正则化倾向于产生稀疏模型,而L2正则化则倾向于让权重值较小且分布均匀。对于深度学习模型,你可以在损失函数中加入L1或L2正则化项: 对于L1正则化: \[ J_{L1} = \text{损失函数} + \lambda \sum_{i} |w_i| \] 对于L2正则化: \[ J_{L2} = \text{损失函数} + \frac{\lambda}{2} \sum_{i} w_i^2 \] 其中,\( w_i \) 表示模型的权重,\( \lambda \) 是正则化系数。 在实现时,如果你使用的是像TensorFlow或PyTorch这样的深度学习框架,可以很容易地通过修改模型的损失函数来加入正则化项。例如,在TensorFlow中,你可以通过损失函数的API添加L2正则化项,如下所示: ```python import tensorflow as tf # 假设loss是你的基础损失函数,例如 tf.keras.losses.MSE loss = tf.keras.losses.MSE(y_true, y_pred) # 计算L2正则化损失 l2_reg = tf.reduce_sum(tf.square(model.trainable_variables)) # 结合基础损失函数L2正则化项 total_loss = loss + l2_reg * lambda_value # 使用优化器进行梯度下降 optimizer = tf.keras.optimizers.Adam() optimizer.minimize(total_loss, model.trainable_variables) ``` 在调整正则化系数时,推荐使用交叉验证来找到一个合适的\( \lambda \)值,以确保模型在训练集验证集上的表现都比较好。 正则化是深度学习中重要的技术之一,通过了解并实践L1L2正则化,你可以更好地控制模型复杂度,并防止过拟合。为了进一步提升你的深度学习技能,建议深入阅读《深度学习正则详解:L1与L2,防止过拟合》,并通过实际编码实践来巩固理解。 参考资源链接:[深度学习正则详解:L1与L2,防止过拟合](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/x4by7wvcao?spm=1055.2569.3001.10343)
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