机器学习 Loss大的原因和解决办法 过拟合的原因和解决措施

在从训练资料中得到Loss后，操作路径如下

Loss is Large

原因

（1）model bias

可能是model太简单/弹性不足，使得Loss没有足够小

解决办法：
（1）增加features（增加训练资料范围）
（2）Deep Learning（增加层数）

（2）Optimization

可能是参数优化不足，使得Loss不够小

gradient descent 无法找出合适的参数使得Loss足够小，这里待补充（下节课才讲）

如何判断是哪种原因

若无法正确判断原因，一味寻找，会导致始终找不到足够小的Loss，宛若大海捞针。

基本解释

通过对比不同模型以判断

如上图所示，横轴：training过程（即参数更新过程）；纵轴：Loss值（左图为测试资料，右图为训练资料）
在testing data中，20-layer的Loss < 56-layer的Loss，但这并不是over fitting所造成。
在Training data中，仍然是20-layer的Loss更低，但56-layer的model弹性明显更好，则说明是56-layer的optimization的问题。

具体操作

将浅的/小的network或者简单模型的Loss和深的network的Loss进行对比
先将浅的/小的network或者简单模型如Linear Model的Loss计算出。再计算更深的network的Loss。
若前者Loss更小，则证明是Optimization的问题

在上图蓝色框架内：
5-layer model的弹性一定强于前面几层，但Loss却比它们都大，则说明是5-layer的Optimization有问题。

Loss is Small

当训练数据的Loss足够小，在testing数据上进行实践，若testing数据的Loss足够小，则为success！反之则考虑overfitting

introduction of overfitting

蓝点为training data，用于束缚函数的形状。没有训练资料束缚的位置，当弹性过大时，函数则可以有任意形状，导致在测试资料上得到很大的Loss。

为了避免overfitting，有以下几种解决措施

overfitting solutions

解决措施分为两类：

（1）用更多的数据束缚模型

More training data ：需要搜集更多的训练资料
Data augmentation：基于原有资料，来增加资料

（2）减少模型弹性

mismatch

过拟合中一种具体的情况——mismatch

可用更多的训练资料克服普通过拟合的情况，但在mismatch中，由于训练资料和测试资料的分布不同，再多训练资料也无济于事

（此处待补充，还没讲）

如何选择最优Loss

随着model复杂程度增加，Training Loss持续减小，但Testing Loss先减小后增大。我们选择Testing Loss最小的Loss。

在HW中，用Training set得到model，用于通过public和private两个测试作业。训练资料中得出的多个模型中，Loss最小的模型可能在两个测试中得到差距很大的结果。

Cross Validation

为优化上述情况，我们采用交叉验证的方式：
将Training set分为两组：
（1）Training Set — 占90% ，用于寻找model
（2）Validation Set — 占10%，用于验证测试
在Validation Set中选取最小mse所用模型，用于测试作业。

N-fold Cross Validation

在划分Training Set时，为避免Validation Set数据差，我们可采用N-fold Cross Validation

将Training set数据划分为三份：2份训练资料，一份验证资料。将这三份用不同排列方式划分为3组，将每个模型在这三组中得到的mse列出，并求这三组的mse平均值，选取最小Avg mse的模型。

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