跟李沐学AI实用机器学习 | 第五章

5.1 方差和偏差

方差：预测结果的方差

偏差：预测结果和真实值之间的差距

需要低方差、低偏差的模型

第一项为偏差，第二项为方差

减小泛化误差

• 减小偏差：设计更加复杂的模型，例如增加神经网络的层数、隐藏单元，Boosting、Stacking
• 减小方差：更简单的模型，使用L1L2正则项，Bagging、Stacking
• 减小噪音σ平方：提升数据质量

Boosting、Stacking、Bagging属于集成学习Ensemble learning

5.2 Bagging-Bootstrap AGGregatING

Bagging并行训练n个base learner，然后通过平均learner的输出（回归问题）或者多数投票（分类）进行决策。每个learner在经过Bootstrap采样的数据上进行训练。

Bootstrap采样：假设有m个训练样本，有放回地从数据中随机采样m个样本。那么大概有1-1/e≈63%的样本会被采样到，剩下的部分（未被采样到的数据out-of-bag）用于验证。

Bagging降低方差，当base learner不那么稳定的时候（例如决策树），bagging对于降低方差的效果更好。

5.3 Boosting

把多个弱模型组合在一起得到更强的模型，减小偏差

Boosting按顺序学习n个弱模型，在第i步中，训练弱模型h_i，评估它的误差；根据误差的情况重新采样数据，多关注预测不正确的样本。

经典算法：AdaBoost、Gradient Boosting

Gradient Boosting：H_t(x)表示时刻t的模型，H_1(x)=0。在时刻t=1,2,3,…时，在残差数据{(xi, yi-H_t(xi))}i=1,…,m 上训练一个新模型ht，H_(t 1)(x)=H_t(x) θht(x)，学习率θ通过收缩正则化模型。如果选择MSE作为损失函数，残差部分就等于负梯度方向。

其他Boosting算法可以通过选择不同的函数空间（损失函数）很容易地换到Gradient Boosting的框架里

GBDT：使用小一点的决策树作为base learner，降低过拟合风险

顺序建树太慢了，可以使用加速算法，如XGBoost，lightGBM

5.4 Stacking（比较贵）

单层Stacking：把多个base learner组合在一起降低方差，在同样的数据集上训练不同的模型，把不同模型的输出concat起来，经过全连接层得到最终的结果。

跟bagging的区别：①不需要经过Bootstrap采样 ②学习的模型是不同类型的

多层Stacking：降低偏差，特别容易过拟合

降低过拟合风险的方法：

• 划分训练数据集，不同层stacking采用不同的训练集
• 重复的k折bagging：假设有k个模型，把数据集分成k份，k-1份用于训练，1份用于验证。假设第i个模型是在第 i 块数据上做了验证，那么把第 i 个模型在第 i 块数据上的输出作为预测输出，把所有模型的预测并起来，进入到下一层进行训练。（进一步降低方差的方法：重复上述步骤n次，把n次的预测结果取平均，再进入到下一层进行训练）