过拟合及常见处理办法整理（总结）

过拟合及常见处理办法整理（总结）

一、总结

一句话总结：

I、参数过多：减少层数，减少每层节点个数

II、样本过少：增加样本（获取更多样本，在已有样本上操作来增加样本）

III、正则化（regularization）：限制权值 Weight-decay：当网络权值较小时，神经元的激活函数工作在线性区，此时神经元的拟合能力较弱（类似线性神经元）。对于每个神经元而言，其激活函数在不同区间的性能是不同的

IV、dropout：相当于有多个随机数据模型

 

1、过拟合现象？

过拟合（over-fitting），机器学习模型或者是深度学习模型在训练样本中表现得过于优越，导致在验证数据集以及测试数据集中表现不佳。出现这种现象的主要原因是训练数据中存在噪音或者训练数据太少。

 

 

2、过拟合原因？

造成过拟合的原因有可以归结为：参数过多或样本过少。

 

 

3、为什么增大数据量会解决过拟合问题？

只要给足够多的数据，让模型「看见」尽可能多的「例外情况」，它就会不断修正自己，从而得到更好的结果：

 

 

4、数据增强（Data Augmentation）方式？

不行方式：在物体分类问题里，物体在图像中的位置、姿态、尺度，整体图片明暗度等都不会影响分类结果。

可以方式：我们就可以通过图像平移、翻转、缩放、切割等手段将数据库成倍扩充；

 

 

5、为什么dropout可以解决过拟合问题？

在训练时，每次随机（如50%概率）忽略隐层的某些节点；这样，我们相当于随机从2^H个模型中采样选择模型；同时，由于每个网络只见过一个训练数据（每次都是随机的新网络），所以类似 bagging 的做法

 

 

二、过拟合及常见处理办法整理

转自或参考：过拟合及常见处理办法整理
https://blog.csdn.net/jingbo18/article/details/80609006

训练网络时，遇到过拟合问题，查找后，整理成文档，便于查看。

判断方法

过拟合（over-fitting），机器学习模型或者是深度学习模型在训练样本中表现得过于优越，导致在验证数据集以及测试数据集中表现不佳。出现这种现象的主要原因是训练数据中存在噪音或者训练数据太少。

过拟合问题，根本的原因则是特征维度(或参数)过多，导致拟合的函数完美的经过训练集，但是对新数据的预测结果则较差。

常见原因

1）建模样本选取有误，如样本数量太少，选样方法错误，样本标签错误等，导致选取的样本数据不足以代表预定的分类规则；

2）样本噪音干扰过大，使得机器将部分噪音认为是特征从而扰乱了预设的分类规则；

3）假设的模型无法合理存在，或者说是假设成立的条件实际并不成立；

4）参数太多，模型复杂度过高；

5）对于决策树模型，如果我们对于其生长没有合理的限制，其自由生长有可能使节点只包含单纯的事件数据(event)或非事件数据(no event)，使其虽然可以完美匹配（拟合）训练数据，但是无法适应其他数据集。

6）对于神经网络模型：

a)对样本数据可能存在分类决策面不唯一，随着学习的进行,，BP算法使权值可能收敛过于复杂的决策面；

b)权值学习迭代次数足够多(Overtraining)，拟合了训练数据中的噪声和训练样例中没有代表性的特征。

解决方法

1）在神经网络模型中，可使用权值衰减的方法，即每次迭代过程中以某个小因子降低每个权值。

2）选取合适的停止训练标准，使对机器的训练在合适的程度；

3）保留验证数据集，对训练成果进行验证；

4）获取额外数据进行交叉验证；

5）正则化，即在进行目标函数或代价函数优化时，在目标函数或代价函数。

以下摘抄自csdn-Fitz博客:

造成过拟合的原因有可以归结为：参数过多或样本过少。那么我们需要做的事情就是减少参数，提供两种办法：

1、回想下我们的模型，假如我们采用梯度下降算法将模型中的损失函数不断减少，那么最终我们会在一定范围内求出最优解，最后损失函数不断趋近0。那么我们可以在所定义的损失函数后面加入一项永不为0的部分，那么最后经过不断优化损失函数还是会存在。其实这就是所谓的“正则化”。

一个通俗的理解便是：更小的参数值w意味着模型的复杂度更低，对训练数据的拟合刚刚好（奥卡姆剃刀）。

下面这张图片就是加入了正则化（regulation）之后的损失函数。这里m是样本数目，表示的是正则化系数。

当过大时，则会导致后面部分权重比加大，那么最终损失函数过大，从而导致欠拟合。

当过小时，甚至为0，导致过拟合。

 

 

2、对于神经网络，参数膨胀原因可能是因为随着网路深度的增加，同时参数也不断增加，并且增加速度、规模都很大。那么可以采取减少神经网络规模（深度）的方法。也可以用一种叫dropout的方法。dropout的思想是当一组参数经过某一层神经元的时候，去掉这一层上的一部分神经元，让参数只经过一部分神经元进行计算。注意这里的去掉并不是真正意义上的去除，只是让参数不经过一部分神经元计算而已。

 

 

以下摘抄自知乎-flyqq：

https://www.zhihu.com/question/59201590

过拟合（overfitting）是指在模型参数拟合过程中的问题，由于训练数据包含抽样误差，训练时，复杂的模型将抽样误差也考虑在内，将抽样误差也进行了很好的拟合。

具体表现就是最终模型在训练集上效果好；在测试集上效果差。模型泛化能力弱。

 

 

为什么要解决过拟合现象？这是因为我们拟合的模型一般是用来预测未知的结果（不在训练集内），过拟合虽然在训练集上效果好，但是在实际使用时（测试集）效果差。同时，在很多问题上，我们无法穷尽所有状态，不可能将所有情况都包含在训练集上。所以，必须要解决过拟合问题。

为什么在机器学习中比较常见？这是因为机器学习算法为了满足尽可能复杂的任务，其模型的拟合能力一般远远高于问题复杂度，也就是说，机器学习算法有「拟合出正确规则的前提下，进一步拟合噪声」的能力。

而传统的函数拟合问题（如机器人系统辨识），一般都是通过经验、物理、数学等推导出一个含参模型，模型复杂度确定了，只需要调整个别参数即可。模型「无多余能力」拟合噪声。

既然过拟合这么讨厌，我们应该怎么防止过拟合呢？最近深度学习比较火，我就以神经网络为例吧：

 

 

1、获取更多数据

这是解决过拟合最有效的方法，只要给足够多的数据，让模型「看见」尽可能多的「例外情况」，它就会不断修正自己，从而得到更好的结果：

 

 

如何获取更多数据，可以有以下几个方法：

1）从数据源头获取更多数据：这个是容易想到的，例如物体分类，我就再多拍几张照片好了；但是，在很多情况下，大幅增加数据本身就不容易；另外，我们不清楚获取多少数据才算够；

根据当前数据集估计数据分布参数，使用该分布产生更多数据：这个一般不用，因为估计分布参数的过程也会代入抽样误差。

2）数据增强（Data Augmentation）：通过一定规则扩充数据。如在物体分类问题里，物体在图像中的位置、姿态、尺度，整体图片明暗度等都不会影响分类结果。我们就可以通过图像平移、翻转、缩放、切割等手段将数据库成倍扩充；

 

 

2、使用合适的模型

前面说了，过拟合主要是有两个原因造成的：数据太少+模型太复杂。所以，我们可以通过使用合适复杂度的模型来防止过拟合问题，让其足够拟合真正的规则，同时又不至于拟合太多抽样误差。

对于神经网络而言，我们可以从以下四个方面来限制网络能力：

2.1、网络结构 Architecture

这个很好理解，减少网络的层数、神经元个数等均可以限制网络的拟合能力；

 

 

2.2、训练时间 Early stopping

对于每个神经元而言，其激活函数在不同区间的性能是不同的：

 

 

当网络权值较小时，神经元的激活函数工作在线性区，此时神经元的拟合能力较弱（类似线性神经元）。

有了上述共识之后，我们就可以解释为什么限制训练时间（early stopping）有用：因为我们在初始化网络的时候一般都是初始为较小的权值。训练时间越长，部分网络权值可能越大。如果我们在合适时间停止训练，就可以将网络的能力限制在一定范围内。

2.3、限制权值 Weight-decay，也叫正则化（regularization）

原理同上，但是这类方法直接将权值的大小加入到 Cost 里，在训练的时候限制权值变大。以 L2 regularization为例：

 

 

训练过程需要降低整体的Cost，这时候，一方面能降低实际输出与样本之间的误差 ，也能降低权值大小。

2.4、增加噪声 Noise

给网络加噪声也有很多方法：

2.4.1、在输入中加噪声：

噪声会随着网络传播，按照权值的平方放大，并传播到输出层，对误差 Cost 产生影响。推导直接看 Hinton 的 PPT 吧：

 

 

在输入中加高斯噪声，会在输出中生成 的干扰项。训练时，减小误差，同时也会对噪声产生的干扰项进行惩罚，达到减小权值的平方的目的，达到与 L2 regularization 类似的效果（对比公式）。

2.4.2、在权值上加噪声

在初始化网络的时候，用0均值的高斯分布作为初始化。Alex Graves 的手写识别 RNN 就是用了这个方法

Graves,Alex, et al. "A novel connectionist system for unconstrained handwritingrecognition." IEEE transactions on pattern analysis and machineintelligence 31.5 (2009): 855-868.

- Itmay work better, especially in recurrent networks (Hinton)

2.4.3、对网络的响应加噪声

如在前向传播过程中，让默写神经元的输出变为 binary 或 random。显然，这种有点乱来的做法会打乱网络的训练过程，让训练更慢，但据 Hinton 说，在测试集上效果会有显著提升 （But it doessignificantly better on the test set!）。

3、结合多种模型

简而言之，训练多个模型，以每个模型的平均输出作为结果。

从 N 个模型里随机选择一个作为输出的期望误差，会比所有模型的平均输出的误差 大（我不知道公式里的圆括号为什么显示不了）：

 

 

大概基于这个原理，就可以有很多方法了：

3.1、Bagging

简单理解，就是分段函数的概念：用不同的模型拟合不同部分的训练集。以随机森林（Rand Forests）为例，就是训练了一堆互不关联的决策树。但由于训练神经网络本身就需要耗费较多自由，所以一般不单独使用神经网络做Bagging。

3.2、Boosting

既然训练复杂神经网络比较慢，那我们就可以只使用简单的神经网络（层数、神经元数限制等）。通过训练一系列简单的神经网络，加权平均其输出。

 

 

3.3、Dropout

这是一个很高效的方法。

 

 

在训练时，每次随机（如50%概率）忽略隐层的某些节点；这样，我们相当于随机从2^H个模型中采样选择模型；同时，由于每个网络只见过一个训练数据（每次都是随机的新网络），所以类似 bagging 的做法，这就是我为什么将它分类到「结合多种模型」中；

此外，而不同模型之间权值共享（共同使用这 H 个神经元的连接权值），相当于一种权值正则方法，实际效果比 L2regularization 更好。

4、贝叶斯方法

这部分我还没有想好怎么才能讲得清楚，为了不误导初学者，我就先空着，以后如果想清楚了再更新。当然，这也是防止过拟合的一类重要方法。

 

 

知乎-李俊毅：

防止overfitting三个角度：
1）数据：augmentation；
2）网络：简单化网络；
3）plus：正则，dropout等网络模型的变种。