机器学习基石16-Three Learning Princles

注：
文章中所有的图片均来自台湾大学林轩田《机器学习基石》课程。
笔记原作者：红色石头
微信公众号：AI有道

上节课讲了一个机器学习很重要的工具——Validation。我们将整个训练集分成两部分：\(D_{train}\) 和 \(D_{val}\)，一部分作为机器学习模型建立的训练数据，另一部分作为验证模型好坏的数据，从而选择到更好的模型，实现更好的泛化能力。这节课，我们主要介绍机器学习中非常实用的三个“锦囊妙计”。

一、Occam's Razor

奥卡姆剃刀定律（Occam's Razor），是由14世纪逻辑学家、圣方济各会修士奥卡姆的威廉（William of Occam，约1285年至1349年）提出。奥卡姆（Ockham）在英格兰的萨里郡，那是他出生的地方。他在《箴言书注》2卷15题说“切勿浪费较多东西去做用较少的东西同样可以做好的事情。” 这个原理称为“如无必要，勿增实体”（Entities must not be multiplied unnecessarily），就像剃刀一样，将不必要的部分去除掉。

Occam's Razor反映到机器学习领域中，指的是在所有可能选择的模型中，我们应该选择能够很好地解释已知数据并且十分简单的模型。

上图就是一个模型选择的例子，左边的模型很简单，可能有分错的情况；而右边的模型非常复杂，所有的训练样本都分类正确。但是，我们会选择左边的模型，它更简单，符合人类直觉的解释方式。这样的结果带来两个问题：一个是什么模型称得上是简单的？另一个是为什么简单模型比复杂模型要好？

简单的模型一方面指的是简单的hypothesis h，简单的hypothesis就是指模型使用的特征比较少，例如多项式阶数比较少。简单模型另一方面指的是模型H包含的hypothesis数目有限，不会太多，这也是简单模型包含的内容。

其实，simple hypothesis h和simple model H是紧密联系的。如果hypothesis的特征个数是\(l\)，那么H中包含的hypothesis个数就是\(2^l\)，也就是说，hypothesis特征数目越少，H中hypothesis数目也就越少。

所以，为了让模型简单化，我们可以一开始就选择简单的model，或者用regularization，让hypothesis中参数个数减少，降低模型复杂度

那为什么简单的模型更好呢？下面从哲学的角度简单解释一下。机器学习的目的是“找规律”，即分析数据的特征，总结出规律性的东西出来。假设现在有一堆没有规律的杂乱的数据需要分类，要找到一个模型，让它的\(E_{in}=0\)，是很难的，大部分时候都无法正确分类，但是如果是很复杂的模型，也有可能将其分开。反过来说，如果有另一组数据，如果可以比较容易找到一个模型能完美地把数据分开，那表明数据本身应该是有某种规律性。也就是说杂乱的数据应该不可以分开，能够分开的数据应该不是杂乱的。如果使用某种简单的模型就可以将数据分开，那表明数据本身应该符合某种规律性。相反地，如果用很复杂的模型将数据分开，并不能保证数据本身有规律性存在，也有可能是杂乱的数据，因为无论是有规律数据还是杂乱数据，复杂模型都能分开。这就不是机器学习模型解决的内容了。所以，模型选择中，我们应该尽量先选择简单模型，例如最简单的线性模型。

二、Sampling Bias

首先引入一个有趣的例子：1948年美国总统大选的两位热门候选人是Truman和Dewey。一家报纸通过电话采访，统计人们把选票投给了Truman还是Dewey。经过大量的电话统计显示，投给Dewey的票数要比投个Truman的票数多，所以这家报纸就在选举结果还没公布之前，信心满满地发表了“Dewey Defeats Truman”的报纸头版，认为Dewey肯定赢了。但是大选结果公布后，让这家报纸大跌眼镜，最终Truman赢的了大选的胜利。

为什么会出现跟电话统计完全相反的结果呢？是因为电话统计数据出错还是投票运气不好？都不是。其实是因为当时电话比较贵，有电话的家庭比较少，而正好是有电话的美国人支持Dewey的比较多，而没有电话的支持Truman比较多。也就是说样本选择偏向于有钱人那边，不具有广泛的代表性，才造成Dewey支持率更多的假象。

这个例子表明，抽样的样本会影响到结果，用一句话表示“If the data is sampled in a biased way, learning will produce a similarly biased outcome.” 意思是，如果抽样有偏差的话，那么学习的结果也产生了偏差，这种情形称之为抽样偏差Sampling Bias。从技术上来说，就是训练数据和验证数据要服从同一个分布，最好都是独立同分布的，这样训练得到的模型才能更好地具有代表性。

三、Data Snooping

之前的课程，我们介绍过在模型选择时应该尽量避免偷窥数据，因为这样会使我们人为地倾向于某种模型，而不是根据数据进行随机选择。所以，\(\Phi\) 应该自由选取，最好不要偷窥到原始数据，这会影响我们的判断。

事实上，数据偷窥发生的情况有很多，不仅仅指我们看到了原始数据。什么意思呢？其实，当你在使用这些数据的任何过程，都是间接地偷看到了数据本身，然后你会进行一些模型的选择或者决策，这就增加了许多的model complexity，也就是引入了污染。

下面举个例子来说明。假如我们有8年的货币交易数据，我们希望从这些数据中找出规律，来预测货币的走势。如果选择前6年数据作为训练数据，后2年数据作为测试数据，来训练模型。现在我们有前20天的数据，根据之前训练的模型，来预测第21天的货币交易走势。

现在有两种训练模型的方法，如图所示，一种是使用前6年数据进行模型训练，后2年数据作为测试，图中蓝色曲线表示后2年的预测收益；另一种是直接使用8年数据进行模型训练，图中红色曲线表示后2年的预测收益情况。图中，很明显，使用8年数据进行训练的模型对后2年的预测的收益更大，似乎效果更好。但是这是一种自欺欺人的做法，因为训练的时候已经拿到了后2年的数据，用这样的模型再来预测后2年的走势是不科学的。这种做法也属于间接偷窥数据的行为。直接偷窥和间接偷窥数据的行为都是不科学的做法，并不能表示训练的模型有多好。

还有一个偷窥数据的例子，比如对于某个基准数据集\(D\)，某人对它建立了一个模型\(\mathcal{H}_1\)，并发表了论文。第二个人看到这篇论文后，又会对\(D\)，建立一个新的好的模型\(\mathcal{H}_2\)。这样，不断地有人看过前人的论文后，建立新的模型。其实，后面人选择模型时，已经被前人影响了，这也是偷窥数据的一种情况。也许你能对\(D\)训练很好的模型，但是可能你仅仅只根据前人的模型，成功避开了一些错误，甚至可能发生了over fitting或者bad generalization。所以，机器学习领域有这样一句有意思的话“If you
torture the data long enough, it will confess.”所以，我们不能太“折磨”我们的数据了，否则它只能“妥协”了。

在机器学习过程中，避免“偷窥数据”非常重要，但实际上，完全避免也很困难。实际操作中，有一些方法可以帮助我们尽量避免偷窥数据。第一个方法是“看不见”数据。就是说当我们在选择模型的时候，尽量用我们的经验和知识来做判断选择，而不是通过数据来选择。先选模型，再看数据。第二个方法是保持怀疑。就是说时刻保持对别人的论文或者研究成果保持警惕与怀疑，要通过自己的研究与测试来进行模型选择，这样才能得到比较正确的结论。