学习曲线

如果你使用一个高阶的多项式回归，你可能发现它的拟合程度要比普通的线性回归要好的多。例如，图 4-14 使用一个 300 阶的多项式模型去拟合之前的数据集，并同简单线性回归、2 阶的多项式回归进行比较。注意 300 阶的多项式模型如何摆动以尽可能接近训练实例。

学习曲线 - 图1

图 4-14：高阶多项式回归

当然，这种高阶多项式回归模型在这个训练集上严重过拟合了，线性模型则欠拟合。在这个训练集上，二次模型有着较好的泛化能力。那是因为在生成数据时使用了二次模型，但是一般我们不知道这个数据生成函数是什么，那我们该如何决定我们模型的复杂度呢？你如何告诉我你的模型是过拟合还是欠拟合？

在第二章，你可以使用交叉验证来估计一个模型的泛化能力。如果一个模型在训练集上表现良好，通过交叉验证指标却得出其泛化能力很差，那么你的模型就是过拟合了。如果在这两方面都表现不好，那么它就是欠拟合了。这种方法可以告诉我们，你的模型是太复杂还是太简单了。

另一种方法是观察学习曲线：画出模型在训练集上的表现，同时画出以训练集规模为自变量的训练集函数。为了得到图像，需要在训练集的不同规模子集上进行多次训练。下面的代码定义了一个函数，用来画出给定训练集后的模型学习曲线：

  1. from sklearn.metrics import mean_squared_error
  2. from sklearn.model_selection import train_test_split
  4. def plot_learning_curves(model, X, y):
  5.     X_train, X_val, y_train, y_val = train_test_split(X, y, test_size=0.2)
  6.     train_errors, val_errors = [], []
  7.     for m in range(1, len(X_train)):
  8.         model.fit(X_train[:m], y_train[:m])
  9.         y_train_predict = model.predict(X_train[:m])
  10.         y_val_predict = model.predict(X_val)
  11.         train_errors.append(mean_squared_error(y_train_predict, y_train[:m]))
  12.         val_errors.append(mean_squared_error(y_val_predict, y_val))
  13. plt.plot(np.sqrt(train_errors), "r-+", linewidth=2, label="train")
  14. plt.plot(np.sqrt(val_errors), "b-", linewidth=3, label="val")

我们一起看一下简单线性回归模型的学习曲线（图 4-15）：

  1. lin_reg = LinearRegression()
  2. plot_learning_curves(lin_reg, X, y)

学习曲线 - 图2

图 4-15：学习曲线

这幅图值得我们深究。首先，我们观察训练集的表现：当训练集只有一两个样本的时候，模型能够非常好的拟合它们，这也是为什么曲线是从零开始的原因。但是当加入了一些新的样本的时候，训练集上的拟合程度变得难以接受，出现这种情况有两个原因，一是因为数据中含有噪声，另一个是数据根本不是线性的。因此随着数据规模的增大，误差也会一直增大，直到达到高原地带并趋于稳定，在之后，继续加入新的样本，模型的平均误差不会变得更好或者更差。我们继续来看模型在验证集上的表现，当以非常少的样本去训练时，模型不能恰当的泛化，也就是为什么验证误差一开始是非常大的。当训练样本变多的到时候，模型学习的东西变多，验证误差开始缓慢的下降。但是一条直线不可能很好的拟合这些数据，因此最后误差会到达在一个高原地带并趋于稳定，最后和训练集的曲线非常接近。

上面的曲线表现了一个典型的欠拟合模型，两条曲线都到达高原地带并趋于稳定，并且最后两条曲线非常接近，同时误差值非常大。

提示

如果你的模型在训练集上是欠拟合的，添加更多的样本是没用的。你需要使用一个更复杂的模型或者找到更好的特征。

现在让我们看一个在相同数据上10阶多项式模型拟合的学习曲线（图 4-16）：

  1. from sklearn.pipeline import Pipeline
  3. polynomial_regression = Pipeline((
  4.     ("poly_features", PolynomialFeatures(degree=10, include_bias=False)),
  5.     ("sgd_reg", LinearRegression()),
  6. ))
  8. plot_learning_curves(polynomial_regression, X, y)

这幅图像和之前的有一点点像，但是其有两个非常重要的不同点：

  • 在训练集上，误差要比线性回归模型低的多。
  • 图中的两条曲线之间有间隔，这意味模型在训练集上的表现要比验证集上好的多，这也是模型过拟合的显著特点。当然，如果你使用了更大的训练数据，这两条曲线最后会非常的接近。

学习曲线 - 图3

图4-16：多项式模型的学习曲线

提示

改善模型过拟合的一种方法是提供更多的训练数据，直到训练误差和验证误差相等。

偏差和方差的权衡

在统计和机器学习领域有个重要的理论：一个模型的泛化误差由三个不同误差的和决定：

  • 偏差：泛化误差的这部分误差是由于错误的假设决定的。例如实际是一个二次模型，你却假设了一个线性模型。一个高偏差的模型最容易出现欠拟合。
  • 方差：这部分误差是由于模型对训练数据的微小变化较为敏感，一个多自由度的模型更容易有高的方差（例如一个高阶多项式模型），因此会导致模型过拟合。
  • 不可约误差：这部分误差是由于数据本身的噪声决定的。降低这部分误差的唯一方法就是进行数据清洗（例如：修复数据源，修复坏的传感器，识别和剔除异常值）。