【机器学习】如何快速找到模型算法中存在的问题

训练集、验证集和测试集

训练集(train sets)主要用于训练模型，调整参数，验证集(validation sets)用于进一步调参，而测试集(test sets)用于最后评估模型的精度。一般训练集、验证集和测试集的比例为60%,20%,20%。

Bias&Variance

我们的学习模型和真实值之间的误差主要来自三个方面：Bias，Variance和随机误差。其中随机误差，也叫噪声，是我们无法避免的。所以我们主要讨论Bias和Variance。
Bias通常是由于我们的模型欠拟合(underfit)造成的，而Variance通常是由于模型过拟合(Overfit)造成的。
下图是形象地表示出多项式的度与High Bias和High Variance的关系。（图来自Andrew Ng）

下图是正则化参数$\lambda$λ与Bias/Variance之间的关系

注意：在计算$\lambda$λ与误差之间的关系时，先用带有正则参数的损失函数$J(\theta)$J(θ)计算出$\Theta$Θ，然后将求出的$\Theta$Θ计算出不带正则的$J_{cv}(\theta)$Jcv​(θ)和$J_{train}(\theta)$Jtrain​(θ)。

学习曲线(learning curve)

学习曲线(learning curve)是表示样本数目大小(m)与训练集误差($J_{train}(\theta)$Jtrain​(θ))和验证集误差($J_{cv}(\theta)$Jcv​(θ))之间的关系图。
当模型有high bias的问题时，如果样本数量很小，那么$J_{train}(\theta)$Jtrain​(θ)比较小，$J_{cv}(\theta)$Jcv​(θ)会较大，但是当样本数量增加后，$J_{train}(\theta)$Jtrain​(θ)和$J_{cv}(\theta)$Jcv​(θ)会慢慢变得相近，但是都大于期望的误差。所以对于高偏差的模型，仅仅增加样本的数量对模型帮助不是很大。

当模型有high variance时，如果样本数量很小，那么$J_{train}(\theta)$Jtrain​(θ)比较小，$J_{cv}(\theta)$Jcv​(θ)会较大，当样本数量变大之后，$J_{cv}(\theta)$Jcv​(θ)会变小，而$J_{train}(\theta)$Jtrain​(θ)会变大，但${J_{train}(\theta)}<{J_{cv}(\theta)}$Jtrain​(θ)<Jcv​(θ)，且两者之间有一些差距。对于high variance来说，增加样本数量可以帮助改善模型的准确度。

经验总结

下面总结了一些可以有效减小high bias或者high variance的方法：

对于神经网络来讲，如果隐藏单元或者隐藏层很少，即模型比较简单，可能会导致欠拟合，但是如果隐藏单元或者隐藏层很多，可能会导致过拟合。所以，对神经网络问题，一般来讲应设计神经网络应优先考虑3层网络（即有1个隐层）。一般地，靠增加隐层节点数来获得较低的误差，其训练效果要比增加隐层数更容易实现。
一般在写模型算法时，比较推荐的方法是：
1.首先花较少的时间完成一个简单的算法，并且在验证集上测试一下
2.画出学习曲线帮你决定你可以通过什么途径来减少误差。
3.误差分析：手动在验证集中检查那些被弄错了的样本，分析出哪些类型的的特征可能能帮助你有效减少误差。

倾斜数据(Skewed Data)

数据倾斜是指数据的分散度不够，导致大量的数据集中在某一类或者某几类中。对于这类数据，我们不能通过简单的准确度来评判模型的好坏，而是通过Precision和Recall两个维度来评判。
对于Precision和Recall的定义如下：

对于有些模型来讲，Precision变大，那么Recall就会变小，Precision变小，Recall就会变大，那么就需要在Precision和Recall中权衡。F1 分数(F1 score)是衡量的一个指标。具体的表示为:
$F_1\space Score = 2*\frac{Precision*Recall}{Precision+Recall}$F1​ Score=2∗Precision+RecallPrecision∗Recall​
如果Precision和Recall都能很高就最好了。