从 0 开始机器学习 - 机器学习系统的设计与误差分析

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一、构建算法的推荐步骤

当我们遇到一个问题，比如预测房价，我们想要用机器学习算法来更好的解决这个问题，推荐的步骤如下：

1.1 实现一个简单的算法

建议先花点时间实现一个简单能用的算法，比如线性回归预测房价，不需要一开始就花很多时间设计复杂的算法（在软件开发中叫避免过早优化），你可以先实现能用的算法，然后利用上篇文章从 0 开始机器学习 - 机器学习算法诊断中的学习曲线等诊断法来分析算法的优化方向，这样一个简单的算法就成为了优化问题的好工具！

1.2 分析学习曲线

有个简单的算法后，我们就可以画出学习曲线了，然后就可以决定下一步到底要往哪个方向做优化：

获得更多的训练样本
尝试减少特征的数量
尝试获得更多的特征
尝试增加多项式特征
尝试减少正则化程度
尝试增加正则化程度
…

1.3 误差分析

假如我们有多个方向可以作为优化的方向，比如以下的方向都可以解决模型的高方差问题：

获得更多的训练样本 - 适用于高方差的模型
尝试减少特征的数量 - 适用于高方差的模型
尝试增加正则化程度 $\lambda$ - 适用于高方差的模型

那我们又如何来评估每种方法的性能到底提升多少呢？或者说有没有一种直接的指标来告诉我，使用了这样一种优化措施后我的算法性能到底提高了多少百分比？

今天就来看看如何分析机器学习算法的误差。

二、机器学习算法误差分析

2.1 偏斜类问题

在介绍误差分析指标前，先来了解一个偏斜类问题：

训练集中有非常多同一类的样本，只有很少或者没有其他类的样本，这样的训练样本称为偏斜类。

比如预测癌症是否恶性的 100 个样本中：95 个是良性的肿瘤，5 个恶性的肿瘤，假设我们在这个样本上对比以下 2 种分类算法的百分比准确度，即分类错误的百分比：

普通非机器学习算法：人为把所有的样本都预测为良性，则分错了 5 个恶性的样本，错误率为 5 / 100 = 0.05 = 5%
神经网络算法：训练后预测 100 个样本，把 10 个良性的样本误分类为恶性的样本，错误率为 10 / 100 = 10%

如果仅仅从错误率大小来判断算法的优劣是不合适的，因为第一种人为设置样本都为良性的算法不会在实际项目中使用，但是通过指标却发现效果比神经网络还要好，这肯定是有问题的。

正是因为存在这么一种偏斜类的训练样本，所以我们需要用一个更加一般性的算法准确度评价指标，以此适用与任何类型的样本，解决上面那种荒唐的结论。

2.2 查准率与查全率

为了解决这个问题，使用查准率（Precision）和查全率（Recall）这 2 个误差指标，为了计算这 2 者，我们需要把算法预测的结果分为以下 4 种：

正确肯定（True Positive，TP）：预测为真，实际为真
正确否定（True Negative，TN）：预测为假，实际为假
错误肯定（False Positive，FP）：预测为真，实际为假
错误否定（False Negative，FN）：预测为假，实际为真

把这 4 个写到表格里面：

实际值 \ 预测值
	Positive	Negative
Positive	TP	FN
Negative	FP	TN

然后我们就可以定义这 2 个指标啦：

查准率 = TP / (TP + FP)：预测为真（恶性肿瘤）的情况中，实际为真（恶性肿瘤）的比例，越高越好
查全率 = TP / (TP + FN)：实际为真（恶性肿瘤）的情况中，预测为真（恶性肿瘤）的比例，越高越好

有了这 2 个指标我们再来分析下上面的算法性能，第一个人为的算法认为所有的肿瘤都是良性的，也就等价于原样本中 5 个恶性的肿瘤样本一个都没有预测成功，也即所有恶性肿瘤样本，该算法成功预测恶性肿瘤的比例为 0，所以查全率为 0，这说明该算法的效果并不好。

2.3 查准率与查全率的整合

在实际的使用中，查准率和查全率往往不能很好的权衡，要想保持两者都很高不太容易，通过使用以下的公式来整合这 2 个评价指标可以帮助我们直接看出一个算法的性能优劣：

\[F_1 Score = 2 \frac {PR} {P + R}\]

以后评价一个算法的性能直接比较 F1 Score 即可，这就大大方便了我们对比算法的性能。

三、机器学习的样本规模

除了评价指标，还有一个要关心的问题就是样本的规模，在机器学习领域有一句话：「取得成功的人不是拥有最好算法的人，而是拥有最多数据的人」，这句话的意思就是说当我们拥有非常多的数据时，选择什么样的算法不是最最重要的，一些在小样本上表现不好的算法，经过大样本的训练往往也能表现良好，比如下面这 4 种算法在很大样本上训练后的效果相差不是很大，但是在小样本时有挺大差距：

但在实际的机器学习算法中，为了能够使得训练数据发挥最大效用，我们往往会选一个比较好的模型（不太容易欠拟合，比如神经网络），再加上很多的样本数据（防止过拟合），通过这 2 者就可以让一个算法变的很强大，所以以后当你设计机器学习算法的时候一定要考虑自己的样本规模，选择合适的模型适应你的数据，如果你有很多很多的数据，那么可以选择复杂一点的模型，不能白白浪费你的数据！

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