機器學習實用指南:訓練和損失函數(shù)

彈性網(wǎng)絡（ElasticNet）

彈性網(wǎng)絡介于 Ridge 回歸和 Lasso 回歸之間。它的正則項是 Ridge 回歸和 Lasso 回歸正則項的簡單混合，同時你可以控制它們的混合率 $r$，當 $r=0$ 時，彈性網(wǎng)絡就是 Ridge 回歸，當 $r=1$ 時，其就是 Lasso 回歸。具體表示如公式 4-12。

公式 4-12：彈性網(wǎng)絡損失函數(shù)

$$ J( heta)=MSE( heta)+ralphasumlimits_{i=1}^nleft| heta_i ight|+frac{1-r}{2}alphasumlimits_{i=1}^n heta_i^2 $$

那么我們該如何選擇線性回歸，嶺回歸，Lasso 回歸，彈性網(wǎng)絡呢？一般來說有一點正則項的表現(xiàn)更好，因此通常你應該避免使用簡單的線性回歸。嶺回歸是一個很好的首選項，但是如果你的特征僅有少數(shù)是真正有用的，你應該選擇 Lasso 和彈性網(wǎng)絡。就像我們討論的那樣，它兩能夠?qū)o用特征的權(quán)重降為零。一般來說，彈性網(wǎng)絡的表現(xiàn)要比 Lasso 好，因為當特征數(shù)量比樣本的數(shù)量大的時候，或者特征之間有很強的相關性時，Lasso 可能會表現(xiàn)的不規(guī)律。下面是一個使用 Scikit-Learn ElasticNet（l1_ratio指的就是混合率 $r$）的簡單樣本：

>>> from sklearn.linear_model import ElasticNet >>> elastic_net = ElasticNet(alpha=0.1, l1_ratio=0.5) >>> elastic_net.fit(X, y) >>> elastic_net.predict([[1.5]]) array([ 1.54333232])

早期停止法（Early Stopping）

對于迭代學習算法，有一種非常特殊的正則化方法，就像梯度下降在驗證錯誤達到最小值時立即停止訓練那樣。我們稱為早期停止法。圖 4-20 表示使用批量梯度下降來訓練一個非常復雜的模型（一個高階多項式回歸模型）。隨著訓練的進行，算法一直學習，它在訓練集上的預測誤差（RMSE）自然而然的下降。然而一段時間后，驗證誤差停止下降，并開始上升。這意味著模型在訓練集上開始出現(xiàn)過擬合。一旦驗證錯誤達到最小值，便提早停止訓練。這種簡單有效的正則化方法被 Geoffrey Hinton 稱為“完美的免費午餐”

圖 4-20：早期停止法

提示

隨機梯度和小批量梯度下降不是平滑曲線，你可能很難知道它是否達到最小值。 一種解決方案是，只有在驗證誤差高于最小值一段時間后（你確信該模型不會變得更好了），才停止，之后將模型參數(shù)回滾到驗證誤差最小值。

下面是一個早期停止法的基礎應用：

from sklearn.base import clone sgd_reg = SGDRegressor(n_iter=1, warm_start=True, penalty=None,learning_rate="constant", eta0=0.0005) minimum_val_error = float("inf") best_epoch = None best_model = None for epoch in range(1000): sgd_reg.fit(X_train_poly_scaled, y_train) y_val_predict = sgd_reg.predict(X_val_poly_scaled) val_error = mean_squared_error(y_val_predict, y_val) if val_error < minimum_val_error: ? ? ? ?minimum_val_error = val_error ? ? ? ?best_epoch = epoch ? ? ? ?best_model = clone(sgd_reg)

注意：當warm_start=True時，調(diào)用fit()方法后，訓練會從停下來的地方繼續(xù)，而不是從頭重新開始。

邏輯回歸

正如我們在第1章中討論的那樣，一些回歸算法也可以用于分類（反之亦然）。 Logistic 回歸（也稱為 Logit 回歸）通常用于估計一個實例屬于某個特定類別的概率（例如，這電子郵件是垃圾郵件的概率是多少？）。 如果估計的概率大于 50%，那么模型預測這個實例屬于當前類（稱為正類，標記為“1”），反之預測它不屬于當前類（即它屬于負類 ，標記為“0”）。 這樣便成為了一個二元分類器。

概率估計

那么它是怎樣工作的？ 就像線性回歸模型一樣，Logistic 回歸模型計算輸入特征的加權(quán)和（加上偏差項），但它不像線性回歸模型那樣直接輸出結(jié)果，而是把結(jié)果輸入logistic()函數(shù)進行二次加工后進行輸出（詳見公式 4-13）。

公式 4-13：邏輯回歸模型的概率估計（向量形式）

$$ hat{p}=h_ heta(mathbf{x})=sigma( heta^T cdot mathbf{x}) $$

Logistic 函數(shù)（也稱為 logit），用 $sigma()$ 表示，其是一個 sigmoid 函數(shù)（圖像呈 S 型），它的輸出是一個介于 0 和 1 之間的數(shù)字。其定義如公式 4-14 和圖 4-21 所示。

公式 4-14：邏輯函數(shù)

$$ sigma(t)=frac{1}{1+exp(-t)} $$

圖4-21：邏輯函數(shù)

一旦 Logistic 回歸模型估計得到了 $mathbf{x}$ 屬于正類的概率 $hat{p}=h_ heta(mathbf{x})$，那它很容易得到預測結(jié)果 $hat{y}$（見公式 4-15）。

公式 4-15：邏輯回歸預測模型

$$ hat{y}= egin{cases} 0, &hat{p}<0.5 1,&hat{p}geq0.5 end{cases} $$

注意當 $t<0$ 時 $sigma(t)<0.5$，當 $tgeq0$時$sigma(t)geq0.5$，因此當$ heta^T ?cdot mathbf{x}$ 是正數(shù)的話，邏輯回歸模型輸出 1，如果它是負數(shù)的話，則輸出 0。

訓練和損失函數(shù)

好，現(xiàn)在你知道了 Logistic 回歸模型如何估計概率并進行預測。 但是它是如何訓練的？ 訓練的目的是設置參數(shù)向量 $ heta$，使得正例（$y=1$）概率增大，負例（$y=0$）的概率減小，其通過在單個訓練實例 $mathbf{x}$ 的損失函數(shù)來實現(xiàn)（公式 4-16）。

公式 4-16：單個樣本的損失函數(shù)

$$ c( heta)= egin{cases} -log(hat{p}), &y=1 -log(1-hat{p}),&y=0 end{cases} $$

這個損失函數(shù)是合理的，因為當 $t$ 接近 0 時，$-log(t)$ 變得非常大，所以如果模型估計一個正例概率接近于 0，那么損失函數(shù)將會很大，同時如果模型估計一個負例的概率接近 1，那么損失函數(shù)同樣會很大。 另一方面，當 $t$ 接近于 1 時，$-log(t)$ 接近 0，所以如果模型估計一個正例概率接近于 0，那么損失函數(shù)接近于 0，同時如果模型估計一個負例的概率接近 0，那么損失函數(shù)同樣會接近于 0， 這正是我們想的。

整個訓練集的損失函數(shù)只是所有訓練實例的平均值。可以用一個表達式（你可以很容易證明）來統(tǒng)一表示，稱為對數(shù)損失，如公式 4-17 所示。

公式 4-17：邏輯回歸的損失函數(shù)（對數(shù)損失）

$$ J( heta)=-frac{1}{m}sumlimits_{i=1}^mleft[y^{(i)}logleft(hat{p}^{(i)} ight)+left(1-y^{(i)} ight)logleft(1-hat{p}^{(i)} ight) ight] $$

但是這個損失函數(shù)對于求解最小化損失函數(shù)的 $ heta$ 是沒有公式解的（沒有等價的正態(tài)方程）。 但好消息是，這個損失函數(shù)是凸的，所以梯度下降（或任何其他優(yōu)化算法）一定能夠找到全局最小值（如果學習速率不是太大，并且你等待足夠長的時間）。公式 4-18 給出了損失函數(shù)關于第 $j$ 個模型參數(shù) $ heta_j$ 的偏導數(shù)。

公式 4-18：邏輯回歸損失函數(shù)的偏導數(shù)

$$ frac{partial}{partial heta_j}J( heta_j)=frac{1}{m} sumlimits_{i=1}^m{left(sigmaleft( heta^T cdot mathbf{x}^{(i)} ight)-y^{(i)} ight)}{x_j}^{(i)} $$

這個公式看起來非常像公式 4-5：首先計算每個樣本的預測誤差，然后誤差項乘以第 $j$ 項特征值，最后求出所有訓練樣本的平均值。 一旦你有了包含所有的偏導數(shù)的梯度向量，你便可以在梯度向量上使用批量梯度下降算法。 也就是說：你已經(jīng)知道如何訓練 Logistic 回歸模型。 對于隨機梯度下降，你當然只需要每一次使用一個實例，對于小批量梯度下降，你將每一次使用一個小型實例集。

決策邊界

我們使用鳶尾花數(shù)據(jù)集來分析 Logistic 回歸。 這是一個著名的數(shù)據(jù)集，其中包含 150 朵三種不同的鳶尾花的萼片和花瓣的長度和寬度。這三種鳶尾花為：Setosa，Versicolor，Virginica（如圖 4-22）。

圖4-22：三種不同的鳶尾花

讓我們嘗試建立一個分類器，僅僅使用花瓣的寬度特征來識別 Virginica，首先讓我們加載數(shù)據(jù)：

>>> from sklearn import datasets >>> iris = datasets.load_iris() >>> list(iris.keys()) ['data', 'target_names', 'feature_names', 'target', 'DESCR'] >>> X = iris["data"][:, 3:] # petal width >>> y = (iris["target"] == 2).astype(np.int)

接下來，我們訓練一個邏輯回歸模型：

from sklearn.linear_model import LogisticRegression log_reg = LogisticRegression() log_reg.fit(X, y)

我們來看看模型估計的花瓣寬度從 0 到 3 厘米的概率估計（如圖 4-23）：

X_new = np.linspace(0, 3, 1000).reshape(-1, 1) y_proba = log_reg.predict_proba(X_new) plt.plot(X_new, y_proba[:, 1], "g-", label="Iris-Virginica") plt.plot(X_new, y_proba[:, 0], "b--", label="Not Iris-Virginica"

圖 4-23：概率估計和決策邊界

Virginica 花的花瓣寬度（用三角形表示）在 1.4 厘米到 2.5 厘米之間，而其他種類的花（由正方形表示）通常具有較小的花瓣寬度，范圍從 0.1 厘米到 1.8 厘米。注意，它們之間會有一些重疊。在大約 2 厘米以上時，分類器非?？隙ㄟ@朵花是Virginica花（分類器此時輸出一個非常高的概率值），而在1厘米以下時，它非常肯定這朵花不是 Virginica 花（不是 Virginica 花有非常高的概率）。在這兩個極端之間，分類器是不確定的。但是，如果你使用它進行預測（使用predict()方法而不是predict_proba()方法），它將返回一個最可能的結(jié)果。因此，在 1.6 厘米左右存在一個決策邊界，這時兩類情況出現(xiàn)的概率都等于 50%：如果花瓣寬度大于 1.6 厘米，則分類器將預測該花是 Virginica，否則預測它不是（即使它有可能錯了）：

>>> log_reg.predict([[1.7], [1.5]]) array([1, 0])

圖 4-24 表示相同的數(shù)據(jù)集，但是這次使用了兩個特征進行判斷：花瓣的寬度和長度。 一旦訓練完畢，Logistic 回歸分類器就可以根據(jù)這兩個特征來估計一朵花是 Virginica 的可能性。 虛線表示這時兩類情況出現(xiàn)的概率都等于 50%：這是模型的決策邊界。 請注意，它是一個線性邊界。每條平行線都代表一個分類標準下的兩兩個不同類的概率，從 15%（左下角）到 90%（右上角）。越過右上角分界線的點都有超過 90% 的概率是 Virginica 花。

圖 4-24：線性決策邊界

就像其他線性模型，邏輯回歸模型也可以 $ell_1$ 或者 $ell_2$ 懲罰使用進行正則化。Scikit-Learn 默認添加了 $ell_2$ 懲罰。

注意

在 Scikit-Learn 的LogisticRegression模型中控制正則化強度的超參數(shù)不是 $alpha$（與其他線性模型一樣），而是它的逆：$C$。 $C$ 的值越大，模型正則化強度越低。

Softmax 回歸

Logistic 回歸模型可以直接推廣到支持多類別分類，不必組合和訓練多個二分類器（如第 3 章所述）， 其稱為 Softmax 回歸或多類別 Logistic 回歸。

這個想法很簡單：當給定一個實例 $mathbf{x}$ 時，Softmax 回歸模型首先計算 $k$ 類的分數(shù) $s_k(mathbf{x})$，然后將分數(shù)應用在Softmax函數(shù)（也稱為歸一化指數(shù)）上，估計出每類的概率。 計算 $s_k(mathbf{x})$ 的公式看起來很熟悉，因為它就像線性回歸預測的公式一樣（見公式 4-19）。

公式 4-19：k類的 Softmax 得分

$$ s_k(mathbf{x})= heta^T cdot mathbf{x} $$

注意，每個類都有自己獨一無二的參數(shù)向量 $ heta_k$。 所有這些向量通常作為行放在參數(shù)矩陣 $Theta$ 中。

一旦你計算了樣本 $mathbf{x}$ 的每一類的得分，你便可以通過Softmax函數(shù)（公式 4-20）估計出樣本屬于第 $k$ 類的概率 $hat{p}_k$：通過計算 $e$ 的 $s_k(mathbf{x})$ 次方，然后對它們進行歸一化（除以所有分子的總和）。

公式 4-20：Softmax 函數(shù)

$$ hat{p_k}=sigma{(mathbf{s}(mathbf{x}))}k= frac{expleft(s_k(mathbf{x}) ight)} {sum_{j=1}^{K}expleft(s_j(mathbf{x}) ight)} $$

$K$ 表示有多少類

$mathbf{s}(mathbf{x})$ 表示包含樣本 $mathbf{x}$ 每一類得分的向量

$sigma{(mathbf{s}(mathbf{x}))_k}$ 表示給定每一類分數(shù)之后，實例 $mathbf{x}$ 屬于第 $k$ 類的概率

和 Logistic 回歸分類器一樣，Softmax 回歸分類器將估計概率最高（它只是得分最高的類）的那類作為預測結(jié)果，如公式 4-21 所示。

公式 4-21：Softmax 回歸模型分類器預測結(jié)果

$$ hat{y}=argmax sigma{(mathbf{s}(mathbf{x}))_k}=argmax s_k(mathbf{x})=argmax left( heta_k^T cdot mathbf{x} ight) $$

argmax運算返回一個函數(shù)取到最大值的變量值。 在這個等式，它返回使 $sigma{(mathbf{s}(mathbf{x}))_k}$ 最大時的 $k$ 的值

注意

Softmax 回歸分類器一次只能預測一個類（即它是多類的，但不是多輸出的），因此它只能用于判斷互斥的類別，如不同類型的植物。 你不能用它來識別一張照片中的多個人。

現(xiàn)在我們知道這個模型如何估計概率并進行預測，接下來將介紹如何訓練。我們的目標是建立一個模型在目標類別上有著較高的概率（因此其他類別的概率較低），最小化公式 4-22 可以達到這個目標，其表示了當前模型的損失函數(shù)，稱為交叉熵，當模型對目標類得出了一個較低的概率，其會懲罰這個模型。 交叉熵通常用于衡量待測類別與目標類別的匹配程度（我們將在后面的章節(jié)中多次使用它）

公式 4-22：交叉熵

$$ J(Theta)=-frac{1}{m}sumlimits_{i=1}^msumlimits_{k=1}^Ky_k^{(i)}logleft(hat{p}_k^{(i)} ight) $$

如果對于第 $i$ 個實例的目標類是 $k$，那么 $y_k^{(i)}=1$，反之 $y_k^{(i)}=0$。

可以看出，當只有兩個類（$K=2$）時，此損失函數(shù)等同于 Logistic 回歸的損失函數(shù)（對數(shù)損失；請參閱公式 4-17）。

交叉熵

交叉熵源于信息論。假設你想要高效地傳輸每天的天氣信息。如果有八個選項（晴天，雨天等），則可以使用3位對每個選項進行編碼，因為 $2^3=8$。但是，如果你認為幾乎每天都是晴天，更高效的編碼“晴天”的方式是：只用一位（0）。剩下的七項使用四位（從 1 開始）。交叉熵度量每個選項實際發(fā)送的平均比特數(shù)。 如果你對天氣的假設是完美的，交叉熵就等于天氣本身的熵（即其內(nèi)部的不確定性）。 但是，如果你的假設是錯誤的（例如，如果經(jīng)常下雨）交叉熵將會更大，稱為 Kullback-Leibler 散度（KL 散度）。

兩個概率分布 $p$ 和 $q$ 之間的交叉熵定義為：$H(p,q)=-sum_xp(x)log q(x)$（分布至少是離散的）

這個損失函數(shù)關于 $ heta_k$ 的梯度向量為公式 4-23：

公式 4-23：k類交叉熵的梯度向量

$$ abla_{ heta_k}J(Theta)=frac{1}{m}sumlimits_{i=1}^mleft(hat{p}_k^{(i)}-y_k^{(i)} ight)mathbf{x}^{(i)} $$

現(xiàn)在你可以計算每一類的梯度向量，然后使用梯度下降（或者其他的優(yōu)化算法）找到使得損失函數(shù)達到最小值的參數(shù)矩陣 $Theta$。

讓我們使用 Softmax 回歸對三種鳶尾花進行分類。當你使用LogisticRregression對模型進行訓練時，Scikit Learn 默認使用的是一對多模型，但是你可以設置multi_class參數(shù)為“multinomial”來把它改變?yōu)?Softmax 回歸。你還必須指定一個支持 Softmax 回歸的求解器，例如“l(fā)bfgs”求解器（有關更多詳細信息，請參閱 Scikit-Learn 的文檔）。其默認使用 $ell_12$ 正則化，你可以使用超參數(shù) $C$ 控制它。

X = iris["data"][:, (2, 3)] # petal length, petal width y = iris["target"] softmax_reg = LogisticRegression(multi_class="multinomial",solver="lbfgs", C=10) softmax_reg.fit(X, y)

所以下次你發(fā)現(xiàn)一個花瓣長為 5 厘米，寬為 2 厘米的鳶尾花時，你可以問你的模型你它是哪一類鳶尾花，它會回答 94.2% 是 Virginica 花（第二類），或者 5.8% 是其他鳶尾花。

>>> softmax_reg.predict([[5, 2]]) array([2]) >>> softmax_reg.predict_proba([[5, 2]]) array([[ 6.33134078e-07, 5.75276067e-02, 9.42471760e-01]])

圖 4-25：Softmax 回歸的決策邊界

圖 4-25 用不同背景色表示了結(jié)果的決策邊界。注意，任何兩個類之間的決策邊界是線性的。 該圖的曲線表示 Versicolor 類的概率（例如，用 0.450 標記的曲線表示 45% 的概率邊界）。注意模型也可以預測一個概率低于 50% 的類。 例如，在所有決策邊界相遇的地方，所有類的估計概率相等，分別為 33%。

練習

如果你有一個數(shù)百萬特征的訓練集，你應該選擇哪種線性回歸訓練算法？

假設你訓練集中特征的數(shù)值尺度（scale）有著非常大的差異，哪種算法會受到影響？有多大的影響？對于這些影響你可以做什么？

訓練 Logistic 回歸模型時，梯度下降是否會陷入局部最低點？

在有足夠的訓練時間下，是否所有的梯度下降都會得到相同的模型參數(shù)？

假設你使用批量梯度下降法，畫出每一代的驗證誤差。當你發(fā)現(xiàn)驗證誤差一直增大，接下來會發(fā)生什么？你怎么解決這個問題？

當驗證誤差升高時，立即停止小批量梯度下降是否是一個好主意？

哪個梯度下降算法（在我們討論的那些算法中）可以最快到達解的附近？哪個的確實會收斂？怎么使其他算法也收斂？

假設你使用多項式回歸，畫出學習曲線，在圖上發(fā)現(xiàn)學習誤差和驗證誤差之間有著很大的間隙。這表示發(fā)生了什么？有哪三種方法可以解決這個問題？

假設你使用嶺回歸，并發(fā)現(xiàn)訓練誤差和驗證誤差都很高，并且?guī)缀跸嗟?。你的模型表現(xiàn)是高偏差還是高方差？這時你應該增大正則化參數(shù) $alpha$，還是降低它？

你為什么要這樣做：

使用嶺回歸代替線性回歸？

Lasso 回歸代替嶺回歸？

彈性網(wǎng)絡代替 Lasso 回歸？

假設你想判斷一副圖片是室內(nèi)還是室外，白天還是晚上。你應該選擇二個邏輯回歸分類器，還是一個 Softmax 分類器？

在 Softmax 回歸上應用批量梯度下降的早期停止法（不使用 Scikit-Learn）。