如何处理欠拟合、过拟合？

在我们机器学习和深度学习的训练过程中，经常会出现过拟合和欠拟合的现象。训练一开始，模型通常会欠拟合，所以会对模型进行优化，然而等到训练到一定程度的时候，就需要解决过拟合的问题了。

如何判断过拟合呢？我们在训练过程中会定义训练误差，验证集误差，测试集误差（泛化误差）。训练误差总是减少的，而泛化误差一开始会减少，但到一定程序后不减反而增加，这时候便出现了过拟合的现象。

如下图所示，从直观上理解，欠拟合就是还没有学习到数据的特征，还有待继续学习，而过拟合则是学习进行的太彻底，以至于把数据的一些局部特征或者噪声带来的特征都给学到了，所以在进行测试的时候泛化误差也不佳。

如何处理欠拟合

欠拟合是由于学习不足，可以考虑添加特征，从数据中挖掘出更多的特征，有时候还需要对特征进行变换，使用组合特征和高次特征。

模型简单也会导致欠拟合，例如线性模型只能拟合一次函数的数据。尝试使用更高级的模型有助于解决欠拟合，如使用SVM，神经网络等。

正则化参数是用来防止过拟合的，出现欠拟合的情况就要考虑减少正则化参数。

如何处理过拟合

过拟合是由于学习的太彻底，这可能是由于训练数据量太少的缘故。可以增大数据的训练量，训练数据要足够大才能使得数据中的特征被模型学习到。还需要清洗数据，尽量减少数据中的噪声，以防止这些噪声被模型学习到。

正则化方法也常用来处理过拟合，正则化包括L1正则化和L2正则化，正则项通常是一个范数。L1范数是指向量中各个元素绝对值之和，也叫“稀疏规则算子”，通常可以用来做特征选择，在嵌入式特征选择使用的就是L1范数。L2范数是指向量各元素的平方和然后求平方根，通常的结果会使权重参数变小，使得模型的复杂度变低，符合奥卡姆剃刀原则，以防止过拟合。

在神经网络中经常使用Dropout方法，或者称之为随机失活，每次训练的时候随机去掉一部分隐藏层的神经元，可以理解为每个神经元随机参与，相当于多个模型集成。

提前终止（early stoppping）也是神经网络常使用的方法，可以防止模型复杂度过于增加，从而防止过拟合。采用交叉验证提前终止，当交叉验证错误率最小时认为泛化性能最好，这时即使训练集错误率仍然下降，也终止训练。

逐层归一化（batch normalization），给每层的输出做归一化（相当于加了一个线性变换层），这样使得下一层的输入相当于高斯分布（正态分布），这个方法相当于下一层的权重参数训练时避免了其输入以偏概全, 因而泛化效果也比较好。

不过，数据在训练过程中始终是最重要的，有时候往往拥有更多的数据胜过一个好的模型，这要求得到更多独立同分布的数据来进行训练。

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