[模型評估]Evaluation、Vaildation

2019-02-19 本文已影响0人 RJ阿杰

sklearn evaluation(評估)

sklearn Estimator(model)通常類中有一個score方法來作為默認評分標準，而呼叫evaluation(例如:cross_val_score)有一個參數scoring可以另外指定評分標準，輸入為下圖的scoring字符串，傳入evaluation的Estimator還必須實現fit跟predict方法(其實就是訓練(參數為x,y)跟預測(參數為x))。
可以自定義建立Estimator跟method搭配tensorflow或pytorch使用。

Scoring轉scorer
有時候Scoring是loss(損失函數)越高表示模型表現越差，我們將損失轉成得分，越高分表示模型表現越好。
sklearn.metrics.make_scorer

Scoring

非平衡數據正確性

分類器
一個常見的例子，我們預測一個人是否會得腦癌，而我們有個模型正確率為98%，我們的判斷方式是名子叫魯夫的人就會得腦癌。我們可以在精確率(預測為陽性且正確的比例)與召回率(實際為陽性預測正確的比例)之間做取捨。

sklearn指標
 sklearn.metrics.recall_score召回

sklearn.metrics.precision_score精確

sklearn.metrics.balanced_accuracy_score平衡準確率

sklearn.metrics.accuracy_score準確率

物件偵測計算同上
通常物件偵測會計算IOU大於0.5為TP，小於0.5為FP。
[class1]
precision: 2/3=66% (判對class1 數量/被框為class1的數量)，越低過檢越高。
recall: 2/4=50% (判對class1 數量/所有class1樣本數)，越低漏檢越高。
[class2]
precision: 1/1=100% (判對class2 數量 / 被框為class2 的數量)，越低過檢越高。
recall: 1/1=100% (判對class2 數量 / 所有class2 樣本數)，越低漏檢越高。

AP計算:
計算類別曲線下面積(area under curve, AUC)

mAP計算:
計算所有類別AP的平均。

validation(驗證)

通常我們會將Data分成train set(訓練集)以及test set(測試集)來檢驗我們訓練的模型一般化能力，然而我們在訓練模型時，時常需要調整許多hyperparameter(超參數)，所以我們會拿一部分資料來做validation(驗證)稱為validation set，來檢驗超參數的好壞，但是validation是不能拿test set來使用的，因為這等同於讓訓練模型去適應test set的資料，就失去測試一般化能力(適應訓練資料以外資料的能力)的意義了，最後test set測試的資料我們可以稱它為holdout set。

這是最簡單的validation方式，將資料直接分成train、holdout 或train、validation、holdout。

切割數據
sklearn.model_selection.train_test_split

Cross validation(交叉驗證)

sklearn.model_selection

K-fold CV
K-fold是常用的交叉驗證方法，做法是將資料隨機平均分成k個集合，然後輪流使用k-1個不同集合來作validation，共做k-1次訓練，最後再使用沒作訓練的那一個holdout set測試訓練成果。
k越大，每次投入的訓練集的數據越多，模型的bias越小。但是k越大，variance可能越高導致overfitting，同時k越大運算量越大。

sklearn.model_selection.cross_val_score
Leave-one-out cross-validation(LOOCV)
LOOCV是指我們一樣保留一部分資料作為holdout，但將剩餘的每一筆數據都作為一個集合，每作一次train就做一次validation。

sklearn.model_selection.LeaveOneOut

sklearn.model_selection.cross_val_score

hyperparameter最佳化

步驟1:給定超參數一個範圍，從設定超參數中隨機取樣。
步驟2:進行訓練，從驗證資料辨識準確度。
步驟3:重複前兩步驟多次，從結果慢慢縮小範圍。

sklearn.model_selection.fit_grid_point
sklearn.model_selection.GridSearchCV

underfitting、overfitting

hypothesis set(假設集)是我們假設的一個function set，例如: $wx+b$ ，我們選定參數(w、b)後的那個function稱predict(預測函數)，例如: $2x+3$ 。
y 是我們真實產生數據的一個function，我們的數據是 $y |_x + noise(噪音) + error(誤差)$ ，noise通常有規律性(例如常態分怖)，error為現實生活中數據可能因為人為、機器、測量等等產生誤差。

high Bias即所謂的Underfitting，訓練與驗證loss很高(表示數據y與predic差異很大)，可能是參數過少導致無法擬合訓練集(模型過於簡單)，也可能是數據noise或error太大(數據質量太差)，或是gradient descent無法到達最低點等等(超參數及模型需調整)。

參數過少
數據noise、error太大
low Bias high Variance即所謂的Overfitting，訓練loss很低，但驗證loss卻很高。
可能是參數過多導致過度擬合訓練集(模型太過複雜，需要降低複雜度、regularization或Dropout等)，也可能是數據過少(沒有足夠的信息來判斷規則)等等。

hypothesis set參數過多
數據過少

underfitting與gradient descent關係

loss作圖
這邊假設我們的 $hypothesis = wx+b$ ，那麼 $loss = (y-wx+b)^2$ ，這邊2個變量(w、b)跟一個應變量(loss)，其他x、y為常數(已知)，我們可以用loss對y作圖(3維)。z軸是loss，另外兩軸是我們的hypothesis set參數(w、b)。
但我們有多筆數據，例如250筆所以我們Loss改寫成：
$\frac{\Sigma_{i}^{250} (y_i - w x_i + b)}{250}$ ，換成n表示樣本數 $\frac{\Sigma_{i}^{n} (y_i - w x_i + b)}{n}$
所以我們求的是250筆資料疊加後的圖形，且一樣是三維圖形，可能是凸函數或非凸函數，當hypothesis越複雜(NN越深、或有許多非線性繳活函數)越會造成非凸函數。

凸函數
非凸函數
函數疊加
這邊再簡化hypothesis = wx來解釋疊加的圖形，假設有2筆數據，第一筆{x=2,y=0}，第二筆{x=1,y=0}，那麼 $\frac{\Sigma_{i}^{2} (y_i - w x_i)}{2}$ 與他們的圖形如下圖:
*由此可以得知sgd可能會更新不到實際的全局最小值。
關係
gradient descent就是從圖型中隨機選擇一個參數點(固定W、B)，然後計算梯度，更新參數點作移動，停止條件是gtad=0(梯度、坡度等於零)，如下圖：