機器學(xué)習(xí)(深度學(xué)習(xí))通用工作流程

?Deep Learning with Python 4.5節(jié)

1. 定義問題并裝載數(shù)據(jù)集(Defining the problem and assembling a dataset)

首先，你必須定義你手頭的問題：

• 輸入數(shù)據(jù)是什么？你希望預(yù)測什么？只有在能夠獲得訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下你才能進行預(yù)測：舉個例子，如果你同時又電影的影評和對應(yīng)的情感注釋，你只能從中學(xué)習(xí)分類電影影評的情緒。因此，數(shù)據(jù)可用性是這個階段的限制因素（除非你有辦法雇人幫你收集數(shù)據(jù)）
• 你面臨什么類型的問題？它是二元分類嗎？還是多類分類？標量回歸？向量回歸？多類多標簽分類？或者其他的類型，例如聚類，生成問題或者增強學(xué)習(xí)？識別問題的類型能夠指導(dǎo)你選擇模型的構(gòu)架，損失函數(shù)等等

直到你知道你的輸入和輸出是什么，以及你將使用哪些數(shù)據(jù)，你才能進入下一個階段。注意你在這個階段所做的假設(shè)：

• 你假設(shè)你可以根據(jù)給定的輸入預(yù)測輸出
• 你假設(shè)你的可用數(shù)據(jù)有足夠的信息用于學(xué)習(xí)輸入與輸出之間的關(guān)系

當然，這僅僅只是假設(shè)，直到你有一個確切的模型，這些假設(shè)才能被驗證或者被否定。并非所有問題都能解決。只是因為你僅僅收集了一些輸入X和目標Y，這并不意味著X包含足夠的信息去預(yù)測Y。舉個例子，如果你試圖通過股票的歷史價格去預(yù)測股票的價格，那么你不可能成果，因為股票的歷史價格不包含太多的預(yù)測信息。

非平穩(wěn)問題是一種不可解決的問題，你應(yīng)該注意此類問題。假設(shè)你正在嘗試建立一個衣服的推薦引擎，你在某一個月的數(shù)據(jù)上進行訓(xùn)練(比如說，8月)，你希望能夠在冬天的開始的時候推送你的推薦。這里有一個很大的問題：人們購買的衣服類型會根據(jù)季節(jié)的變化而變化。衣服的購買在幾個月的時間跨度中是一種非平衡現(xiàn)象。在這種情況下，正確的做法是不斷地對過去的數(shù)據(jù)訓(xùn)練新的模型，或者在問題處于靜止的時間范圍內(nèi)收集數(shù)據(jù)。對于想購買衣服這樣的周期性問題，幾年內(nèi)的數(shù)據(jù)足以捕捉到季節(jié)的變化，但是記住要讓一年中的時間成為你模型的輸入。

請記住，機器學(xué)習(xí)只能記住訓(xùn)練數(shù)據(jù)中存在的模式。你只能認識你已經(jīng)看到過的東西。利用機器學(xué)習(xí)對過去的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，用于預(yù)測未來，這樣的做法假設(shè)未來的行為將于過去類似。但是，通常并非如此。

2. 選擇成功的衡量指標(Choosing a measure of success)

要控制某些東西，你需要能夠觀察到它。為了取得成功，你必須定義成功是什么，是正確率？精度或者召回率？還是客戶保留率？你的成功指標的定義將會指導(dǎo)你選擇損失函數(shù)，損失函數(shù)就是你模型將要優(yōu)化的內(nèi)容。損失函數(shù)應(yīng)該能夠直接與你的目標保持一致，例如你業(yè)務(wù)的成功。
對于均衡分類問題，這類問題中每個類別都有相同的可能性，準確率和ROC AUC是常用的指標。對于類不平衡問題，你可以用精度和召回。對于排名問題或者多標簽問題，你可以用平均精度。定義你自己的評價指標并不罕見。要了解機器學(xué)習(xí)成功指標的多樣性以及它們是如何關(guān)系不同的問題域，有必要去了解Kaggle上的數(shù)據(jù)科學(xué)競賽，這些競賽展示了廣泛的問題和評價指標。

3. 決定一個驗證策略(Deciding on an evaluation protocol)

一旦你知道你的目標是什么，你必須確定你將如何衡量你當前的進度。我們之前已經(jīng)了解了三種常用的驗證策略：

• 保留一個hold-out驗證集，當你有足夠多的數(shù)據(jù)時，用這種方法
• K-fold 交叉驗證。數(shù)據(jù)太少，不足以使用第一種驗證方法的使用，用這種方法。
• 迭代 K-fold 交叉驗證。只有很少的數(shù)據(jù)可用時，用于執(zhí)行高度準確的模型評估。

選擇其中一個。在大多數(shù)情況下，第一種方法工作得很好。

4. 準備你的數(shù)據(jù)(Preparing your data)

一旦你知道你在訓(xùn)練什么，你正在優(yōu)化什么，如何評估你的方法，你幾乎已經(jīng)準備好開始訓(xùn)練模型。但是首先，你應(yīng)該將數(shù)據(jù)格式化為機器學(xué)習(xí)模型所能接受的形式。這里，我們假設(shè)這個模型是一個深度學(xué)習(xí)模型，那么：

• 正如前面提到的那樣，你的數(shù)據(jù)應(yīng)該格式化為張量
• 通常情況下，這些張量的值被縮小為較小的值，比如說縮放到[-1,1]或者[0,1]
• 如果不同的特征采取不同范圍的值，那么數(shù)據(jù)應(yīng)該做歸一化處理
• 你可能想做一些特征工作，特別是對于數(shù)據(jù)集不大的問題

5. 開發(fā)一個比基線好的模型(Developing a model that does better than a baseline)

在這個階段，你的目標是做到statistical power（不會翻譯），也就是開發(fā)一個能夠擊敗基線的模型。在MNIST數(shù)字分類示例中，任何達到大于0.1精度都可以說是具有statistical power; 在IMDB的例子中，大于0.5就可以了。

請注意，達到statistical power并不總是可能的。如果在嘗試了多個合理的體系構(gòu)架之后，仍然無法打敗一個隨機基線，那么可能是你要求的問題的答案無法從輸入數(shù)據(jù)中獲得。記住你提出的兩個假設(shè)：

• 你假設(shè)你可以根據(jù)給定的輸入預(yù)測輸出
• 你假設(shè)你的可用數(shù)據(jù)有足夠的信息用于學(xué)習(xí)輸入與輸出之間的關(guān)系

這些假設(shè)有可能是錯誤的，在這種情況下你必須重新開始。
假設(shè)目前為止一切都很順利，你需要作出三個關(guān)鍵的選擇來建立你的第一個工作模型:

• 最后一層的激活函數(shù)，這為網(wǎng)絡(luò)的輸入設(shè)定了限制。例如，在IMDB分類問題中，最后一層使用了sigmoid; 在回歸問題中，最后一層沒有使用任何激活函數(shù)
• 損失函數(shù)，這應(yīng)該與你正在嘗試解決的問題的類型相匹配。例如在IMBD二元分類問題中，使用了binary_crossentropy，回歸問題中使用了mse等等。
• 優(yōu)化配置，你將使用什么優(yōu)化器？學(xué)習(xí)率是多少？在大多數(shù)情況在，使用rmsprop和默認的學(xué)習(xí)率是安全的。

關(guān)于損失函數(shù)的選擇，請注意，并不總是可以直接優(yōu)化metric。有時候，沒有簡單的方法可以將metric轉(zhuǎn)換為損失函數(shù)；損失函數(shù)畢竟只需要一個小批量的數(shù)據(jù)就能計算（理想情況下，損失函數(shù)只需要一個數(shù)據(jù)就能計算），并且損失函數(shù)必須是可微分的（否則，你不能使用反向傳播來訓(xùn)練你的網(wǎng)絡(luò)）。例如，廣泛使用的分類度量ROC AUC就不能直接優(yōu)化。因此，在分類問題中，通常針對ROC AUC的代理指標（例如，交叉熵）進行優(yōu)化，一般來說，你希望如果越低的交叉熵，你就能獲得更高的ROC AUC。
下面的表格可以幫助為幾種常見的問題選擇最后一層激活函數(shù)和損失函數(shù)

問題類型最后一層激活函數(shù)損失函數(shù)

二元分類	sigmoid	binary_crossentropy
多類別，單標簽分類	softmax	categorical_crossentropy
多類別，多標簽分類	sigmoid	binary_crossentropy
任意值的回歸問題	None	mse
[0,1]之間的回歸問題	sigmoid	mse 或者 binary_crossentropy

6. 全面升級：開發(fā)一個過擬合的模型

一旦你的模型達到了statistical power，那么問題就變成了：你的模型是否足夠強大？你是否有足夠多的網(wǎng)絡(luò)層和參數(shù)來正確建模你的問題？例如，具有兩個神經(jīng)元的單層網(wǎng)絡(luò)在MNIST具有statistical power，但是不能很好的解決MNIST分類問題。
請記住，機器學(xué)習(xí)中最困難的就是在優(yōu)化和泛華之間取得平衡；理想的模型就是站在欠擬合與過擬合之間。要弄清楚這個邊界在哪里，你必須先穿過它。
要弄清楚你需要多大的模型，你必須先開發(fā)一個過擬合的模型。這很容易：

增加網(wǎng)絡(luò)層

讓網(wǎng)絡(luò)層變大

訓(xùn)練更多次

始終監(jiān)視著訓(xùn)練誤差和驗證誤差，以及你所關(guān)心的metrics。當你看到模型在驗證集上性能開始下降，就達到了過擬合。下個階段是開始正則化和調(diào)整模型，盡可能的接近既不是欠擬合又不是過擬合的理想模型。

7. 正則化你的模型并調(diào)整你的超參數(shù)(Regularizing your model and tuning your hyperparameters)

這一步將花費大量時間，你將重復(fù)修改你的模型，并對其進行訓(xùn)練，在驗證集上進行評估，再次修改，如此重復(fù)，知道模型達到所能達到的最佳效果。以下是你應(yīng)該嘗試做的一些事情：

• 添加Dropout
• 嘗試不同的體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)：添加或者刪除網(wǎng)絡(luò)層
• 添加 L1/L2 正則化
• 嘗試不同的超參數(shù)（例如每一層的神經(jīng)元個數(shù)或者優(yōu)化器學(xué)習(xí)率），以獲得最佳的參數(shù)選擇
• (可選)迭代特征工程：添加新特征，或者刪除似乎沒有提供信息的特征

請注意以下幾點：每次使用驗證集來調(diào)整模型參數(shù)時，都會將有關(guān)驗證的信息泄露在模型中。重復(fù)幾次是無害的；但是如果重復(fù)了很多很多次，那么最終會導(dǎo)致你的模型在驗證集上過擬合（即使沒有直接在驗證集上進行訓(xùn)練），這使得驗證過程不太可靠。

一旦你開發(fā)出令人滿意的模型，你可以根據(jù)所有可用的數(shù)據(jù)（訓(xùn)練集和驗證集）來訓(xùn)練你最終的模型。如果測試集的結(jié)果明顯低于驗證集上結(jié)果，那么可能意味著你的驗證過程不太可靠，或者你的模型在驗證集中已經(jīng)過擬合了。在這種情況下，你可能需要更為靠譜的驗證策略（例如迭代K-fold驗證）

總結(jié)

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