Author Archive

數據在人工智能技術里是非常重要的！本篇文章將詳細給大家介紹3種數據集：訓練集、驗證集、測試集。

同時還會介紹如何更合理的講數據劃分為3種數據集。最後給大家介紹一種充分利用有限數據的方式：交叉驗證法。

先用一個不恰當的比喻來說明3種數據集之間的關係：

• 訓練集相當於上課學知識
• 驗證集相當於課後的的練習題，用來糾正和強化學到的知識
• 測試集相當於期末考試，用來最終評估學習效果

什麼是訓練集？

訓練集（Training Dataset）是用來訓練模型使用的。

在《一文看懂機器學習》里我們介紹了機器學習的7個步驟，訓練集（Training Dataset）主要在訓練階段使用。

什麼是驗證集？

當我們的模型訓練好之後，我們並不知道他的表現如何。這個時候就可以使用驗證集（Validation Dataset）來看看模型在新數據（驗證集和測試集是不同的數據）上的表現如何。同時通過調整超參數，讓模型處於最好的狀態。

驗證集有2個主要的作用：

1. 評估模型效果，為了調整超參數而服務
2. 調整超參數，使得模型在驗證集上的效果最好

說明：

1. 驗證集不像訓練集和測試集，它是非必需的。如果不需要調整超參數，就可以不使用驗證集，直接用測試集來評估效果。
2. 驗證集評估出來的效果並非模型的最終效果，主要是用來調整超參數的，模型最終效果以測試集的評估結果為準。

什麼是測試集？

當我們調好超參數後，就要開始「最終考試」了。我們通過測試集（Test Dataset）來做最終的評估。

通過測試集的評估，我們會得到一些最終的評估指標，例如：準確率、精確率、召回率、F1等。

擴展閱讀：《分類模型評估指標——準確率、精準率、召回率、F1、ROC曲線、AUC曲線》

如何合理的劃分數據集？

下面的數據集劃分方式主要針對「留出法」的驗證方式，除此之外還有其他的交叉驗證法，詳情見下文——交叉驗證法。

數據劃分的方法並沒有明確的規定，不過可以參考3個原則：

1. 對於小規模樣本集（幾萬量級），常用的分配比例是 60% 訓練集、20% 驗證集、20% 測試集。
2. 對於大規模樣本集（百萬級以上），只要驗證集和測試集的數量足夠即可，例如有 100w 條數據，那麼留 1w 驗證集，1w 測試集即可。1000w 的數據，同樣留 1w 驗證集和 1w 測試集。
3. 超參數越少，或者超參數很容易調整，那麼可以減少驗證集的比例，更多的分配給訓練集。

交叉驗證法

為什麼要用交叉驗證法？

假如我們教小朋友學加法：1個蘋果+1個蘋果=2個蘋果

當我們再測試的時候，會問：1個香蕉+1個香蕉=幾個香蕉？

如果小朋友知道「2個香蕉」，並且換成其他東西也沒有問題，那麼我們認為小朋友學習會了「1+1=2」這個知識點。

如果小朋友只知道「1個蘋果+1個蘋果=2個蘋果」，但是換成其他東西就不會了，那麼我們就不能說小朋友學會了「1+1=2」這個知識點。

評估模型是否學會了「某項技能」時，也需要用新的數據來評估，而不是用訓練集里的數據來評估。這種「訓練集」和「測試集」完全不同的驗證方法就是交叉驗證法。

3 種主流的交叉驗證法

留出法（Holdout cross validation）

上文提到的，按照固定比例將數據集靜態的劃分為訓練集、驗證集、測試集。的方式就是留出法。

留一法（Leave one out cross validation）

每次的測試集都只有一個樣本，要進行 m 次訓練和預測。 這個方法用於訓練的數據只比整體數據集少了一個樣本，因此最接近原始樣本的分布。但是訓練複雜度增加了，因為模型的數量與原始數據樣本數量相同。 一般在數據缺乏時使用。

k 折交叉驗證（k-fold cross validation）

靜態的「留出法」對數據的劃分方式比較敏感，有可能不同的劃分方式得到了不同的模型。「k 折交叉驗證」是一種動態驗證的方式，這種方式可以降低數據劃分帶來的影響。具體步驟如下：

1. 將數據集分為訓練集和測試集，將測試集放在一邊
2. 將訓練集分為 k 份
3. 每次使用 k 份中的 1 份作為驗證集，其他全部作為訓練集。
4. 通過 k 次訓練後，我們得到了 k 個不同的模型。
5. 評估 k 個模型的效果，從中挑選效果最好的超參數
6. 使用最優的超參數，然後將 k 份數據全部作為訓練集重新訓練模型，得到最終模型。

k 一般取 10 數據量小的時候，k 可以設大一點，這樣訓練集佔整體比例就比較大，不過同時訓練的模型個數也增多。 數據量大的時候，k 可以設小一點。