评估假设机器学习.ppt
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1、2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,1,机器学习,第5章 评估假设,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,2,概述,对假设的精度进行评估是机器学习中的基本问题本章介绍用统计方法估计假设精度,主要解决以下三个问题:已知一个假设在有限数据样本上观察到的精度,怎样估计它在其他实例上的精度?如果一个假设在某些数据样本上好于另一个,那么一般情况下该假设是否更准确?当数据有限时,怎样高效地利用这些数据,通过它们既能学习到假设,还能估计其精度?统计的方法,结合有关数据基准分布的假定,使我们可
2、以用有限数据样本上的观察精度来逼近整个数据分布上的真实精度,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,3,动机,对学习到的假设进行尽可能准确地性能评估十分重要为了知道是否可以使用该假设是许多学习方法的重要组成部分当给定的数据集有限时,要学习一个概念并估计其将来的精度,存在两个很关键的困难:估计的困难使用与训练样例和假设无关的测试样例估计的方差即使假设精度在独立的无偏测试样例上测量,得到的精度仍可能与真实精度不同。测试样例越少,产生的方差越大本章讨论了对学到的假设的评估、对两个假设精度的比较、两个学习算法精度的比较,2003.12.18,机器
3、学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,4,学习问题的框架,有一所有可能实例的空间X,其中定义了多个目标函数,我们假定X中不同实例具有不同的出现频率。一种合适的建模方式是,假定存在一未知的概率分布D,它定义了X中每一实例出现的概率。学习任务是在假设空间上学习一个目标概念,训练样例的每一个实例按照分布D独立地抽取,然后连同正确的目标值提供给学习器。,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,5,评估假设的问题,给定假设h和包含若干按D分布抽取的样例的数据集,如何针对将来按同样分布抽取的实例,得到对h的精度最好估计
4、这一精度估计的可能的误差是多少,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,6,样本错误率和真实错误率,定义:假设h关于目标函数f和数据样本S的样本错误率(标记为errors(h))定义:假设h关于目标函数f和分布D的真实错误率(标记为errorD(h)),2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,7,样本错误率和真实错误率(2),我们想知道的是假设的真实误差,因为这是在分类未来样例时可以预料到的误差。我们所能测量的只是样本错误率,因为样本数据是我们知道的。本节要考虑的问题是:样本错误率在
5、何种程度上提供了对真实错误率的估计?,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,8,离散值假设的置信区间,先考虑离散值假设的情况,比如:样本S包含n个样例,它们的抽取按照概率分布D,抽取过程是相互独立的,并且不依赖于假设hn=30假设h在这n个样例上犯了r个错误根据上面的条件,统计理论可以给出以下断言:没有其他信息的话,真实错误率errorD(h)最可能的值是样本错误率errorS(h)=r/n有大约95%的可能性,真实错误率处于下面的区间内:,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,
6、9,举例说明,数据样本S包含n=40个样例,并且假设h在这些数据上产生了r=12个错误,这样样本错误率为errorS(h)=12/40=0.3如果没有更多的信息,对真实错误率errorD(h)的最好的估计即为0.3如果另外收集40个随机抽取的样例S,样本错误率errorS(h)将与原来的errorS(h)存在一些差别如果不断重复这一实验,每次抽取一个包含40样例的样本,将会发现约95%的实验中计算所得的区间包含真实错误率将上面的区间称为errorD(h)的95%置信区间估计,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,10,置信区间表达式的推
7、广,常数1.96是由95%这一置信度确定的定义zN为计算N%置信区间的常数(取值见表5-1),计算errorD(h)的N%置信区间的一般表达式(公式5.1)为:可以求得同样情况下的68%置信区间,从直觉上可以看出68%置信区间要小于95%置信区间,因为减小了要求errorD(h)落入的概率,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,11,置信区间表达式的推广(2),公式5.1只能应用于离散值假设,它假定样本S抽取的分布与将来的数据抽取的分布相同,并且假定数据不依赖于所测试的假设公式5.1只提供了近似的置信区间,这一近似在至少包含30个样例,
8、并且errorS(h)不太靠近0或1时很接近真实情况判断这种近似是否接近真实的更精确规则是:,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,12,统计学中的基本定义和概念,随机变量某随机变量Y的概率分布随机变量Y的期望值或均值随机变量的方差Y的标准差二项分布正态分布中心极限定理估计量Y的估计偏差N%置信区间,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,13,错误率估计和二项比例估计,样本错误率和真实错误率之间的差异与数据样本大小的依赖关系如何?给定从总体中随机抽取的某些样本的观察比例,估计某个
9、属性在总体的比例此处,我们感兴趣的属性是:假设h对实例错误分类,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,14,错误率估计和二项比例估计(2),测量样本错误率相当于在作一个有随机输出的实验从分布D中随机抽取n个独立的实例,形成样本S,然后测量样本错误率errorS(h)将实验重复多次,每次抽取大小为n的不同的样本Si,得到不同的,取决于Si的组成中的随机差异 被称为一随机变量,一般情况下,可以将随机变量看成一个有随机输出的实验。随机变量值即为随机实验的观察输出,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等
10、 讲者:陶晓鹏,15,错误率估计和二项比例估计(3),设想要运行k个这样的随机实验,得到k个随机变量值,以图表的形式显示观察到的每个错误率值的频率当k不断增长,该图表将呈现如表5-3所显示的分布,称为二项分布,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,16,二项分布,有一非均质硬币,要估计在抛硬币时出现正面的概率p投掷硬币n次并计算出现正面的次数r,那么p的一个合理估计是r/n如果重新进行一次实验,生成一个新的n次抛硬币的集合,出现正面的次数r可能与前不同,得到对p的另一个估计二项分布描述的是对任一可能的r值,这个正面概率为p的硬币抛掷n次
11、恰好出现r次正面的概率,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,17,二项分布(2),从抛掷硬币的随机样本中估计p与在实例的随机样本上测试h以估计errorD(h)是相同的问题一次硬币抛掷对应于从D中抽取一个实例并测试它是否被h误分类一次随机抛掷出现正面的概率p对应于随机抽取的实例被误分类的概率errorD(h)二项分布给出了一个一般形式的概率分布,无论用于表示n次硬币出现正面的次数还是在n个样例中假设出错的次数二项分布的具体形式依赖于样本大小n以及概率p或errorD(h),2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchel
12、l 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,18,应用二项分布的条件,有一基本实验,其输出可被描述为一随机变量Y,随机变量Y有两种取值在实验的任一次尝试中Y=1的概率为常数p,它与其他实验尝试无关,因此Y=0的概率为1-pp为预先未知,面临的问题是如何估计基本实验的n次独立尝试按序列执行,生成一个独立同分布的随机变量序列随机变量R表示n次实验中出现Yi=1的次数,它取特定值r的概率由二项分布给出,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,19,均值,期望值是重复采样随机变量得到的值的平均定义:考虑随机变量Y可能的取值为y1.yn,Y的期望值EY定义如
13、下:如果随机变量Y服从二项分布,那么可得EY=np,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,20,方差,方差描述的是概率分布的宽度或散度,描述了随机变量与其均值之间的差有多大定义:随机变量Y的方差VarY定义如下:描述了从Y的一个观察值估计其均值EY的误差平方的期望随机变量Y的标准差Y若随机变量Y服从二项分布,则方差和标准差分别为:VarY=np(1-p),2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,21,估计量、偏差和方差,回到问题:我们得出了随机变量errorS(h)服从二项分布,那
14、么errorS(h)和errorD(h)之间可能的差异是多少?用5.2式定义的二项分布,可得errorS(h)=r/nerrorD(h)=p统计学中将errorS(h)称为errorD(h)的一个估计量估计量是用来估计总体的某一参数的随机变量,最关心的是它平均来说是否能产生正确估计,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,22,估计量、偏差和方差(2),估计偏差衡量估计量的期望值同真实参数值之间的差异定义:针对任意参数p的估计量Y的估计偏差是:EY-p如果估计偏差为0,称Y为p的无偏估计量,在此情况下,由多次重复实验生成的Y的多个随机值的
15、平均将收敛于p由于errorS(h)服从二项分布,因此errorS(h)是errorD(h)的一个无偏估计量,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,23,估计量、偏差和方差(3),对估计偏差的补充说明:要使errorS(h)是errorD(h)的无偏估计,假设h和样本S必须独立选取估计偏差不能与第2章介绍的学习器的归纳偏置相混淆估计量的另一重要属性是它的方差,给定多个无偏估计量,选取其中方差最小的由方差的定义,所选择的应为参数值和估计值之间期望平方误差最小的,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军
16、等 讲者:陶晓鹏,24,估计量、偏差和方差(4),一个例子n=40个随机样例r=12个错误errorS(h)的标准差一般地,若在n个随机选取的样本中有r个错误,errorS(h)的标准差是:近似地,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,25,置信区间,通常描述某估计的不确定性的方法是使用置信区间,真实的值以一定的概率落入该区间中,这样的估计称为置信区间估计定义:某个参数p的N%置信区间是一个以N%的概率包含p的区间由于估计量errorS(h)服从二项分布,这一分布的均值为errorD(h),标准差可由式5.9计算,因此,为计算95%置信
17、区间,只需要找到一个以errorD(h)为中心的区间,它的宽度足以包含该分布全部概率的95%这提供了一个包围errorD(h)的区间,使errorS(h)有95%机会落入其中,同样它也指定了errorD(h)有95%的机会落入包围errorS(h)的区间的大小,2003.12.18,机器学习-评估假设 作者:Mitchell 译者:曾华军等 讲者:陶晓鹏,26,置信区间(2),对于二项分布,计算置信区间很烦琐,多数情况下,计算它的近似值对于足够大的样本,二项分布可以由正态分布来近似,而正态分布的置信区间容易得到如果随机变量Y服从均值为,标准差为的一个正态分布,那么Y的任一观察值y有N%的机会落
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