欠拟合与过拟合

欠拟合：

        模型在训练集上表现不好，在测试集上也表现不好。模型过于简单

        欠拟合在训练集和测试集上的误差都较大

通过代码展示欠拟合

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.metrics import mean_squared_error # 计算均方误差
from sklearn.model_selection import train_test_split

#%%
# 欠拟合
np.random.seed(666) # 设置随机数种子 如果写了一样的种子保证每次生成的随机数都是一样的
x = np.random.uniform(-3,3,size=100)
y =0.5*x**2 +x+2+np.random.normal(0,1,size=100)
# np.random.uniform  生成均匀分布的随机数
# np.random.normal 生成正态分布随机数  均值为0 , 标准差1
estimator = LinearRegression()
X = x.reshape(-1,1)
estimator.fit(X,y)
y_pred = estimator.predict(X)
print('均方误差:',mean_squared_error(y_pred,y))

plt.scatter(x, y)
# plt.plot(x, y_pred,color='r')
# 画图时输入的x数据: 要求是从小到大
plt.plot(np.sort(x), y_pred[np.argsort(x)], color='r')
plt.show()

 数据是抛物线非线性的, 用线性模型去拟合.。 模型过于简单，出现欠拟合

欠拟合原因

学习到数据的特征过少

解决方法

添加其他特征

        有时出现欠拟合是因为特征项不够导致的，可以添加其他特征项来解决

        “组合”、“泛化”、“相关性”三类特征是特征添加的重要手段

添加多项式特征项

        模型过于简单时的常用套路，例如将线性模型通过添加二次项或三次项使模型泛化能力更强

# 欠拟合解决
np.random.seed(666) # 设置随机数种子 如果写了一样的种子保证每次生成的随机数都是一样的
x = np.random.uniform(-3,3,size=100)
y =0.5*x**2 +x+2+np.random.normal(0,1,size=100)
# np.random.uniform  生成均匀分布的随机数
# np.random.normal 生成正态分布随机数  均值为0 , 标准差1
estimator = LinearRegression()
X = x.reshape(-1,1)
X2 = np.hstack([X,X**2])
estimator.fit(X2,y)
y_pred2 = estimator.predict(X2)
print('均方误差:',mean_squared_error(y_pred2,y))

plt.scatter(x, y)
# plt.plot(x, y_pred2,color='r')
# 画图时输入的x数据: 要求是从小到大
plt.plot(np.sort(x), y_pred2[np.argsort(x)], color='r')
plt.show()

过拟合：

        模型在训练集上表现好，在测试集上表现不好。模型过于复杂

        过拟合在训练集上误差较小，而测试集上误差较大

通过代码展示过拟合

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.metrics import mean_squared_error # 计算均方误差
from sklearn.model_selection import train_test_split


# 过拟合
np.random.seed(666) # 设置随机数种子 如果写了一样的种子保证每次生成的随机数都是一样的
x = np.random.uniform(-3,3,size=100)
y =0.5*x**2 +x+2+np.random.normal(0,1,size=100)
# np.random.uniform  生成均匀分布的随机数
# np.random.normal 生成正态分布随机数  均值为0 , 标准差1
estimator = LinearRegression()
X = x.reshape(-1,1)
X3 = np.hstack([X, X**2, X**3, X**4, X**5, X**6, X**7, X**8, X**9, X**10])  # 数据增加高次项
estimator.fit(X3,y)
y_pred2 = estimator.predict(X3)
print('均方误差:',mean_squared_error(y_pred2,y))

plt.scatter(x, y)
# plt.plot(x, y_pred2,color='r')
# 画图时输入的x数据: 要求是从小到大
plt.plot(np.sort(x), y_pred2[np.argsort(x)], color='r')
plt.show()

 过拟合原因

原始特征过多，存在一些嘈杂特征， 模型过于复杂是因为模型尝试去兼顾各个测试数据点

解决方法

重新清洗数据

        对于过多异常点数据、数据不纯的地方再处理

增大数据的训练量

         对原来的数据训练的太过了，增加数据量的情况下，会缓解

正则化

        解决模型过拟合的方法，在机器学习、深度学习中大量使用

减少特征维度，防止维灾难

        由于特征多，样本数量少，导致学习不充分，泛化能力差。

正则化

在模型训练时，数据中有些特征影响模型复杂度、或者某个特征的异常值较多，       所以要尽量减少这个特征的影响（甚至删除某个特征的影响），这就是正则化

在损失函数中增加正则化项 分为L1正则化、L2正则化, 消除异常点带来的w值过大过小的影响

解决方式1:

L1正则化，在损失函数中添加L1正则化项

α 叫做惩罚系数，该值越大则权重调整的幅度就越大，即：表示对特征权重惩罚力度就越大

# 过拟合解决L1
from sklearn.linear_model import Lasso

np.random.seed(666) # 设置随机数种子 如果写了一样的种子保证每次生成的随机数都是一样的
x = np.random.uniform(-3,3,size=100)
y =0.5*x**2 +x+2+np.random.normal(0,1,size=100)
# np.random.uniform  生成均匀分布的随机数
# np.random.normal 生成正态分布随机数  均值为0 , 标准差1
estimator = Lasso(alpha=0.005,normalize=True)
X = x.reshape(-1,1)
X3 = np.hstack([X, X**2, X**3, X**4, X**5, X**6, X**7, X**8, X**9, X**10])  # 数据增加高次项
estimator.fit(X3,y)
y_pred2 = estimator.predict(X3)
print('均方误差:',mean_squared_error(y_pred2,y))

plt.scatter(x, y)
# plt.plot(x, y_pred2,color='r')
# 画图时输入的x数据: 要求是从小到大
plt.plot(np.sort(x), y_pred2[np.argsort(x)], color='r')
plt.show()

数据是抛物线形状的, 给模型送入的数据，增加x^2、x^3、x^4 …高次项特征， 再用线性模型去拟合。模型过于复杂，出现过拟合

解决方式2:

L2正则化，在损失函数中添加L2正则化项

# 过拟合解决L2

from sklearn.linear_model import Ridge

np.random.seed(666) # 设置随机数种子 如果写了一样的种子保证每次生成的随机数都是一样的
x = np.random.uniform(-3,3,size=100)
y =0.5*x**2 +x+2+np.random.normal(0,1,size=100)
# np.random.uniform  生成均匀分布的随机数
# np.random.normal 生成正态分布随机数  均值为0 , 标准差1
estimator = Ridge(alpha=0.005,normalize=True)
X = x.reshape(-1,1)
X3 = np.hstack([X, X**2, X**3, X**4, X**5, X**6, X**7, X**8, X**9, X**10])  # 数据增加高次项
estimator.fit(X3,y)
y_pred2 = estimator.predict(X3)
print('均方误差:',mean_squared_error(y_pred2,y))

plt.scatter(x, y)
# plt.plot(x, y_pred2,color='r')
# 画图时输入的x数据: 要求是从小到大
plt.plot(np.sort(x), y_pred2[np.argsort(x)], color='r')
plt.show()