入门篇如何正确使用机器学习中的训练集验证集和测试集？

Posted 2023-03-02 征途黯然.

【注】
·本文为转载文章，原文作者是王树义老师，原文链接为 https://zhuanlan.zhihu.com/p/71961236

训练集、验证集和测试集，林林总总的数据集合类型，到底该怎么选、怎么用？看过这篇教程后，你就能游刃有余地处理它们了。

问题

审稿的时候，不止一次，我遇到作者错误使用数据集合跑模型准确率，并和他人成果比较的情况。

他们的研究创意有的很新颖，应用价值较高，工作可能也做了着实不少。

但因对比方法错误，得出来的结果，不具备说服力。几乎全部都需要返工。

这里，我帮你梳理一下，该怎么使用不同的数据集合：

• 训练集（training set）
• 验证集（validation set）
• 测试集（test set）

目的只有一个——避免你踩同样的坑。

其实这个问题，咱们之前的教程文章，已有涉及。

《如何用 Python 和深度迁移学习做文本分类？》一文中，我曾经给你布置了一个类似的问题。

在文章的末尾，我们对比了当时近期研究中， Yelp 情感分类的最佳结果。

下表来自于：Shen, D., Wang, G., Wang, W., Min, M. R., Su, Q., Zhang, Y., … & Carin, L. (2018). Baseline needs more love: On simple word-embedding-based models and associated pooling mechanisms. arXiv preprint arXiv:1805.09843.

注意这里最高的准确率（Accuracy）数值，是 95.81 。

我们当时的模型，在验证集上，可以获得的准确率，是这个样子的：

97.28%，着实不低啊！

于是我问你：

咱们这种对比，是否科学？

你当时的答案是什么？

这么久过去了，又看了那么多新的教程和论文，你的答案发生变化了吗？

现在咱们公布一下答案吧。

不科学。

为什么？

因为对比方法有问题。

方法

原文中有这样一句：

这里数据集只提供了训练集和“测试集”，因此我们把这个“测试集”当做验证集来使用。

作为演示，数据集咱们想怎么用，就可以怎么用。

甚至你把测试集拿来做训练，然后在训练集上跑测试，都没有人管。

但是写学术论文，声称你的模型优于已有研究，却绝不能这么草率。

注意，比较模型效能数值结果时，你只能拿不同的模型，在同样的测试集上面比。

测试集不同，当然不可以。

但模型A用测试集，模型B用验证集（与A的测试集数据完全一致）比，可以吗？

很多人就会混淆了，觉得没问题啊。既然数据都一样，管它叫做什么名称呢？

可是请你注意，哪怕A模型用的测试集，就是B模型用的验证集，你也不能把这两个集合跑出来的结果放在一起比较。

因为这是作弊。

你可能觉得我这样说，颇有些吹毛求疵的意味。

咱们下面就来重新梳理一下，不同数据集合的作用。

希望你因此能看清楚，这种似乎过于严苛的要求，其实是很有道理的。

咱们从测试集开始谈，继而是验证集，最后是训练集。

这样“倒过来说”的好处，是会让你理解起来，更加透彻。

先说测试集吧。

测试

只有在同样的测试集上，两个（或以上）模型的对比才有效。

这就如同参加高考，两个人考同样一张卷子，分数才能对比。

甲拿A地区的卷子，考了600分，乙拿B地区的卷子，考了580分。你能不能说，甲比乙成绩高？

不行吧。

为了让大家更易于比较自己的模型效果，许多不同领域的数据集，都已开放了。而且开放的时候，都会给你指明，哪些数据用于训练，哪些用于测试。

以 Yelp 数据为例。

在 AWS 上存储的 fast.ai 公开数据集中，训练集和测试集都已为你准备好。

你不需要自己进行划分。

大家达成共识，做研究、写论文，都用这个测试集来比拼，就可以。

所以，如果你的研究，是靠着比别人的模型效果来说事儿，那就一定先要弄明白对方的测试集是什么。

但是，这个听起来很容易达成的目标，实践中却很容易遇到困难。

因为有的人写论文，喜欢把数据和代码藏着掖着，生怕别人用了去。

他们一般只提一下，是在某个公开数据集上切了一部分出来，作为测试集。

测试数据集不发布，切分方法（包括工具）和随机种子选取办法也不公开。

这是非常不靠谱的行为，纯属自娱自乐。

作为严肃的审稿人，根本就不应该允许这样的研究发表。

因为机器学习研究的数据集不开放，便基本上没有可重复性（Reproducibility）。

如果你没有办法精确重复他的模型训练和测试过程，那么他想汇报多高的准确率，就纯凭个人爱好了。

当然，我们不是活在理想世界的。

你在某一个领域，用机器学习做应用研究的时候，面对这种无法重复已发表论文的情境，该怎么办？

直接用他声称的结果与你的实际运行结果比较，你可能是在追逐海市蜃楼。累到气喘吁吁，甚至怀疑自我的程度，也徒劳无功。

忽视它？

也不行。

审稿人那关你过不去。

人家会说，某某研究跟你用的是一样的数据，准确率已经达到98%，你的才96%，有什么发表的意义呢？

看，左右为难不是？

其实解决办法很简单。

不要考虑对方声称达到了多高准确率。把他提供给你的数据全集，自行切分。之后复现对方的模型，重新跑。

模型架构，一般都是要求汇报的，所以这几乎不是问题。

至于这种复现，越是复杂的模型，我越推荐你用 PyTorch 。

之后把你的模型，和复现的对方模型在同样的测试集上做对比，就可以了。

当然，论文里要写上一句：

由于某篇文章未提供代码与具体数据切分说明，带来可重复性问题，我们不得不独立复现了其模型，并在测试集完全一致的情况下，进行了比对。

这里多说一句，一定要保证你自己的研究，是可重复的。

不要怕公布你的代码和数据。它们不是你的独门暗器，而是支撑你研究的凭据。

回看我们前面提到的 Yelp 公开数据的例子。

这时候你会发现一个奇怪的问题——为什么它只有训练集和测试集？

我们一直反复提到的验证集哪里去了？

验证

验证集，就如同高考的模拟考试。

不同于高考，模拟考只是你调整自己状态的指示器而已。

状态不够满意，你可以继续调整。

当然，参加过高考的同学都有经验——这种调整的结果（从模拟考到高考），有可能更好，也有可能更糟糕。

回到机器学习上，那就是测试集上检验的，是你最终模型的性能。

什么叫“最终模型”？

就是你参加高考时候的状态。包括你当时的知识储备、情绪心态，以及当天的外部环境（温度、湿度、东西是否带齐）等。

最终模型，只有一个。

就如同每年的高考，你只能参加一回。

考成什么样儿，就是什么样。

而验证集上跑的，实际上却是一个模型集合，集合的大小，你可能数都数不过来。

因为这里存在着超参数（hyper-parameter）设置的问题。不同超参数组合，就对应着不同的潜在模型。

验证集的存在，是为了从这一堆可能的模型中，帮你表现最好的那个。

注意这里的表现，是指在验证集上的表现。

好比说，有个超参数叫做训练轮数（epochs）。

在同样的训练集上，训练3轮和训练10轮，结果可能是不一样的模型。它们的参数并不相同。

那么到底是训练3轮好，还是10轮好？

或者二者都不好，应该训练6轮？

这种决策，就需要在训练后，在验证集上“是骡子是马牵出来溜溜”。

如果发现训练3轮效果更好，那么就应该丢弃掉训练6轮、10轮的潜在模型，只用训练3轮的结果。

这对应着一种机器学习正则化（Regularization）方式——提早停止训练（early stopping）。

其他的超参数选取，你也可以举一反三。总之就是按照验证集的效果，来选超参数，从而决定最终模型。

下一步，自然就是把它交给测试集，去检验。这个我们前面已经详细讲解过了。

至于这个最终选择模型，在新数据集（测试集）上表现如何，没人能打包票。

所以，回到咱们之前的问题。在《如何用 Python 和深度迁移学习做文本分类？》一文中，我故意用验证集上筛选出的最好模型，在验证集上跑出来分数，当成是测试成绩，这显然是不妥当的。

你不能把同样的题做他个三五遍，然后从中找最高分去跟别人比。

即便你的模拟考，用的是别人的高考真题。两张卷子完全一样，也没有说服力。

所以你看，验证集的目的，不是比拼最终模型效果的。

因此，怎么设定验证集，划分多少数据做验证，其实是每个研究者需要独立作出的决策，不应该强行设定为一致。

这就如同我们不会在高考前去检查每个考生，是否做过一样多的模拟试卷，且试卷内容也要一致。

极端点儿说，即便一个考生没参加过模拟考，可高考成绩突出，你也不能不算他的成绩，对吧？

不过，讲到这里，我们就得要把训练集拿进来，一起说说了。

训练

如果测试集是高考试卷，验证集是模拟考试卷，那么训练集呢？

大概包括很多东西，例如作业题、练习题。

另外，我们上高三那时候（噫吁嚱，已经上个世纪的事儿了），每周有“统练”，每月有“月考”。也都可以划定在训练集的范畴。

减负这么多年以后，现在的高中生应该没有那么辛苦了吧？真羡慕他们。

这样一对比，你大概能了解这几个集合之间本应有的关系。

学生平时练题，最希望的，就是考试能碰到原题，这样就可以保证不必动脑，却做出正确答案。

所以，出模拟考卷时，老师尽量要保证不要出现学生平时练过的题目，否则无法正确估量学生目前的复习备考状态，噪声过高容易误事儿。

验证集和训练集，应该是不交叠的。这样选择模型的时候，才可以避免被数据交叠的因素干扰。

每个学校的模拟考，却都恨不得能押中高考的题。这样可以保证本校学生在高考中，可以“见多识广”，取得更高分数。

高考出卷子的老师，就必须尽力保证题目是全新的，以筛选出有能力的学生，而不是为高校选拔一批“见过题目，并且记住了标准答案”的学生。

因此，测试集应该既不同于训练集，又不同于验证集。

换句话说，三个数据集合，最好都没有重叠。

学生应该学会举一反三，学会的是知识和规律。

用知识和规律，去处理新的问题。

我们对机器模型的期许，其实也一样。

在学术论文中，你见到的大部分用于机器学习模型对比的公开数据集（例如 fast.ai 公开数据集中的 Yelp, IMDB, ImageNet 等），都符合这一要求。

然而，例外肯定是有的。

例如我在 INFO 5731 课程里面给学生布置的某期末项目备选项，来源于某学术类数据科学竞赛，目标是社交媒体医学名词归一化。

其中就有数据，既出现在了训练集，又出现在了验证集，甚至测试集里也会有。

面对这种问题，你该怎么办？

你怎么判断自己的模型，究竟是强行记住了答案，还是掌握了文本中的规律？

这个问题，作为思考题留给你。

我希望在知识星球中和热爱学习的你，做进一步讨论。

另外的一个问题，是训练集要不要和别人的完全一致？

一般来说，如果你要强调自己的模型优于其他人，那么就要保证是在同样的训练集上训练出来。

回顾深度学习的三大要素：

• 数据（Data）
• 架构（Architecture）
• 损失（Loss）

如果你的训练数据，比别人多得多，那么模型自然见多识广。

对于深度学习而言，如果训练数据丰富，就可以显著避免过拟合（Overfitting）的发生。

GPT-2 模型，就是因为具备了海量 Reddit 数据做训练，才能傲视其他语言模型（Language Model），甚至以安全为理由，拒绝开放模型。

但是这时候，你跟别人横向比较，似乎就不大公平了。

你的架构设计，未必更好。假使对方用同样多的数据训练，结果可能不必你差，甚至会更优。

这就如同一个复读了5年的学生甲，充分利用每一分每一秒，做了比应届生乙多5倍的卷子。结果在高考的时候，甲比乙多考了1分（同一张卷子）。

你能说甲比乙更有学习能力，学习效果更好吗？

小结

这篇教程里，我为你梳理了机器学习中常见的三种不同数据集类别，即：

• 训练集
• 验证集
• 测试集

咱们一一分析了其作用，并且用“考试”这个大多数人都参加过，且容易理解的例子做了诠释。

希望读过本文之后，你的概念架构更为清晰，不再会误用它们，避免给自己的研究挖坑。

祝深度学习愉快，论文发表顺利哦！