算法岗面试题：模型的bias和variance是什么？用随机森林举例

Posted 2020-12-12 pythonlearner

校招在即，准备准备一些面试可能会用到的东西吧。希望这次面试不会被挂。

基本概念

说到机器学习模型的误差，主要就是bias和variance。

• Bias：如果一个模型的训练错误大，然后验证错误和训练错误都很大，那么这个模型就是高bias。可能是因为欠拟合，也可能是因为模型是弱分类器。

• Variance：模型的训练错误小，但是验证错误远大于训练错误，那么这个模型就是高Variance，或者说它是过拟合。

这个图中，左上角是低偏差低方差的，可以看到所有的预测值，都会落在靶心，完美模型；

右上角是高偏差，可以看到，虽然整体数据预测的好像都在中心，但是波动很大。

【高偏差vs高方差】
在机器学习中，因为偏差和方差不能兼顾，所以我们一般会选择高偏差、低方差的左下角的模型。稳定性是最重要的，宁可所有的样本都80%正确率，也不要部分样本100%、部分50%的正确率。个人感觉，稳定性是学习到东西的体现，高方差模型与随机蒙的有什么区别？

随机森林为例

上面的可能有些抽象，这里用RandomForest(RF)来作为例子：
随机森林是bagging的集成模型，这里：
(RF(x)=frac{1}{B}sum^B_{i=1}{T_{i,z_i}(x)})

• RF(x)表示随机森林对样本x的预测值；
• B表示总共有B棵树；
• (z_i)表示第i棵树所使用的训练集，是使用bagging的方法，从所有训练集中进行行采样和列采样得到的子数据集。

这里所有的(z)，都是从所有数据集中随机采样的，所以可以理解为都是服从相同分布的。所以不断增加B的数量，增加随机森林中树的数量，是不会减小模型的偏差的。
【个人感觉，是因为不管训练再多的树，其实就那么多数据，怎么训练都不会减少，这一点比较好理解】

【RF是如何降低偏差的？】
直观上，使用多棵树和bagging，是可以增加模型的稳定性的。怎么证明的？

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我们需要计算(Var(T(x)))
假设不同树的(z_i)之间的相关系数为( ho),然后每棵树的方差都是(sigma^2).

先复习一下两个随机变量相加的方差如何表示：
(Var(aX+bY)=a^2 Var(X)+b^2 Var(Y) + 2ab cov(X,Y))

• Cov(X,Y)表示X和Y的协方差。协方差和相关系数不一样哦，要除以X和Y的标准差：
  ( ho=frac{cov(X,Y)}{sigma_X sigma_Y})

下面转成B个相关变量的方差计算，是矩阵的形式：

很好推导的，可以试一试。

这样可以看出来了，RF的树的数量越多，RF方差的第二项会不断减小，但是第一项不变。也就是说，第一项就是RF模型偏差的下极限了。

【总结】

• 增加决策树的数量B，偏差不变；方差减小；
• 增加决策树深度，偏差减小；( ho)减小，(sigma^2)增加；
• 增加bagging采样比例，偏差减小；( ho)增加，(sigma^2)增加；

【bagging vs boost】
之前也提到过了boost算法：
一文读懂：GBDT梯度提升
GBDT中，在某种情况下，是不断训练之前模型的残差，来达到降低bias的效果。虽然也是集成模型，但是可以想到，每一个GBDT中的树，所学习的数据的分布都是不同的，这意味着在GBDT模型的方差会随着决策树的数量增多，不断地增加。

• bagging的目的：降低方差；
• boost的目的：降低偏差

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