数据集划分——train set, validate set and test set

Posted 2020-11-20 xxiaolige

先扯点闲篇儿，直取干货者，可以点击这里。

我曾误打误撞的搞过一年多的量化交易，期间尝试过做价格和涨跌的预测，当时全凭一腔热血，拿到行情数据就迫不及待地开始测试各种算法。

最基本的算法是技术指标类型的，原生的技术指标，改版的技术指标，以技术指标为特征构造机器学习算法，都做过。不论哪种方法，都绕不开一件事——如何使用历史数据验证算法的性能。

当时我是纯纯的小白，对数据集划分完全没有概念，一个很自然的想法就是拿全量数据跑回测，看资金曲线的年华收益、最大回撤、sharpe什么的。那时国内很多量化平台正在蓬勃发展，在知乎、CSDN上大力宣传某某算法的回测曲线多么完美无瑕，收益高、回撤小，看得我满脑子都是发财的幻觉。那时我还没意识到这里的问题，直到我们的账户开始亏钱。

回过头去找原因，猛然看到一个词——过拟合。原来，采用全量数据做回测就是在自欺欺人！

那么，怎么克服过拟合呢？最简单的办法就是把数据分成两部分，train和test，或者说样本内和样本外。train set上做训练，练出了模型，拿到test set上检验一下，看看效果怎么样。这样做还存在两个问题，一是如何把全量数据划分成train set和test set，二是要把训练和检验的过程做多次，该怎么做。

一位量化老兵在知乎live上推荐了一本书，The Evaluation and Optimization of Trading Strategies，这本书里推荐了一个方法，叫做 walk-forward backtest，看似完美的解决了上面两个问题。walk-forward的具体原理网上例子很多，请自行百度。这种方法的本质就是做了很多次的样本内训练+样本外测试，目的是检验模型在样本外的表现有多稳定。嗯嗯嗯，看起来很有道理。

但是，

walk-forward有没有帮助模型克服过拟合呢？

并没有。我们依然在样本内训练时选取最优参数，或者选取最优参数平台的中心点，这样选出的参数必然和样本数据高度吻合，很容易过拟合。而且每次训练得到的最优参数或参数中心点都不同，如何确定最优参数也是棘手的问题。

要尽量克服过拟合，就要在选择模型参数时避开train set，可是test set是不能用来调参的，不然test set就变成train set了，那么该怎么办呢？答案就是加入一个validate set。

 

=============干货从这里开始===============

 

我们使用机器学习算法处理问题时，都会遇到两个问题，一是选哪个模型好，二是如何选择最优的模型参数。为了解决这两个问题，需要对数据集做出划分，如果数据足够多，可行的划分方法是分为三部分：train set, validate set, test set。

用train set做多个模型的初步训练，得到一组模型和在训练集上的最优参数，然后用这些模型在validate set做验证，一边验证一边调整模型参数和复杂度，找到最优模型和对应的最优参数，然后用test set做模型评估，估计出模型的泛化能力。

train validate test三部分数据的比例，一般为50-25-25，采用随机采样即可。

如果觉得这样做还有些不妥，可以把上面的过程重复多次，对比多次的结果，找到最优模型和最优参数。

这种划分三个数据集的方法在大数据场景下十分适合。

如果数据没有那么多，可以采用两种方法：一是 交叉验证的方法，具体可以分为简单交叉验证、S折交叉验证和留一交叉验证，二是自助法，可以作为一个选项，一般不推荐使用。方法的具体内容参见周志华《机器学习》2.2节。

上面提到的方法都缺少了validate set这个数据集，相比于三个数据集，这些方法对模型和参数的选取存在更高的过拟合风险，不过这个风险并非完全由数据的选取引起，主要原因是数据总量太少。

这里还要补充一句，并非划分成三个数据集一定比交叉验证更好，只是加入了validate set，更有可能避免模型和参数的过拟合，尤其是由于复杂度过高引起的过拟合。

 

遗留问题：

关于train validate 和 test的作用，Ripley, B.D 在 Pattern Recognition and Neural Networks中给出了这三个词的定义：

Training set: A set of examples used for learning, which is to fit the parameters [i.e., weights] of the classifier.
Validation set: A set of examples used to tune the parameters [i.e., architecture, not weights] of a classifier, for example to choose the number of hidden units in a neural network.
Test set: A set of examples used only to assess the performance [generalization] of a fully specified classifier.

其中让我比较迷惑的一点是 标红的部分，有些文章以ANN为例，说train set用于确定ANN的权重，validate set用于确定ANN的深度和单层网络的节点数，我暂时还不能其中的逻辑。

周志华老师的书中只是简单的提及了validate set, 原文是：“我们用测试集上的判别效果来估计模型在实际使用时的泛化能力，而把训练数据另外划分成训练集和验证集，基于验证集上的性能来进行模型选择和调参。”

我目前对train set和validate set的理解是，train set用来做模型和参数的初步筛选，选定了几个模型和参数后，拿到validate set上做验证和调整，选出最优的一个或多个模型-参数组合，然后用test set做评估，得到评估结果。

 

参考文献：

https://www.cnblogs.com/xfzhang/archive/2013/05/24/3096412.html

http://baijiahao.baidu.com/s?id=1583759543555552397&wfr=spider&for=pc

周志华  《机器学习》