终于把机器学习中的超参数调优搞懂了！！-51CTO.COM

今天给大家分享机器学习中一个重要的知识点，超参数调优。

超参数调优（Hyperparameter Tuning）是机器学习模型开发过程中一个关键步骤，旨在通过调整模型的超参数来优化模型的性能。

超参数不同于模型参数，后者是在训练过程中通过数据学习得到的，而超参数是在训练之前设定的，通常需要通过试验和优化来确定。

什么是超参数

超参数是指在训练机器学习模型之前需要人为设定的参数。

常见的超参数包括

学习率：控制模型在每一步梯度下降中权重更新的幅度。
正则化参数：如 L1、L2 正则化系数，用于防止模型过拟合。
网络结构参数：如神经网络的层数、每层的神经元数量、激活函数类型等。
优化算法的选择：如SGD、Adam、RMSprop等。

选择合适的超参数对于模型的性能有着显著的影响，因此超参数调优是模型开发过程中不可或缺的一部分。

超参数调优的重要性

提升模型性能
合适的超参数组合可以显著提高模型的准确性、泛化能力和稳定性。
防止过拟合或欠拟合
通过调整超参数，可以平衡模型的复杂度，避免模型在训练数据上表现过好但在测试数据上表现差（过拟合），或在训练数据和测试数据上都表现不佳（欠拟合）。
提高计算效率
合理的批量大小、学习率等设置可以显著加快模型训练的速度。

常见的超参数调优方法

以下是几种常用的超参数调优方法，每种方法都有其优缺点和适用场景。

网格搜索

网格搜索是最简单直观的超参数调优方法。

它通过在预定义的超参数空间中，系统地遍历所有可能的参数组合，并在每个组合上训练和评估模型，最后选择表现最佳的参数组合。

工作流程

定义超参数搜索空间：为每个超参数指定离散的取值范围。
遍历搜索空间的所有组合。
在验证集上评估每个组合的性能。
返回验证性能最好的超参数组合。

示例

假设有两个超参数：

学习率：[0.01, 0.1, 1]
正则化系数：[0.001, 0.01]

网格搜索会评估以下 6 组组合

(0.01, 0.001), (0.01, 0.01)
(0.1, 0.001), (0.1, 0.01)
(1, 0.001), (1, 0.01)

优缺点

优点

简单直观：易于理解和实现
全面性：对所有可能组合逐一尝试，保证找到最佳超参数（在搜索空间内）。

缺点

计算开销高：当搜索空间较大或超参数维度较高时，计算成本会指数级增长。
效率低下：即使某些超参数对模型性能影响较小，网格搜索仍会穷举所有可能的组合，浪费计算资源。

适用场景

适用于超参数数量少且每个超参数的取值范围有限的情况。
对模型性能要求高，且计算资源充足时。

以下是使用 Scikit-learn 进行网格搜索的示例代码。

from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

# 加载鸢尾花数据集
iris = load_iris()
X, y = iris.data, iris.target

# 拆分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# 定义模型
model = RandomForestClassifier(random_state=42)

# 定义超参数搜索范围
param_grid = {
    'n_estimators': [10, 50, 100],
    'max_depth': [3, 5, 10],
    'min_samples_split': [2, 5]
}

# 网格搜索
grid_search = GridSearchCV(model, param_grid, cv=3, scoring='accuracy', verbose=1)
grid_search.fit(X_train, y_train)

# 输出最佳参数和准确率
print("Grid Search Best Parameters:", grid_search.best_params_)
print("Grid Search Best Score:", grid_search.best_score_)

随机搜索

随机搜索通过随机采样超参数搜索空间中的点来评估模型性能，而不是遍历所有组合。

其核心思想是：在高维搜索空间中，随机采样往往比均匀搜索更有效，尤其是当部分超参数对性能影响较大时。

工作流程

定义超参数搜索空间：为每个超参数指定取值范围，可以是离散集合或连续分布。
随机采样固定数量的超参数组合。
在验证集上评估每组采样的性能。
返回性能最好的超参数组合。

示例

假设有两个超参数

学习率：[0.01, 0.1, 1]
正则化系数：[0.001, 0.01]

如果设置采样次数为 4，则随机搜索可能得到如下结果

(0.01, 0.001), (0.1, 0.01), (1, 0.01), (0.1, 0.001)

优缺点

优点

计算效率高：不需要遍历所有组合，显著减少计算成本。
高维搜索空间适用性强：能够有效探索大范围的高维空间。
灵活性：允许搜索空间是连续的分布，避免离散化的局限。

缺点

可能遗漏最佳参数：采样次数不足时，可能错过全局最优的参数组合。
不确定性：由于随机性，不同运行结果可能不一致。

适用场景

适用于超参数数量较多或每个超参数的取值范围较大的情况。
在计算资源有限的情况下，通过合理设置采样次数，快速找到较优的超参数组合。

以下是使用 Scikit-learn 进行随机搜索的示例代码。

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.model_selection import RandomizedSearchCV
from scipy.stats import randint

# 定义模型
model = RandomForestClassifier(random_state=42)

# 定义超参数分布
param_distributions = {
    'n_estimators': randint(10, 100),
    'max_depth': randint(3, 10),
    'min_samples_split': randint(2, 6)
}

# 随机搜索
random_search = RandomizedSearchCV(
    model, param_distributions, n_iter=20, cv=3, scoring='accuracy', random_state=42, verbose=1
)
random_search.fit(X_train, y_train)

# 输出最佳参数和准确率
print("Random Search Best Parameters:", random_search.best_params_)
print("Random Search Best Score:", random_search.best_score_)

贝叶斯优化

贝叶斯优化是一种基于概率模型的优化方法，通过构建目标函数的代理模型（通常是高斯过程），并结合采集函数（Acquisition Function），在每一步迭代中选择最有潜力的超参数组合进行评估，从而高效地探索和利用超参数空间，找到最优的超参数组合。

工作原理

贝叶斯优化的过程包括以下几个步骤。

初始化
随机采样几组超参数，训练模型并记录性能。
构建代理模型
基于当前已采样的点，构建超参数与性能的近似关系。
优化采集函数
基于代理模型，利用采集函数选择下一个最有潜力的超参数组合。
更新模型
对选定的超参数组合进行模型训练和评估，并更新代理模型。
重复迭代：
重复步骤2-4，直到达到预设的迭代次数或计算资源限制。
选择最优组合
从所有评估过的超参数组合中选择最佳的。

优缺点优点

高效性：相比网格搜索和随机搜索，贝叶斯优化在较少的评估次数下能够找到更优的超参数组合。
适用复杂目标函数：可以处理非线性、非凸的目标函数。

缺点

实现复杂：相较于网格搜索和随机搜索，贝叶斯优化的实现更加复杂，需要选择合适的代理模型和采集函数。
计算复杂度高：构建和更新代理模型（如高斯过程）在高维空间中计算成本较高。

适用场景

搜索空间复杂，评估单次超参数成本较高时（如深度学习）。
对调优效率要求高且资源有限时。

以下是使用 optuna 库进行贝叶斯优化的示例代码。

import optuna
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.model_selection import cross_val_score

# 定义目标函数
def objective(trial):
    # 定义超参数的搜索空间
    n_estimators = trial.suggest_int('n_estimators', 10, 100)
    max_depth = trial.suggest_int('max_depth', 3, 10)
    min_samples_split = trial.suggest_int('min_samples_split', 2, 6)
    
    # 创建模型
    model = RandomForestClassifier(
        n_estimators=n_estimators,
        max_depth=max_depth,
        min_samples_split=min_samples_split,
        random_state=42
    )
    
    # 交叉验证评估
    score = cross_val_score(model, X_train, y_train, cv=3, scoring='accuracy').mean()
    return score

# 开始贝叶斯优化
study = optuna.create_study(directinotallow='maximize')
study.optimize(objective, n_trials=20)

# 输出最佳参数和准确率
print("Bayesian Optimization Best Parameters:", study.best_params)
print("Bayesian Optimization Best Score:", study.best_value)