Настройка гиперпараметров

Гиперпараметры

Гиперпараметры - параметры, которые не настраиваются во время обучения модели.

Пример гиперпараметра - шаг градиентного спуска, он задается перед обучением.
Пример параметров - веса градиентного спуска, они изменяются и настраиваются во время обучения.

Для подбора гиперпараметров необходимо разделить датасет на три части:

• training set (тренировочный набор данных, для обучении модели)
• validation set (валидационный набор данных, для расчета ошибки и выбора наилучшей модели)
• test set (тестовый набор данных, для тестирования лучшей модели)

Зачем нам нужен и валидационный, и тестовый набор?
Дело в том, что модель может переучиться на валидационном наборе данных. Для выявления переобучения используется тестовый набор данных.

Рассмотрим модель KNeighborsClassifier из библиотеки sklearn. Все “параметры” данной модели, с точки зрения машинного обучения, являются гиперпараметрами, так как задаются до начала обучения.

Техники настройки гиперпараметров

Grid search

Общая информация

Grid search принимает на вход модель и различные значения гиперпараметров (сетку гиперпараметров). Далее, для каждого возможного сочетания значений гиперпараметров, метод считает ошибку и в конце выбирает сочетание, при котором ошибка минимальна.

Sklearn Grid search: использование

Пример использования Grid search из библиотеки scikit-learn:

1. Создание экземпляра класса SGDClassifier (из sklearn)
2. Создание сетки гиперпараметров. В данном случае будем подбирать коэффициент регуляризации, шаг градиентного спуска, количество итераций и параметр скорости обучения.
3. Создание экземпляра класса кросс-валидации
4. Создание экземпляра GridSearch (из sklearn). Первый параметр - модель, второй - сетка гиперпараметров, третий - функционал ошибки (используемый для контроля качества моделей по технике кросс-валидации), четвертый - кросс-валидация (можно задать количество фолдов, а можно передать экземпляр класса кросс - валидации)
5. Запуск поиска по сетке.

Sklearn Grid search: важные атрибуты

• best_estimator_ - лучшая модель
• best_score_ - ошибка, полученная на лучшей модели.
• best_params_ - гиперпараметры лучшей модели
  

• cv_results_ - результаты всех моделей.
  

• доступ к массиву определенного параметра:
  

Реализация Grid search в библеотеках

• Katib
• scikit-learn
• Tune
• Talos

Random grid search

Основная информация

Вместо полного перебора, Random grid search работает с некоторыми, случайным образом выбранными, комбинациями. На основе полученных результатов, происходит сужение области поиска.

Когда random grid search будет гораздо полезнее, чем grid search?
В ситуации, когда гиперпараметров много, но сильно влияющих на конечную производительность алгоритма - мало.

Реализация Random grid

• hyperopt
• Katib
• scikit-learn
• Tune
• Talos

SMBO

Основная информация

SMBO (Sequential Model-Based Optimization) - методы, основанные на байесовской оптимизации

Когда используют SMBO?
Когда оптимизация целевой функции будет стоить очень "дорого". Главная идея SMBO - замена целевой функции "суррогатной" функцией.

На каждом шаге работы SMBO:

1. Строится вероятностная модель (суррогатная функция) целевой функции.
2. Подбираются гиперпараметры, которые лучше всего подходят для вероятностной модели.
3. Подобранные гиперпараметры применяются к целевой функции.
4. Вероятностная модель перестраивается (обновляется).
5. Шаги 2-4 повторяются столько раз, сколько задал пользователь.

Существует четыре ключевые аспекта SMBO:

• Сетка значений гиперпараметров (область поиска).
• Целевая функция (выводит оценку, которую мы хотим минимизировать или максимизировать).
• Вероятностная модель целевой функции (суррогатная функция).
• Критерий, называемый функцией выбора (для выбора следующих гиперпараметры по текущей вероятностной модели).

Методы SMBO отличаются между собой вероятностными моделями и функциями выбора:
Популярные вероятностные модели (суррогатные функции):

• Gaussian Processes
• Tree Parzen Estimators (TPE)
• Random Forest Regressions

Реализация

• Random Forest Regressions: SMAC
• Tree Parzen Estimators: Hyperopt
• Gaussian Processes: Spearmint, Scikit-optimize

TPE

TPE - Tree-structured Parzen Estimator (Древовидная структура Парзена)

Как было написано выше, методы SMBO отличаются тем, как они строят вероятностную модель [math] {p(y|x)} [/math]. В случае TPE, используется следующая функция:

[math] p(y) = \frac{p(x|y) * p(y)}{p(x)} [/math]

[math] {p(x|y)} [/math] - распределение гиперпараметров.

[math] \left \{ \frac{x}{y} } [/math]

SMAC

Основная информация

SMAC использует Random Forest regression и расширяет подходы SMBO:

• Использует дискретные и условные пространства параметров.
• Обрабатывает негауссовский шум.
• Выделяет бюджет на общее время, доступное для настройки алгоритма, а не на количество оценок функций.

Реализация

• AutoML