Настройка гиперпараметров
Содержание
Гиперпараметр
Гиперпараметр (англ. hyperparameter) — параметр, который не настраивается 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:
- тренировочный набор данных (англ. training set), для обучения модели
- валидационный набор данных (англ. validation set), для расчета ошибки и выбора наилучшей модели
- тестовый набор данных (англ. test set), для тестирования выбранной 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 (loss, penalty, alpha и т.д), с точки зрения машинного обучения, являются гиперпараметрами, так как задаются до начала обучения.
class sklearn.linear_model.SGDClassifier(loss='hinge', penalty='l2', alpha=0.0001, l1_ratio=0.15, fit_intercept=True, max_iter=1000,
tol=0.001, shuffle=True, verbose=0, epsilon=0.1, n_jobs=None, random_state=None, learning_rate='optimal',
eta0=0.0, power_t=0.5, early_stopping=False, validation_fraction=0.1, n_iter_no_change=5, class_weight=None,
warm_start=False, average=False)
Поиск по сетке
Общая информация
Поиск по сетке (англ. 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.
Поиск по сетке в Sklearn: использование
Пример использования GridSearch из библиотеки scikit-learn:
- Создание экземпляра класса
SGDClassifier(из sklearn) - Создание сетки гиперпараметров. В данном случае будем подбирать коэффициент регуляризации, шаг градиентного спуска, количество итераций и параметр скорости обучения.
- Создание экземпляра класса кросс-валидации
- 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) - Запуск поиска по сетке.
classifier = linear_model.SGDClassifier(random_state = 0, tol=1e-3)
parameters_grid = {
'alpha' : np.linspace(0.00001, 0.0001, 15),
'learning_rate': ['optimal', 'constant', 'invscaling'],
'eta0' : np.linspace(0.00001, 0.0001, 15),
'max_iter' : np.arange(5,10),
}
cv = model_selection.StratifiedShuffleSplit(n_splits=10, test_size = 0.2) grid_cv = model_selection.GridSearchCV(classifier, parameters_grid, scoring = 'accuracy', cv = cv) grid_cv.fit(train_data, test_data)
Out:
GridSearchCV(cv=StratifiedShuffleSplit(n_splits=10, random_state=0, test_size=0.2, train_size=None), error_score=nan,
estimator=SGDClassifier(alpha=0.0001, average=False, class_weight=None, early_stopping=False,
epsilon=0.1, eta0=0.0, fit_intercept=True, l1_ratio=0.15, learning_rate='optimal',
loss='hinge', max_iter=1000, n_iter_no_change=5, n_jobs=None,
penalty='l2...
'eta0': array([1.00000000e-05, 1.64285714e-05, 2.28571429e-05, 2.92857143e-05, 3.57142857e-05, 4.21428571e-05, 4.85714286e-05, 5.50000000e-05,
6.14285714e-05, 6.78571429e-05, 7.42857143e-05, 8.07142857e-05, 8.71428571e-05, 9.35714286e-05, 1.00000000e-04]),
'learning_rate': ['optimal', 'constant', 'invscaling'],
'max_iter': array([5, 6, 7, 8, 9])},
pre_dispatch='2*n_jobs', refit=True, return_train_score=False,
scoring='accuracy', verbose=0)
Поиск по сетке в Sklearn: важные атрибуты
-
best_estimator_— лучшая модель -
best_score_— ошибка, полученная на лучшей модели. -
best_params_— гиперпараметры лучшей модели
print(grid_cv.best_estimator_)
Out: SGDClassifier(alpha=4.857142857142857e-05, average=False, class_weight=None, early_stopping=False, epsilon=0.1, eta0=1e-05, fit_intercept=True, l1_ratio=0.15, learning_rate='optimal', loss='hinge', max_iter=6, n_iter_no_change=5, n_jobs=None, penalty='l2', power_t=0.5, random_state=0, shuffle=True, tol=0.001, validation_fraction=0.1, verbose=0, warm_start=False)
print(grid_cv.best_score_)
Out: 0.9099999999999999
print(grid_cv.best_params_)
Out: {'alpha': 4.857142857142857e-05, 'eta0': 1e-05, 'learning_rate': 'optimal', 'max_iter': 6}
-
cv_results_— результаты всех моделей.
print(grid_cv.cv_results_)
Out: {'mean_fit_time': array([0.00209482, 0.00120714, 0.00089645, ..., 0.00109975, 0.00100021, 0.00099928]), 'std_fit_time': array([1.22382854e-03, 6.21233347e-04, 5.32190271e-04, ..., 3.11922473e-04, 1.27400324e-05, 1.94000071e-06]), 'mean_score_time': array([2.00700760e-04, 0.00000000e+00, 2.99715996e-04, ..., 1.99961662e-04, 2.96926498e-04, 9.98973846e-05]), 'std_score_time': array([0.0004014 , 0. , 0.00045782, ..., 0.00039992, 0.00045363, 0.00029969]), ...... }
print(grid_cv.cv_results_['param_max_iter'].data)
Out: array([5, 6, 7, ..., 7, 8, 9], dtype=object)
Реализация поиска по сетке в библиотеках
Случайный поиск по сетке
Основная информация
Случайный поиск по сетке (англ. Random Grid Search) вместо полного перебора работает с некоторыми, случайным образом выбранными, комбинациями. На основе полученных результатов, происходит сужение области поиска.
Когда случайный поиск по сетке будет гораздо полезнее, чем просто поиск по сетке? В ситуации, когда гиперпараметров много, но сильно влияющих на конечную производительность алгоритма — мало.
Реализация случайного поиска по сетке
Методы, основанные на байесовской оптимизации
Основная информация
Методы, основанные на байесовской оптимизации (англ. Sequential Model-Based Optimization, SMBO) используют когда оптимизация целевой функции будет стоить очень "дорого". Главная идея SMBO — замена целевой функции "суррогатной" функцией.
На каждом шаге работы SMBO:
- Строится вероятностная модель (суррогатная функция) целевой функции.
- Подбираются гиперпараметры, которые лучше всего подходят для вероятностной модели.
- Подобранные гиперпараметры применяются к целевой функции.
- Вероятностная модель перестраивается (обновляется).
- 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
Древовидная структура Парзена
Основная информация
Древовидная структура Парзена (англ. Tree-structured Parzen Estimator, TPE)
Как было написано выше, методы SMBO отличаются тем, как они строят вероятностную модель . В случае TPE, используется следующая функция:
— распределение гиперпараметров, — значение целевой функции, — пороговое начение
В TPE задается два различных распределения гиперпараметров: первое при значениях целевой функции меньших, чем пороговое значение. Второе - при значениях целевой функции больших, чем пороговое значение.
Алгоритм
- На вход подается список пар (parameters, loss)
- По заданному порогу, происходит разбиение списка на 2 части
- Для каждого списка строится распределение
- Возвращается значение:
Последовательная конфигурация алгоритма на основе модели
Основная информация
Последовательная конфигурация алгоритма на основе модели (англ. Sequential Model-based Algorithm Configuration, SMAC) использует регрессию случайного леса (англ. 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.
Кроме того, SMAC использует переданную ему модель для формирования списка перспективных конфигураций (сочетаний) параметров. Чтобы оценить перспективность конфигурация , SMAC строит распределение результатов модели для . С помощью этого распределения, а также информации, о текущей лучшей конфигурации, SMAC вычисляет ожидаемое положительное улучшение . После нахождения необходимо найти конфигурацию с наибольшим значением . Эта задача приводит к проблеме максимизация значения на всем пространстве конфигураций. Другие методы SMBO максимизируют значения а случайной выборке из пространства конфигураций, что достаточно плохо работает в случае высокомерного пространства. SMAC применяет немного другой подход: выполняется несколько локальных и поисков и среди них выбираются все конфигурации с максимальным . И уже среди них производится новый поиск и выбирается лучшая конфигурация.
Реализация
- Random Forest Regressions: SMAC
- Tree Parzen Estimators: Hyperopt
- Gaussian Processes: Spearmint, Scikit-optimize
