深度学习时，训练集的精度与测试集精度之间的关系

1. 训练精度 > 测试精度

当训练集和测试集两个loss　之间的有较大的差距时，　定义为高方差；

根本原因在于两点：

1. 训练集，测试集数据不同分布；
2. 模型过拟合；

1.1训练集，测试集数据分布不同

1. 训练集和验证、测试集的数据分布不同。这个在于实验数据本身，可以尝试shuffle数据、重新划分数据集或者对实验数据进行扩充。

1.2 模型过拟合

2. 模型过拟合。
   表现为训练效果好,但是测试效果差，即模型的泛化能力差。

可以通过观察模型在训练集和测试集上的损失函数值随着epoch的变化，
如果是过拟合，模型在测试集上的损失函数值一般是先下降后上升。

1.3 过拟合的原因

• 训练数据太少，样本单一。
  如果训练样本只有负样本，然后拿生成的模型去预测正样本，这肯定预测不准。
  所以训练样本要尽可能的全面，覆盖所有的数据类型；

• 存在噪声。
  噪声指训练数据中的干扰数据。过多的干扰会导致记录了很多噪声特征，忽略了真实输入和输出之间的关系；

• 模型过于复杂,　层数太深。
  模型太复杂，已经能够死记硬背记录下了训练数据的信息，但是遇到没有见过的数据的时候不能够变通，泛化能力太差。我们希望模型对不同的数据都有稳定的输出。模型太复杂是过拟合的重要因素。

1.4 过拟合解决方式

• 增加样本，要覆盖全部的数据类型。
  数据经过清洗之后再进行模型训练，防止噪声数据干扰模型；

• 降低模型复杂度。
  在训练和建立模型的时候，从相对简单的模型开始，不要一开始就把特征做的非常多，模型参数挑的非常复杂；

• 正则化。在模型算法中添加惩罚函数来防止过拟合。常见的有L1，L2正则化。而且 L1正则还可以自动进行特征选择；

• 集成学习方法bagging(如随机森林）能有效防止过拟合；

• 减少特征个数(不是太推荐，但也是一种方法)。可以使用特征选择，减少特征数或使用较少的特征组合，对于按区间离散化的特征，增大划分的区间；

• 交叉检验，通过交叉检验得到较优的模型参数；

• 早停策略。本质上是交叉验证策略，选择合适的训练次数，避免训练的网络过度拟合训练数据；

• DropOut策略。
  Dropout指的是在用前向传播算法和反向传播算法训练DNN模型时，一批数据迭代时，随机的从全连接DNN网络中去掉一部分隐藏层的神经元。

在对训练集中的一批数据进行训练时，我们随机去掉一部分隐藏层的神经元，并用去掉隐藏层的神经元的网络来拟合我们的一批训练数据。由于dropout会将原始数据分批迭代，因此原始数据集最好较大，否则模型可能会欠拟合。

2. 训练精度 < 测试精度

当训练集和测试集两个loss，　虽然都是收敛，　但是loss值都很高，　定义为高偏差；

• 当偏差很高，训练集和验证集的准确率都很低，很可能是欠拟合；
• 表现为不能很好的拟合数据，训练集和测试集效果都不佳。

训练的时候，会得到测试集的准确率或者验证集的准确率高于训练集的准确率，这是什么原因造成的呢

本质上，　因为: 模型没有很好的捕捉数据特征，不能很好地拟合数据

2.1 欠拟合的原因

1. 数据集太小，且数据集切分的不均匀。
   当训练集和测试集的分布不均匀，如果模型能够正确捕捉到数据内部的分布模式话，这可能造成训练集的内部方差大于验证集，会造成训练集的误差更大。

训练集的数据做了一系列的增广，如旋转，仿射，模糊，添加噪点等操作；过多的增广使得训练集分布产生了变化。

这时你要重新切分数据集或者扩充数据集，使其分布一样；

2. 模型正则化过多，

比如训练时dropout较大，比如为0.5;
而验证时的模型不会有dropout。

Dropout迫使你的神经网络成为一个非常大的弱分类器集合，这就意味着，一个单独的分类器没有太高的分类准确性，只有当你把他们串在一起的时候他们才会变得更强大。它能基本上确保您的测试准确性最好，优于您的训练准确性。

因为在训练期间，Dropout将这些分类器的随机集合切掉，因此，训练准确率将受到影响
在测试期间，Dropout将自动关闭，并允许使用神经网络中的所有弱分类器，因此，测试精度提高

2.2 欠拟合的解决方式

• 做特征工程，添加更多的特征项，比如特征组合、高次特征，来增大假设空间。如果欠拟合是由于特征项不够，没有足够的信息支持模型做判断；

• 集成学习方法boosting（如GBDT）能有效解决high bias；

• 增加模型复杂度。如果模型太简单，不能够应对复杂的任务。可以使用更复杂的模型。比如说可以使用SVM的核函数，增加了模型复杂度，把低维不可分的数据映射到高维空间，就可以线性可分，减小欠拟合；

• 减小正则化系数。

3. 训练精度很低

当训练集进度很低时，　表明模型没有正确的在学习或者根本没有在学习:

举例讲来

当训练准确率仍然很低（0.25左右）并且测试集混淆矩阵在四元（四类）分类问题中仅显示一列有数据而其他三列为0时，表明深度学习模型没有正确学习或根本没有学习。这可能是由于各种原因：

3.1 模型没有正确学习的原因

1. 数据不足或质量差：用于训练的数据集可能很小、不具代表性或有干扰。深度学习模型需要大量且多样化的数据集才能很好地推广到新数据。

2. 不正确的模型体系结构：所选的模型体系结构可能不适合特定问题，或者可能过于简单，无法捕获数据中的基础模式。

3. 无效的训练过程：训练过程可能不充分，并且模型未经过足够的 epoch 或适当的学习率进行训练。
4. 梯度消失或爆炸：基于梯度的优化方法可能会难以处理梯度消失或爆炸，使模型难以收敛。

5. 数据不平衡：如果一个类主导数据集，则模型可能会发现更容易预测该类并忽略其他类，从而导致低准确性和偏斜的混淆矩阵。
6. 不正确的数据预处理：不正确的数据预处理（例如不正确的规范化或特征缩放）可能会阻碍学习过程。

3.2 可选的解决方案

1. 数据增强：通过应用数据增强技术来增加数据集的有效大小。这有助于创建其他训练示例并改进泛化。

2. 查看模型体系结构：尝试更适合您的问题的不同模型体系结构。如果适用，请考虑使用更深入的模型或迁移学习。

3. 超参数优化：优化超参数，例如学习率、批量大小和正则化参数，以找到适合您的模型的最佳配置。
4. 检查梯度：通过在训练期间检查梯度来检查梯度是否消失或爆炸。如果梯度消失，请尝试使用跳过连接或批量归一化。对于分解梯度，梯度裁剪可能会有所帮助。

5. 类平衡：通过使用过采样、欠采样或在训练期间使用类权重等技术来解决数据不平衡问题，以更加重视少数类。

6.　数据预处理：确保正确完成数据预处理，包括适当的规范化、缩放和处理缺失数据。
7. 检查错误：仔细检查代码是否存在可能影响训练过程的任何潜在错误或错误。

8. 监控训练进度：在训练期间密切关注损失和准确性曲线，以检测任何异常情况。
9. 集成方法：考虑使用打包或增强等集成方法组合多个模型以提高整体性能。

请记住，提高深度学习模型的性能可能是一个迭代过程。它通常涉及尝试不同的方法，以找到最适合您的特定问题的组合。此外，可能需要耐心和计算资源来有效地训练更深入和更复杂的模型。

４. 测试集精度震荡

还有一种情况，　训练集的进度稳步提升到１，但是测试集上的进度却是经常震荡；
测试集上验证精度的振荡可以归因于几个因素：

1. 学习率： 如果学习率太高，模型在优化过程中可能会采取过大的步骤，导致它过度追求最优解，从而导致精度的振荡。试着降低学习率。

2. 批量大小： 如果批次大小太小，模型可能在每一步都从你的数据的一个不太有代表性的样本中学习，导致更多的噪音和验证精度的波动。试着增加批量大小。

3. 模型的复杂性： 如果你的模型太复杂，它可能会对训练数据中的噪声进行过度拟合，导致验证精度的不稳定。试着简化你的模型或增加正则化。

4. 数据问题： 如果你的验证集不能代表你的训练集，模型可能会在它上面表现不一致。确保你的验证集能很好地代表你的训练集。

5. 随机性： 由于训练过程中固有的随机性，验证精度的一些波动是可以预期的。这包括初始权重的随机性、数据顺序的随机性以及优化过程本身的随机性。

请记住，验证精度的一些振荡是正常的，特别是在训练的早期。但是，如果震荡很大或者持续了很多个 epochs，这可能表明训练过程有问题。

５. 小结

在深度学习训练过程中，如果训练集精度不上升，可能有以下原因：

• 学习率设置不当：学习率过低可能导致模型收敛速度过慢，训练精度难以提高；学习率过高可能导致模型无法收敛，训练精度波动。

• 模型复杂度不足：模型容量太小，无法很好地捕捉数据的特征，导致训练精度无法提高。

• 数据质量问题：数据可能存在错误标签、噪声，或者样本分布不均衡，导致训练精度无法提高。

• 优化算法问题：可能需要尝试其他优化算法，如Adam、RMSProp等，以改善训练过程中的收敛速度和效果。

• 模型初始化问题：模型参数的初始化方式可能影响训练过程。可以尝试使用不同的初始化策略，如Xavier或He初始化。

• 训练时间不足：训练时间可能不足以使模型收敛，可以尝试增加训练轮次或者训练时间。

当测试集精度大于训练精度时，可能存在以下原因：

• 训练集和测试集分布不一致：测试集的数据分布可能更简单，导致模型在测试集上的表现更好。

• 训练过程中使用了正则化技术，如Dropout、L1/L2正则化等，这些技术可能使训练精度受到限制，但有助于提高测试集精度。

• 训练集规模较小，模型可能无法充分学习数据特征，从而导致训练精度较低，但在测试集上表现较好。

随机性因素：模型训练和测试时的随机性可能导致测试集精度偶尔高于训练精度，但这种情况通常不会持续。

需要注意的是，测试集精度大于训练精度并不是一个普遍现象，需要仔细检查数据集的质量、模型的结构以及训练过程中的各种参数设置。

今天的文章深度学习时，训练集的精度与测试集精度之间的关系分享到此就结束了，感谢您的阅读。