21 交叉验证与调优

在上一节中，我们讨论了超参数调优中的随机搜索方法。随机搜索为我们提供了一种相对高效的方式来搜索超参数空间，但在实际应用中，我们可能还需要进一步评估模型的性能，以确保找到的超参数组合是最佳的。这就引入了交叉验证（Cross-Validation）的概念，它可以帮助我们更准确地评估模型的表现。

交叉验证的基本概念

交叉验证是用于评估机器学习模型性能的一种技术，它将训练集划分为多个小子集，以便进行多次训练和验证。最常用的交叉验证方法是K折交叉验证（K-Fold Cross-Validation），其基本步骤如下：

1. 将训练数据划分为K个相同大小的子集（折）。
2. 每次使用K-1个子集进行训练，使用剩下的一个子集进行验证。
3. 重复K次，每次使用不同的子集进行验证。
4. 最终的模型性能是K次验证结果的平均值。

通过这种方式，我们可以更好地评估模型对未见数据的预测能力，降低过拟合的风险。

K折交叉验证的实现

接下来，我们将通过一个具体的例子来展示如何在Scikit-Learn中实现K折交叉验证。我们将利用KNeighborsClassifier进行分类任务，并使用KFold函数来执行交叉验证。

示例代码

import numpy as np
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import KFold, cross_val_score
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

# 加载数据集
iris = load_iris()
X, y = iris.data, iris.target

# 构建模型
model = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)

# 设置K折交叉验证
kf = KFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=42)

# 进行交叉验证
scores = cross_val_score(model, X, y, cv=kf)

# 输出结果
print("交叉验证得分:", scores)
print("平均准确率:", np.mean(scores))

代码解析

1. 我们首先加载了Iris数据集，并准备好特征矩阵X和目标变量y。
2. 创建了一个KNeighborsClassifier模型，并设定k=3。
3. 使用KFold将数据划分为5个折，并设置随机种子以确保每次划分的可重复性。
4. 用cross_val_score函数执行交叉验证，并得到每折的得分。
5. 输出每折的得分和平均准确率，以评估模型的表现。

超参数调优与交叉验证的结合

在结合超参数调优时，我们可以使用GridSearchCV或RandomizedSearchCV，这两者均内置了交叉验证的功能。这样，在搜索超参数时，模型的评估将更加稳健，能够更有效地找到最佳参数。

示例代码

我们将使用GridSearchCV来展示如何结合超参数调优与交叉验证：

from sklearn.model_selection import GridSearchCV

# 定义参数网格
param_grid = {'n_neighbors': np.arange(1, 15)}

# 使用GridSearchCV进行调优
grid_search = GridSearchCV(KNeighborsClassifier(), param_grid, cv=kf)
grid_search.fit(X, y)

# 输出最佳参数和最佳得分
print("最佳参数:", grid_search.best_params_)
print("最佳交叉验证得分:", grid_search.best_score_)

代码解析

1. 定义了一个参数网格，指定n_neighbors的取值范围。
2. 创建了一个GridSearchCV对象，其中指定了模型、参数网格及交叉验证方式。
3. 调用fit方法进行调优，寻找最佳超参数组合。
4. 最后输出最佳参数及其对应的交叉验证得分。

总结

在本节中，我们深入探讨了交叉验证及其在超参数调优中的应用。通过结合K折交叉验证与超参数调优，我们能够更为全面地评估模型的性能并找到最优的超参数配置。这种方法不仅可以提高模型的泛化能力，还能有效地避免过拟合，为后续的应用案例打下良好的基础。

在下一篇文章中，我们将进入一个实际应用案例，讨论如何使用模型进行房价预测。