分类模型的评价及比较

当我们得到数据模型后，该如何评价模型的优劣呢？之前看到过这样一句话：“尽管这些模型都是错误的，但是有的模型是有用的”，想想这句话也是挺有道理的！评价和比较分类模型时，关注的是其泛化能力，因此不能仅关注模型在某个验证集上的表现。事实上，如果有足够多的样本作为验证集来测试模型的表现是再好不过的，但即使是这样也存在一个难点，比如难界定多大的样本才能足够表现出模型的泛化能力。因此，一般的做法是借助统计学的方法，评估模型在某个验证集分类表现的显著性。

评价及比较分类模型的过程，涉及到三个问题，一个是如何获取验证集，另一个是用什么度量指标表示分类表现，最后一个则是如何评估分类表现的显著性。

1. 验证集获取

数据样本的数量总是有限的，这就导致在选择训练集和验证集时出现了诸多方法，常用的方法有留出法、交叉验证法、bootstrap方法，下面分别介绍。

1.1 留出法

留出法一般用在样本数据量较大的情况。在使用留出法时，将样本数据 $D$ 分为两部分，一部分为训练集 $S$ ，另一部分为验证集 $T$ ，训练集 $S$ 用来生成模型，验证集 $T$ 用来评估其测试误差，将其作为对泛化误差的估计，这个思路比较简单，但是数据集 $D$ 的划分过程需要注意两点： $S$ 与 $T$ 的划分比例、 $S$ 与 $T$ 中样本的抽样方式。

$S$ 与 $T$ 的划分比例偏大时，由于 $T$ 中数据样本量及包含的样本信息较少（糟糕的情况是其中还包含了较多噪声，这或许直接导致非常离谱的评估结果），因此其评估结果可能不够准确。即使 $T$ 中包含了比较准确的样本信息，在换一个同等数量新的验证集时，可能包含的信息就不那么准确，评估结果也可能会有较大差别，故其评估结果不稳定； $S$ 与 $T$ 的划分比例偏小时，由于训练数据包含较少的样本信息，这样得到的模型本身就不可取，这种情况比“ $S$ 与 $T$ 的划分比例偏大”更糟糕，之后用 $T$ 得到的评估结果，已经是失真的了。那该如何选取训练集 $S$ 与验证集 $T$ 的划分比例呢？一般选用样本数据集 $D$ 的2/3~4/5用来训练模型，剩余数据用来测试，验证集 $T$ 应至少包含30个样本。

选择合适的划分比例后，还有 $C^{k}_{n}$ （在 $n$ 个样本中选取 $k$ 个）的问题，因为此时样本选择仍有多种情况，单次使用留出法得到的评估结果往往不够可靠，一般采用多次随机划分、取评估结果的平均值的方式得到最终的评估结果。

1.2 交叉验证法

交叉验证法中，将样本数据集 $D$ 均分为 $k$ 等份（注意，这个均分过程仍然要考虑1.1节中提到的信息均匀问题），前 $k-1$ 份作为训练集，剩余一份作为测试集，得到测试结果。由于测试集的选择方式有 $k$ 种，因此在数据集 $D$ 的一次划分过程中可以得到 $k$ 个测试结果，将这 $k$ 个测试结果的平均值返回作为最终结果，这个过程通常称为“ $k$ 折交叉验证”。当 $k$ =10时，交叉验证的过程示意图如下

在交叉验证过程中，在确定样本数据集 $D$ 划分份数 $k$ 时需要考虑1.1节中提到的训练集与测试集比例问题，除此之外，从数据集 $D$ 中抽样得到每份数据时同样存在 $C^{k}_{n}$ 问题，因此一般也会进行多次随机抽样（抽样次数为 $p$ ）,这样在使用交叉验证法时一共会进行 $k\times p$ 次测试，最终的评估结果是这 $p$ 次 $k$ 折交叉验证的结果的平均。

分析交叉验证法和留出法的过程来看，本质上是一样的。 $k$ 折交叉验证的过程可以视作 $k$ 次留出法的过程，不过要求在这 $k$ 次留出时，留出的数据间不能有重和，并且 $k$ 次留出的数据并起来就是样本数据集 $D$ 。

1.3 bootstrap方法

留出法和交叉验证法都在数据样本中单独划分出了验证集，这样在模型训练时并没有使用全部的样本数据，这在样本数据量充足时并不会产生多大问题，但是在样本数据量较小时可能会导致模型包含信息不充分，产生估计偏差，在这种情况下，bootstrap方法可能是一个比较好的选择。

在实施bootstrap方法时，为了得到训练集 $S$ （包含 $k$ 个样本），每次从样本数据集 $D$ 中随机抽样一个样本放入训练集 $S$ 中，然后将该抽取的样本放回 $D$ 中重新进行抽样，重复该过程 $k$ 次后就得到训练集 $S$ ，然后将数据集 $D$ 中除去训练集 $S$ 后剩下的数据作为验证集，得到测试结果。重复进行多次这样的过程，将所有结果的平均值作为最终结果。

很明显，在bootstrap方法中抽样得到训练集 $S$ 的过程十分关键，抽样过程改变了训练集 $S$ 及验证集 $T$ 的分布，这很有可能带来估计偏差，因此在样本数据量充足时，还是选取前两种方法比较合适。

以上三种获取训练集、验证集的方法，都涉及到样本抽样的问题，抽样过程中也是有许多问题需要注意的，这里我不再多说明，可以参考我转载的博文《统计学中抽样调查和一些常用的方法》中的方法进行抽样。

2. 度量指标选择

在不同的任务中，应该选择合适的性能指标来衡量模型的优劣。在预测任务中，给定样本集 $D=\left \{ (x_{1},y_{1}),(x_{2},y_{2}),,,(x_{n},y_{n}) \right \}$ ， $y_{i}$ 是 $x_{i}$ 的真实标记，评估模型 $f$ 的性能就是要比较 $x_{i}$ 的预测结果与真实标记 $y_{i}$ 之间的差异。

2.1 错误率与精度

错误率及精度是分类任务中最常用的性能指标，适合于二分类及多分类任务，其定义也比较简单，错误率 $E$ 指错误分类的样本数占总样本数的比例，精度则为1- $E$ 。

2.2 查准率、查全率

在一些场合下，错误率及精度不足以衡量模型的性能，我们还关心查准率和查全率。比如在建立疾病预测模型时，需要依据人的体温、呼吸等条件预测其是否患有某种疾病，那么我们可能更关心这个模型的查准率，将真正患有疾病的人都预测出来，而不是简单的知道精度是多少，因为这存在健康被诊为患病、患病诊为健康的情况。对于二分类问题，先简单定义一下查准率与查全率

查准率 $P$ ：在所有被标为“正例”的样本中，真正为“正例”的样本比例

查全率 $R$ ：在所有真正为“正例”的样本，被标记为“正例”的样本比例

建立分类结果的混淆矩阵

查准率 $P$ 与查全率 $R$ 的计算公式为

$P=\frac{TP}{TP+FP}$

$R=\frac{TP}{TP+NP}$

然而查准率和查全率是一对矛盾的度量，对于很多模型来说二者很难同时达到完美，在对比模型的时候会出现一方查准率高而另一方查全率高的情况，此时该如何抉择呢？在实际应用中一般使用度量指标 $F1$ ,它是基于查准率 $P$ 与查全率 $R$ 计算出来的，其定义如下

$F1=\frac{2\times P\times R}{P+R}=\frac{2\times TP}{N+TP-TN}$ (1)

$N$ 为样例总数

在一些分类任务中，对查准率与查全率的侧重会有所不同。在商品推荐领域中，会侧重查准率以减少不准确信息对用户的干扰，而在逃犯信息检索领域，会侧重查全率一些，避免有漏网之鱼，为此有了 $F1$ 的改进形式—— $F_{\beta }$ ，其定义形式为

$\frac{1}{F_{\beta }}=\frac{1}{1+\beta ^{2}}(\frac{1}{P}+\frac{\beta ^{2}}{R})$ (2)

$F_{\beta}=\frac{(1+\beta ^{2})\times P\times R}{\beta ^{2}\times P+R}$ (3)

从公式(2)容易看出，当 $\beta >1$ 时，查全率R的变换对 $F_{\beta }$ 的影响较大，此时更侧重查全率；当 $\beta <1$ 时，查全率R的变换对 $F_{\beta }$ 的影响较小，查准率影响相对较大，此时更侧重查准率；当 $\beta =1$ 时，也就没有权重，变成了 $F1$ 的形式。正如第1节中提到的，实际测试过程一般会有多次，此时可以计算多次测试的查准率、查全率结果，然后取其平均值代入公式(1)和公式(3)中计算。

在多分类任务中，假设分类数为 $k$ ，那么我们得到一个 $k\times k$ 的混淆矩阵， $n_{ij} (1\leqslant i,j\leqslant k)$ 表示第 $i$ 类样本被预测为第 $j$ 类的数量，多分类的混淆矩阵如下所示

第 $i$ 类的查准率 $P_{i}$ 为

$P_{i}=\frac{n_{ii}}{\sum_{m=1}^{k}n_{mi}}$

第i类查全率 $R_{i}$ 为

$R_{i}=\frac{n_{ii}}{\sum_{m=1}^{k}n_{im}}$

那么对于整个模型来说，其查准率与查全率该如何定义呢？我还没有查到相关比较权威的定义，先提一点个人的想法，如果对每一类的分类查准率与查全率没有权重的话，可以各类的查准率与查全率相加，然后计算平均值，再代入公式(1)和公式(3)中计算；如果有权重的话，则将各类的查准率与查全率加以相应权重，然后计算平均值，再代入公式(1)和公式(3)中计算，注意这种情况下会有两次加权，一次是对不同类的加权，一次是对查准率与查全率的加权。

3. 模型评价

现在考虑这样一个问题，假设一个分类模型在大小为30的验证集上分类准确率为85%，能否说这个模型的分类正确率就是85%？再来一个大小为100的验证集，是否一定有约85个左右的样本能被正确分类呢？应该说不是这样的，对于这种情况，我们需要计算该模型分类准确率的置信区间，这是评估该模型的比较准确的做法。

一个样本的分类过程可以视为一次概率为 $p$ 的伯努利过程，其中 $p$ 为模型真实的分类正确率，那么一个样本集的分类则可以看作概率为 $p$ 的二项分布实验，期望为 $Np$ ，方差为 $Np(1-p)$ 。设 $X$ 是在一次测试过程中、样本中被正确分类的个数， $acc=X/N$ 表示本次的分类正确率，则依据中心极限定理可知，当样本数量 $N$ 足够大时，则以下统计量

$\frac{acc-p}{\sqrt{p(1-p)/N}}$

服从标准正态分布，在选定置信度 $\alpha$ 后，可以计算 $acc$ 的置信区间为

$P\left [ -Z_{\alpha /2}\leq \frac{acc-p}{\sqrt{p(1-p)/N}}\leq Z_{\alpha /2} \right ]=1-\alpha$

即

$(\frac{acc-p}{\sqrt{p(1-p)/N}})^{2}\leq Z_{\alpha /2}^{2}$

将其转化为等式、利用一元二次多项式根的公式

$x=\frac{-b\pm \sqrt{b^{2}-4ac}}{2a}$

求解，得到p的置信区间为

$\frac{2\times N\times acc+Z^{2}_{\alpha /2}\pm Z_{\alpha /2}\sqrt{Z^{2}_{\alpha /2}+4\times N\times acc-4\times N\times acc^{2}}}{2(N+Z^{2}_{\alpha /2})}$

例如，现有一个分类模型在100个样本上有80%的正确率，则其在95%的置信水平下，真实准确率的置信区间为多少？首先查阅标准正态分布概率表，95%的置信度对应的 $Z_{\alpha /2}^{2}$ 为1.96，将 $N=100$ ， $acc=0.8$ 代入到上式中，计算得到置信区间为 $\left [ 0.711,0.866 \right ]$ 。

4. 模型比较

现在考虑这样一个问题，分类模型1在100个样本上的正确率为85%，分类模型2在5000个样本上的正确率为75%，那么模型1的真实分类准确率一定比模型2高吗？我们还是从模型分类正确率的显著性上出发来比较二者。

依据中心极限定理可知，但样本数量足够大时，模型1和模型2上样本分类正确率的分布是两个相互独立的正态分布，模型1上分类正确率 $acc_{1}\sim N(u_{1},\alpha^{2} _{1})$ ，模型上2分类正确率 $acc_{2}\sim N(u_{2},\alpha^{2} _{2})$ ，为了比较模型1与模型2的分类正确率的差异，现在建立二者正确率观测差统计量

$d=acc_{1}-acc_{2}$

依据中心极限定理，统计量 $d$ 也服从正态分布 $N(u_{d},\sigma ^{2}_{d})$ ，其均值 $u_{d}$ 为

$u_{d}=u_{1}-u_{2}$

方差 $\sigma _{d}^{2}$ 可以估计为

$\sigma _{u}^{2}=\frac{u_{1}(1-u_{1})}{n_{1}}+\frac{u_{2}(1-u_{2})}{n_{2}}$

这样可以计算 $u_{d}$ 在置信度 $1-\alpha$ 下的置信区间

$u_{d}=d\pm Z_{\alpha /2}\alpha _{d}$

一旦计算出的置信区间你跨过了零值，表示在选定的置信度下，观测的正确率差值可能为负，也即是我们不能认为模型1比模型2的真实分类正确率更高。

在实际应用中，更常见的可能是这样一种比较情况：在一个样本集上采用 $k$ 交叉验证法去比较两个模型的分类效果。对与模型1和模型2，我们还是构建一个和上面一样计算 $d=acc_{1}-acc_{2}$ ，那么在 $k$ 次交叉实验中，我们可以观测到 $k$ 个 $d$ 值，此时可以构建一个双样本的 $t$ 统计量

$t_{d}=\frac{\bar{d}}{S_{d}}=\frac{\bar{acc_{1}}-\bar{acc_{2}}}{S_{acc_{1}-acc_{2}}}$

其中 $\bar{d}$ 表示在 $k$ 次交叉实验中观测到的 $d$ 的平均值， $S_{d}$ 表示 $d$ 的标准差， $\bar{acc_{1}}$ 表示 $acc_{1}$ 的平均值， $\bar{acc_{2}}$ 表示 $acc_{2}$ 的平均值。在 $k$ 足够大时，可以用 $d$ 的标准差除以 $\sqrt{k}$ 来估计 $S_{d}$ 的，也即是

$S_{d}=\sqrt{ \frac{ \sum_{i=1}^{k}(d_{i}-\bar{d})^{2} }{k(k-1)} }$

在置信度为 $\alpha$ 时，可以算得 $d$ 的置信区间为

$d\pm t_{(1-\alpha ),k-1}S_{d}$

同样的，若计算得到的置信区间跨过零值，则表明不能认为模型1比模型2更优。