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Why ML Strategy
当我们最初得到一个深度神经网络模型时，我们可能希望从很多方面来对它进行优化，例如：
- Collect more data
- Collect more diverse training set
- Train algorithm longer with gradient descent
- Try Adam instead of gradient descent
- Try bigger network
- Try smaller network
- Try dropout
- Add L2 regularization
- Network architecture: Activation functions, #hidden units…
可选择的方法很多，也很复杂、繁琐。盲目选择、尝试不仅耗费时间而且可能收效甚微。因此，使用快速、有效的策略来优化机器学习模型是非常必要的。
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Orthogonalization
机器学习中有许多参数、超参数需要调试。通过每次只调试一个参数，保持其它参数不变，而得到的模型某一性能改变是一种最常用的调参策略，我们称之为正交化方法（Orthogonalization）。
Orthogonalization的核心在于每次调试一个参数只会影响模型的某一个性能。例如老式电视机旋钮，每个旋钮就对应一个功能，调整旋钮会调整对应的功能，而不会影响其它功能。也就是说彼此旋钮之间是互不影响的，是正交的，这也是Orthogonalization名称的由来。这种方法能够让我们更快更有效地进行机器学习模型的调试和优化。
对应到机器学习监督式学习模型中，可以大致分成四个独立的“功能”，每个“功能”对应一些可调节的唯一的旋钮。四个“功能”如下：
- Fit training set well on cost function
- Fit dev set well on cost function
- Fit test set well on cost function
- Performs well in real world
其中，第一条优化训练集可以通过使用更复杂NN，使用Adam等优化算法来实现；第二条优化验证集可以通过正则化，采用更多训练样本来实现；第三条优化测试集可以通过使用更多的验证集样本来实现；第四条提升实际应用模型可以通过更换验证集，使用新的cost function来实现。概括来说，每一种“功能”对应不同的调节方法。而这些调节方法（旋钮）只会对应一个“功能”，是正交的。
顺便提一下，early stopping在模型功能调试中并不推荐使用。因为early stopping在提升验证集性能的同时降低了训练集的性能。也就是说early stopping同时影响两个“功能”，不具有独立性、正交性。
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Single Number Evaluation Metric
构建、优化机器学习模型时，单值评价指标非常必要。有了量化的单值评价指标后，我们就能根据这一指标比较不同超参数对应的模型的优劣，从而选择最优的那个模型。
举个例子，比如有A和B两个模型，它们的准确率（Precision）和召回率（Recall）分别如下：
如果只看Precision的话，B模型更好。如果只看Recall的话，A模型更好。实际应用中，我们通常使用单值评价指标F1 Score来评价模型的好坏。F1 Score综合了Precision和Recall的大小，计算方法如下：
然后得到了A和B模型各自的F1 Score：
从F1 Score来看，A模型比B模型更好一些。通过引入单值评价指标F1 Score，很方便对不同模型进行比较。
除了F1 Score之外，我们还可以使用平均值作为单值评价指标来对模型进行评估。如下图所示，A, B, C, D, E, F六个模型对不同国家样本的错误率不同，可以计算其平均性能，然后选择平均错误率最小的那个模型（C模型）。
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Satisficing and Optimizing Metic
有时候，要把所有的性能指标都综合在一起，构成单值评价指标是比较困难的。解决办法是，我们可以把某些性能作为优化指标（Optimizing metic），寻求最优化值；而某些性能作为满意指标（Satisficing metic），只要满足阈值就行了。
举个猫类识别的例子，有A，B，C三个模型，各个模型的Accuracy和Running time如下表中所示：
Accuracy和Running time这两个性能不太合适综合成单值评价指标。因此，我们可以将Accuracy作为优化指标（Optimizing metic），将Running time作为满意指标（Satisficing metic）。也就是说，给Running time设定一个阈值，在其满足阈值的情况下，选择Accuracy最大的模型。如果设定Running time必须在100ms以内，那么很明显，模型C不满足阈值条件，首先剔除；模型B相比较模型A而言，Accuracy更高，性能更好。
概括来说，性能指标（Optimizing metic）是需要优化的，越优越好；而满意指标（Satisficing metic）只要满足设定的阈值就好了。
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Train/Dev/Test Distributions
Train/dev/test sets如何设置对机器学习的模型训练非常重要，合理设置能够大大提高模型训练效率和模型质量。
原则上应该尽量保证dev sets和test sets来源于同一分布且都反映了实际样本的情况。如果dev sets和test sets不来自同一分布，那么我们从dev sets上选择的“最佳”模型往往不能够在test sets上表现得很好。这就好比我们在dev sets上找到最接近一个靶的靶心的箭，但是我们test sets提供的靶心却远远偏离dev sets上的靶心，结果这支肯定无法射中test sets上的靶心位置。
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Size of The Dev and Test Sets
在之前的课程中我们已经介绍过，当样本数量不多（小于一万）的时候，通常将Train/dev/test sets的比例设为60%/20%/20%，在没有dev sets的情况下，Train/test sets的比例设为70%/30%。当样本数量很大（百万级别）的时候，通常将相应的比例设为98%/1%/1%或者99%/1%。
对于dev sets数量的设置，应该遵循的准则是通过dev sets能够检测不同算法或模型的区别，以便选择出更好的模型。
对于test sets数量的设置，应该遵循的准则是通过test sets能够反映出模型在实际中的表现。
实际应用中，可能只有train/dev sets，而没有test sets。这种情况也是允许的，只要算法模型没有对dev sets过拟合。但是，条件允许的话，最好是有test sets，实现无偏估计。
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When to Change Dev/Test Sets and Metrics
算法模型的评价标准有时候需要根据实际情况进行动态调整，目的是让算法模型在实际应用中有更好的效果。
举个猫类识别的例子。初始的评价标准是错误率，算法A错误率为3%，算法B错误率为5%。显然，A更好一些。但是，实际使用时发现算法A会通过一些色情图片，但是B没有出现这种情况。从用户的角度来说，他们可能更倾向选择B模型，虽然B的错误率高一些。这时候，我们就需要改变之前单纯只是使用错误率作为评价标准，而考虑新的情况进行改变。例如增加色情图片的权重，增加其代价。
原来的cost function：
更改评价标准后的cost function：
概括来说，机器学习可分为两个过程：
- Define a metric to eval（predicting transit time)
- Loan approvals
实际上，机器学习模型超过human-level performance是比较困难的。但是只要提供足够多的样本数据，训练复杂的神经网络，模型预测准确性会大大提高，很有可能接近甚至超过human-level performance。值得一提的是当算法模型的表现超过human-level performance时，很难再通过人的直觉来解决如何继续提高算法模型性能的问题。
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Improving Your Model Performance
提高机器学习模型性能主要要解决两个问题：avoidable bias和variance。我们之前介绍过，training error与human-level error之间的差值反映的是avoidable bias，dev error与training error之间的差值反映的是variance。
解决avoidable bias的常用方法包括：
- Train bigger model
- Train longer/better optimization algorithms: momentum, RMSprop, Adam
- NN architecture/hyperparameters search
解决variance的常用方法包括：
- More data
- Regularization: L2, dropout, data augmentation
- NN architecture/hyperparameters search
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