【机器学习300问】76、早停法（Early Stopping）是如何防止过拟合的？

        本文带大家介绍一个非常简单的防止过拟合的方法——早停（Early Stopping），首先给出概念，然后通过损失图像来加深对它的理解。

一、早停是什么呀？

        早停（Early Stopping）是一种常用的深度学习模型训练策略，旨在防止模型在训练过程中过拟合训练数据，提高其泛化能力。

        早停的核心原理：当模型在验证集上的性能开始下降之前停止训练。

 二、验证集上的损失函数随迭代轮次变化的图像

        早停法通过在训练过程中监控某个验证指标，并在该指标停止改善或开始恶化时提前终止训练过程，从而避免不必要的计算资源消耗和潜在的过拟合风险。

        而这个监控指标通常是验证集上的损失函数，它反映了模型在未见过的数据上的表现，与仅关注训练集损失相比，更能反映模型的泛化能力。在每个训练周期（多个epoch）结束后，计算选定的验证指标。记录下每次迭代后的指标值画出图像如下。

        上面这个图收敛的非常好，是一个低偏差、低方差的好模型。然而事实上很多情况下，我们得到的模型是下面这种情况：

        上图中，验证集上的损失函数值在迭代轮次到达200轮的时候就已经出现了最低点，往后模型的损失反而上升了，这就出现了过拟合现象。

三、早停法的具体实现细节

（1）设置触发早停条件

        通常触发条件是基于验证指标的变化趋势，常见的触发条件包括：

• 最优值法：当验证集损失在连续若干次迭代（如连续10个epoch）内都没有达到新的最低值时，认为模型可能已经进入过拟合阶段，触发早停。即：“当发现损失函数曲线不再下降时停止”。
• 阈值法：当验证集损失相对于其最小值的增大幅度超过预设阈值时，停止训练。即：“当发现损失函数曲线开始抬升时停止”。

  （2）设置耐心参数

          如果你采取的触发条件是最优值法，那么判断损失函数不再下降需要一个标准（比如连续10个epoch不变），这就是“耐心（patience）”参数，当连续未见改善的epoch数达到“耐心”值时，早停生效。

  （3）恢复学习

          可以设置一个“冷却期”参数（cool-down period），在连续未见改善的epoch数达到“耐心”的一部分时，暂时降低学习率以尝试恢复模型的学习能力，然后再决定是否继续早停。比如我设置的耐心值是10轮，当达到第5轮的时候尝试降低学习率。

  四、早停法的优点与缺点

  （1）优点

          节约计算资源，防止过拟合，无需人为设定固定训练轮数可以做到自动停止。

  （2）缺点

  1. 依赖验证集：早停法的有效性高度依赖验证集的质量和代表性。如果验证集不能很好的代表整个数据分布，那么就会导致过早或过完停止训练。
  2. 可能导致欠拟合：如果早停触发过早，此时模型尚未充分学习到数据的复杂模式导致欠拟合。
  3. 对噪声敏感：验证集损失函数曲线的短期波动可能触发早停，尤其是在数据分布不均匀或样本数量较小的情况下。不过可以通过设置“耐心”参数来适当增强对噪声的干扰，以减少随机性的影响。

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