问题

在机器学习中,L2正则化为什么能够缓过拟合?

回答
在机器学习领域,尤其是在构建模型时,我们都希望能找到一个既能很好地拟合训练数据,又能对未见过的新数据表现出良好泛化能力的模型。然而,在实践中,我们常常会遇到一个令人头疼的问题——过拟合 (Overfitting)。当一个模型对训练数据“过度”学习,以至于记住了训练数据中的噪声和细节,导致在新的、未见过的数据上表现很差时,我们就称之为过拟合。

这时候,L2正则化 (L2 Regularization) 就成为了我们对抗过拟合的得力助手。那么,L2正则化究竟是怎么做到的呢?让我们来好好梳理一下。

L2正则化的本质:限制模型“复杂性”

要理解L2正则化如何防止过拟合,我们首先要明白什么是“模型复杂性”。在很多机器学习模型中,尤其是线性模型(比如线性回归、逻辑回归)和神经网络,模型的复杂性很大程度上体现在其权重 (weights) 的大小上。

试想一下,一个模型如果拥有非常大的权重,那么输入数据的微小变化就可能导致输出的巨大波动。这就像一个对外界信号反应过于敏感的系统,很容易捕捉到训练数据中的细微“噪音”,从而导致模型变得“过于特立独行”,不具备良好的泛化能力。

L2正则化的核心思想,就是通过在模型的损失函数 (loss function) 中加入一个惩罚项,来限制模型权重的大小。它并不是直接说“你的权重不能超过某个值”,而是通过增加一个“代价”,让模型在追求最小化原始损失的同时,也尽量保持权重的小巧。

L2正则化的数学表达

让我们来看一下L2正则化的具体形式。假设我们有一个模型,它的原始损失函数是 $J_0( heta)$,其中 $ heta$ 代表模型的参数向量(也就是所有的权重和偏置)。

L2正则化会给这个损失函数增加一个惩罚项:

$$J( heta) = J_0( heta) + lambda sum_{i=1}^n heta_i^2$$

这里:

$J( heta)$ 是带有L2正则化的总损失函数。
$J_0( heta)$ 是模型的原始损失函数,比如均方误差 (MSE) 或交叉熵 (CrossEntropy)。
$lambda$ (lambda) 是一个正则化系数 (regularization parameter),这是一个超参数 (hyperparameter),需要我们手动调整。它的作用是控制正则化项对总损失函数的影响程度。
如果 $lambda$ 很小,那么正则化项的惩罚作用就比较弱,模型更倾向于拟合原始损失。
如果 $lambda$ 很大,那么正则化项的惩罚作用就非常强,模型会被迫将权重推向零,这可能会导致欠拟合 (Underfitting),即模型连训练数据都拟合不好。
$sum_{i=1}^n heta_i^2$ 是模型所有权重(这里我们假设 $ heta_0$ 是偏置项,通常不加入正则化,或者根据具体情况决定是否包含)的平方和。有时候也称为“L2范数 (L2 norm)”的平方。

L2正则化如何“拽住”权重不让它们“飞”?

有了这个数学表达,我们就能更清晰地理解L2正则化的作用了。

1. 优化过程中的“心理博弈”: 在训练模型时,我们的目标是找到一组参数 $ heta$ 来最小化总损失函数 $J( heta)$。L2正则化通过在损失函数中加入了 $lambda sum heta_i^2$ 这一项,就引入了一种“权衡”。
如果模型想通过增大某个权重 $ heta_i$ 来大幅度降低原始损失 $J_0( heta)$(例如,去拟合训练数据中的一个特定的、可能是噪声的点),那么它就需要付出“代价”—— $ heta_i^2$ 也会随之增大,从而增加总损失 $J( heta)$。
为了最小化总损失,优化器(比如梯度下降)在更新权重时,就会同时考虑降低 $J_0( heta)$ 和降低 $sum heta_i^2$。这就形成了一种“拉扯”:一方面要减少预测误差,另一方面又要防止权重变得过大。

2. “权重衰减” (Weight Decay): 很多人也把L2正则化称为“权重衰减”。这是因为在很多优化算法(如梯度下降)的更新步骤中,L2正则化会以一种比例的方式减小权重。

让我们看看梯度下降更新权重的过程(简化版,忽略学习率):

$$ heta_{new} = heta_{old} abla_{ heta} J( heta)$$

将 $J( heta) = J_0( heta) + lambda sum heta_i^2$ 代入:

$$ heta_{new} = heta_{old} abla_{ heta} J_0( heta) abla_{ heta} (lambda sum heta_i^2)$$

计算正则化项的梯度:

$$ abla_{ heta} (lambda sum heta_i^2) = lambda cdot (2 heta_1, 2 heta_2, ..., 2 heta_n)$$

所以,更新规则会变成:

$$ heta_{new} = heta_{old} abla_{ heta} J_0( heta) 2lambda heta_{old}$$

我们可以把这项 $2lambda heta_{old}$ 看作是在更新时,将权重 $ heta_{old}$ “乘以”一个小于1的系数 $(1 2lambda)$(如果学习率也考虑进去,效果会更明显)。也就是说,在每次更新时,权重都会被按比例缩小,直到它足够小,以至于减小它带来的损失增加,比减小它带来的正则化损失减少要更“划算”。

这个“衰减”的过程,就是L2正则化“拽住”权重,不让它们随意“膨胀”的关键机制。

3. 使模型“平滑”: 拥有大权重的模型,其决策边界往往会非常“陡峭”和“曲折”,对输入的细微变化非常敏感。而L2正则化通过限制权重的大小,促使模型学习到更平滑的决策边界。

想象一下,如果一个模型拥有许多小的权重,那么即使输入变化很大,输出的变化也会相对平缓。这种“平滑性”使得模型不会因为训练数据中的偶然波动而产生剧烈的行为,从而提高了它在新数据上的预测稳定性。

可以这样理解:L2正则化鼓励模型将“预测能力”分散到更多的特征上,而不是过度依赖少数几个特征(通常是由大权重所代表的)。如果某个特征确实很重要,它的权重可能仍然会相对较大,但不会像没有正则化时那样“支配”整个模型。

为什么是平方和?

你可能会好奇,为什么L2正则化用的是权重的平方和,而不是其他形式,比如绝对值和(那是L1正则化)?

数学上的便利性: 权重的平方和在数学上是可微的,这意味着我们可以方便地计算其梯度,并将其应用于各种基于梯度的优化算法。如果使用绝对值和(L1),它在权重为零的时候不可微,需要特殊处理。
对大权重惩罚更大: 平方运算会放大较大的值。这意味着L2正则化对大的权重惩罚得更为厉害。它“不喜欢”有少数几个非常大的权重,而更倾向于多个适中甚至小的权重。这有助于将模型的能力“分散”开。
结果的平滑性: 如前所述,平方项使得模型倾向于学习更平滑的函数,这与防止过拟合的目标是一致的。

L2正则化和过拟合的关系总结

概括来说,L2正则化之所以能缓解过拟合,是因为它:

引入了权衡: 在优化过程中,模型需要在“拟合训练数据”和“保持权重较小”之间找到一个平衡点。
实施“权重衰减”: 在模型训练的每一步,权重都会被按比例缩小,防止它们变得过大。
鼓励模型“平滑”: 限制大权重使得模型的决策边界更平滑,对输入噪声的鲁棒性更强。
分散模型“注意力”: 促使模型利用更多的特征,而不是过度依赖少数几个特征。

通过这些机制,L2正则化有效地“驯服”了那些容易变得过于“个性化”的模型,使其在面对新的、未知的挑战时,能够展现出更稳定、更可靠的表现。

当然,选择合适的 $lambda$ 值至关重要。过大或过小的 $lambda$ 都可能导致模型性能下降,所以通常需要通过交叉验证等方法来寻找最佳的正则化强度。

网友意见

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这是个挺有意思的问题,这里给几个常见的不同角度的解释。

1. 直观解释

看一下下面两张图像,分别是

和 的图像,

有什么发现?它们拟合了相同的零点,而我们仅仅对所有的参数进行了缩放,图像变得更光滑了!

所以说,我们在目标函数加入一个正则项,其实做了一个Penalty,能够防止参数在数值上过大,使得函数非常尖锐,造成过拟合。

2. 从优化角度:

岭回归:

可以改写成:

下面这个形式是凸优化问题,可以找到拉格朗日乘子 变成第一种形式。

所以说,我们优化岭回归的目标函数,可以找到对应的约束线性回归优化问题,我们对 假设空间直接做了约束,使它仅仅在一个以原点为圆心的球内取值,它的假设空间显然缩小了,因此模型的复杂度也降低了。

3. 从贝叶斯估计的角度:

考虑带高斯先验分布 的极大似然估计:

其中 是对应的一个常数。考虑一个线性回归问题,我们可以把 换成 ,代入去掉常数项,我们又得到了一个岭回归问题。(LASSO可以通过Laplacian分布得到,也能从侧面反应稀疏性。)

这里其实没有解释为什么能够缓解过拟合,但是因为我们人工引入了Prior,其实体现了一种Inductive Bias,也就是参数的分布应该是集中在数值较小的均值附近。也就是说,更接近均值0的参数应该可以得到更好的泛化能力。不过,跟贝叶斯学派长久以来的问题一样,为什么高斯先验好?经验告诉我们的…

4. 正则项作为稳定剂:

《Understanding ML》给了另一个视角,我们可以证明,在加入正则项后,当目标函数是凸且Lipschitz的时候,我们替换数据集的一个样本不会造成泛化性能变化过大,泛化性能优良就是防止过拟合的目标。当目标函数平滑非负的时候也有类似的结论。有这样严谨的理论结果,我们就更能确定正则可以防止过拟合。

当然,跟另一个哥们儿的答案对应起来了,我也套用一下:模型对于微小扰动的反馈差异大实际就是一个过拟合的表现。

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