К содержимому

L2-регуляризация: штраф за размер параметров

Как в учебнике

Пусть есть $n\ge1$ объектов $x_i\in\mathbb R^d$ с числовыми ответами $y_i$. Линейная модель $f_\theta(x)=\theta^{\mathsf T}x$ имеет параметры $\theta\in\mathbb R^d$. При фиксированном $\lambda>0$ квадратичная L2-регуляризация добавляет к средней квадратичной ошибке штраф $\lambda\|\theta\|_2^2$.

$$\theta^*\in\operatorname*{argmin}_{\theta\in\mathbb R^d}\left[\frac1n\sum_{i=1}^n(\theta^{\mathsf T}x_i-y_i)^2+\lambda\|\theta\|_2^2\right].$$

Первое слагаемое оценивает совпадение предсказаний с данными, второе увеличивает цель при больших параметрах. Коэффициент λ регулирует вес штрафа и считается фиксированным внутри этой задачи оптимизации. Штраф распространяется на все координаты параметров; для модели с отдельным свободным членом соглашение о его штрафе нужно объявлять отдельно.

Именно для этой квадратичной задачи на всей $\mathbb R^d$ при $\lambda>0$ минимум существует и единственен: штраф делает цель строго выпуклой и растущей при неограниченном увеличении нормы. Это утверждение не переносится автоматически на произвольную модель с тем же словом «регуляризация».

В скалярном случае $x_1=1$, $y_1=2$, $\lambda=1$ цель равна $(\theta-2)^2+\theta^2=2(\theta-1)^2+2$. Оптимум смещается с 2 к 1. Штраф меняет саму задачу; одного его наличия недостаточно для гарантии качества на новых данных.

Норма входит в цель в квадрате: $\|\theta\|_2^2=\sum_j\theta_j^2$. Положительные и отрицательные коэффициенты одинакового модуля штрафуются одинаково. Изменение масштаба признака меняет коэффициент, нужный для того же предсказания, и потому меняет штраф. Соглашение о масштабе признаков является частью задачи; коэффициенты из разных шкал нельзя сравнивать только по их числам.

Определения и обозначения: Mathematics for Machine Learning; Deep Learning: Notation.

Связанные понятия: Argmin: множество минимизирующих входов, Норма вектора: что считать длиной.

На пальцах

Хорошее совпадение с данными иногда достигается ценой больших коэффициентов. L2-регуляризация добавляет второй счёт — за сумму квадратов этих коэффициентов, поэтому итоговая цель учитывает обе статьи расходов. Вес штрафа задаёт баланс, но не запрещает большие параметры и не гарантирует качество на новых данных. Смена единиц признака способна изменить требуемый коэффициент и сумму штрафа при том же эффекте. Кассир честно следует формуле и не замечает, что сантиметры переоделись в метры, поэтому шкалы имеют значение.

Пример

В учебном примере один объект имеет $x=1$, ответ $y=2$, а $\lambda=1$. Пример сравнивает ошибку, штраф и сумму в нескольких точках.

L2-регуляризация: штраф за размер параметров

Нулевой параметр

Параметр 0 ничего не платит за норму, но даёт ошибку 4.

Шаг 1 из 4: Нулевой параметр

Все шаги текстом
  1. Нулевой параметр

    Параметр 0 ничего не платит за норму, но даёт ошибку 4.

    θ; ошибка; штраф; сумма
    0текущий4исключён0включён4
  2. Точное совпадение

    Параметр 2 обнуляет ошибку, но штраф равен 4.

    θ; ошибка; штраф; сумма
    2текущий0включён4исключён4
  3. Компромисс

    Параметр 1 даёт две единицы расходов и сумму 2.

    θ; ошибка; штраф; сумма
    1текущий1включён1включён2включён
  4. Обоснование оптимума

    Квадрат в разложении неотрицателен, поэтому цель нигде не ниже 2.

    Минимизатор; минимум
    1включён2включён

Три проверенные точки не доказывали бы, что между ними нет более выгодного параметра. Разложение $2(\theta-1)^2+2$ закрывает этот пробел для всех действительных $\theta$: первое слагаемое неотрицательно и обнуляется только при 1. Если оставить один объект, но произвольное $\lambda>0$, минимум достигается при $\theta=2/(1+\lambda)$. Эта формула показывает, как усиление штрафа сдвигает решение к нулю именно в учебной задаче.

Ошибка на обучающих данных, регуляризованная цель и качество на новых объектах различаются: оптимизируется здесь только объявленная сумма.

Авторский текст этой бесплатной статьи опубликован по лицензии CC BY-NC-ND 4.0.

Предыдущая / следующая

Предыдущая
Переобучение
Следующая
Выбор гиперпараметров
  • Классификация с учителем

    Как объект превращается в признаки, что означает известная метка и какой ответ должен дать классификатор новому объекту.

    Читать статью
    Машинное обучение
  • Ошибка классификации

    Как индикатор ошибки превращает неверные метки в долю и чем результат на выборке отличается от ошибки на новых данных.

    Читать статью
    Машинное обучение
  • Разделение данных на обучение, валидацию и тест

    Почему настройка параметров, выбор модели и итоговая оценка требуют разных ролей данных.

    Читать статью
    Машинное обучение