機器學習基本觀念：Bias-Variance Tradeoff
前言
當模型訓練完之後，我們會透過測試資料集來衡量模型的效能，計算模型的 Error。模型的 Error「包含」 Bias 與 Variance，我們希望模型的 Bias 與 Variance 兩者都愈小愈好，然而「魚與熊掌，不可兼得」，通常降低 Bias 就會提升 Variance，降低了 Variance 就會提高 Bias。
在本文中，我們將介紹什麼是 Model 的 Bias 與 Variance、兩者的關係，以及應該訓練模型到什麼地步才能達到兩者的平衡。
在閱讀本文之前，讀者應該要對於「什麼是機器學習」、「機器學習的模型、訓練與推論」以及「機器學習五步驟」有基本的認知。
Model 的 Bias
當我們拿到訓練資料集後，我們就會開始拿這些資料訓練模型。訓練模型的意義其實就是在調整模型中的參數，使得我們輸入資料到模型後，模型的輸出可以愈接近正確答案 (Label) 愈好。換句話說，模型其實就是一個 Function，將輸入資料對應 (Mapping) 到一個輸出資料。
我們舉一個非常簡單的訓練資料集為例，資料集中包含了 5 個樣本，每一個樣本都有「身高」與「體重」資料。我們希望輸入「身高」到模型中，模型輸出「體重」，也就是透過身高來預測體重。
資料集中的每一個樣本用 (x, y) 來表示，x 表示「身高」，y 表示「體重」：
- (160, 60)
- (163, 70)
- (165, 72)
- (168, 75)
- (170, 70)
如果我們將這個資料集中的每一個樣本繪製在 2 維的平面上：
假設我們利用這一個資料集，訓練出一個模型，如下圖的紅線所示：
我們可以發現當我們輸入身高 = 163 到模型中時，模型輸出的體重不為 70。當輸入身高為 165、168 與 170 時，也有相同的狀況。
模型的輸出與正確答案的誤差稱之為 Bias，如下圖的灰色框框所示：
當模型的 Bias 很大時，表示模型訓練得不夠徹底，或是模型的複雜度太低，使得模型沒有從訓練資料集中學到正確的知識，也就是模型根本沒有理解輸入資料與輸出之間的關係。當我們輸入一個身高資料給模型時，模型就可能給出一個錯得離譜的體重數據。這時候，我們會稱這個模型為 Underfitting。
Model 的 Variance
那麼這時候你一定會想到：「那不如用一個很複雜的模型，然後訓練模型到可以精準的預測每一筆樣本」。那麼你可能會訓練出這樣的模型：
這個模型看起來真的太棒了，因為它可以完美的預測訓練資料集中的每一筆數據。然而，當我們輸入身高 = 169 到模型中時，模型的輸出可能會落在 72 附近；當我們輸入身高 = 170 到模型中時，模型的輸出為 70：當我們輸入身高 = 175 到模型中時，模型的輸出可能變成 60。
由此我們可以發現，當我們輸入不同的身高數值時，模型的輸出有很大的變化。針對不同的輸入資料，模型輸出的變化 (變異性) 分佈稱之為 Variance。
當模型的 Variance 很大時，表示模型把訓練資料集中所有東西都學進去了，包含一些「雜訊」。以上圖的模型來說，通常身高愈高，也會使得體重愈重，因此第 5 個樣本可以當作一個雜訊。當模型也把這個雜訊學進去時，就會以為「隨著身高愈高，體重愈重，但是身高超過 168 時，體重就會驟降」。
換句話說，模型根本沒有理解輸入資料與輸出之間的關係，而是硬生生的把每一筆樣本的輸入與輸出的關係記下來。當我們輸入一個「模型從未見過」的身高資料時，模型就可能給出一個錯得離譜的體重數據。這時候，我們會稱這個模型為 Overfitting。
Bias-Variance Tradeoff
當模型非常的「複雜」(參數量很大) 時，能夠完全記下訓練資料集中所有的樣本，模型的 Variance 會很高、Bias 會很低，稱之為 Overfitting；當模型過於「簡單」(參數量很小) 時，完全沒有辦法從訓練資料集中學到任何東西時，模型的 Bias 會很高、Variance 會很低，稱之為 Underfitting。
還記得一開始所提到的，一個模型的 Total Error 包含了 Bias 與 Variance，因此必須在兩者之間權衡，才能達到 Total Error 最低的模型，稱之為 Bias-Variance Tradeoff。
下圖呈現的是 Bias-Variance Tradeoff 的意義：
從上圖可以發現，單純只有考慮 Bias 或 Variance，都沒有辦法使得模型的 Total Error 最小。在考量兩者的情況下，我們希望訓練出一個 Total Error 最小的模型！
參考
- Understanding the Bias-Variance Tradeoff | by Seema Singh | Towards Data Science
- What is the tradeoff between Bias and Variance? (educative.io)
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