Learning curves provide insight into the dependence of a learner's generalization performance on the training set size. This important tool can be used for model selection, to predict the effect of more training data, and to reduce the computational complexity of model training and hyperparameter tuning. This review recounts the origins of the term, provides a formal definition of the learning curve, and briefly covers basics such as its estimation. Our main contribution is a comprehensive overview of the literature regarding the shape of learning curves. We discuss empirical and theoretical evidence that supports well-behaved curves that often have the shape of a power law or an exponential. We consider the learning curves of Gaussian processes, the complex shapes they can display, and the factors influencing them. We draw specific attention to examples of learning curves that are ill-behaved, showing worse learning performance with more training data. To wrap up, we point out various open problems that warrant deeper empirical and theoretical investigation. All in all, our review underscores that learning curves are surprisingly diverse and no universal model can be identified.
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The notion of uncertainty is of major importance in machine learning and constitutes a key element of machine learning methodology. In line with the statistical tradition, uncertainty has long been perceived as almost synonymous with standard probability and probabilistic predictions. Yet, due to the steadily increasing relevance of machine learning for practical applications and related issues such as safety requirements, new problems and challenges have recently been identified by machine learning scholars, and these problems may call for new methodological developments. In particular, this includes the importance of distinguishing between (at least) two different types of uncertainty, often referred to as aleatoric and epistemic. In this paper, we provide an introduction to the topic of uncertainty in machine learning as well as an overview of attempts so far at handling uncertainty in general and formalizing this distinction in particular.
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Label noise is an important issue in classification, with many potential negative consequences. For example, the accuracy of predictions may decrease, whereas the complexity of inferred models and the number of necessary training samples may increase. Many works in the literature have been devoted to the study of label noise and the development of techniques to deal with label noise. However, the field lacks a comprehensive survey on the different types of label noise, their consequences and the algorithms that consider label noise. This paper proposes to fill this gap. First, the definitions and sources of label noise are considered and a taxonomy of the types of label noise is proposed. Second, the potential consequences of label noise are discussed. Third, label noise-robust, label noise cleansing, and label noise-tolerant algorithms are reviewed. For each category of approaches, a short discussion is proposed to help the practitioner to choose the most suitable technique in its own particular field of application. Eventually, the design of experiments is also discussed, what may interest the researchers who would like to test their own algorithms. In this paper, label noise consists of mislabeled instances: no additional information is assumed to be available like e.g. confidences on labels.
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大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置,必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置,可以采用各种自动超参数优化(HPO)方法,例如,基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后,本文审查了重要的HPO方法,如网格或随机搜索,进化算法,贝叶斯优化,超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议,包括HPO算法本身,性能评估,如何将HPO与ML管道,运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录,其中包含关于R和Python的特定软件包的信息,以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑,这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。
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The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning.
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这篇综述的目的是将读者介绍到图表内,以将其应用于化学信息学中的分类问题。图内核是使我们能够推断分子的化学特性的功能,可以帮助您完成诸如寻找适合药物设计的化合物等任务。内核方法的使用只是一种特殊的两种方式量化了图之间的相似性。我们将讨论限制在这种方法上,尽管近年来已经出现了流行的替代方法,但最著名的是图形神经网络。
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普通交叉验证(CV)等方法,如k倍交叉验证或Monte-Carlo交叉验证估计学习者的预测性能,通过重复在给定数据的大部分数据和对剩余数据上测试的大部分中进行训练。这些技术有两个主要缺点。首先,它们可以在大型数据集上不必要地慢。其次,除了估计最终性能之外,它们几乎没有进入验证算法的学习过程中的见解。在本文中,我们提出了一种基于学习曲线(LCCV)的验证的新方法。 LCCV迭代地增加用于训练的实例数量而不是创建火车测试分裂。在模型选择的背景下,它丢弃了不太可能成为竞争的模型。我们在从自动化基准测试的67个数据集上运行大规模的实验,并经验显示使用LCCV超过90%的案例,导致使用5/10倍的CV相似的性能(最多1.5%)。然而,它平均产生超过20%的大量运行时间减少。此外,它提供了重要的见解,例如允许评估获取更多数据的益处。这些结果与Automl领域的其他进步正交。
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最近有一项激烈的活动在嵌入非常高维和非线性数据结构的嵌入中,其中大部分在数据科学和机器学习文献中。我们分四部分调查这项活动。在第一部分中,我们涵盖了非线性方法,例如主曲线,多维缩放,局部线性方法,ISOMAP,基于图形的方法和扩散映射,基于内核的方法和随机投影。第二部分与拓扑嵌入方法有关,特别是将拓扑特性映射到持久图和映射器算法中。具有巨大增长的另一种类型的数据集是非常高维网络数据。第三部分中考虑的任务是如何将此类数据嵌入中等维度的向量空间中,以使数据适合传统技术,例如群集和分类技术。可以说,这是算法机器学习方法与统计建模(所谓的随机块建模)之间的对比度。在论文中,我们讨论了两种方法的利弊。调查的最后一部分涉及嵌入$ \ mathbb {r}^ 2 $,即可视化中。提出了三种方法:基于第一部分,第二和第三部分中的方法,$ t $ -sne,UMAP和大节。在两个模拟数据集上进行了说明和比较。一个由嘈杂的ranunculoid曲线组成的三胞胎,另一个由随机块模型和两种类型的节点产生的复杂性的网络组成。
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所有著名的机器学习算法构成了受监督和半监督的学习工作,只有在一个共同的假设下:培训和测试数据遵循相同的分布。当分布变化时,大多数统计模型必须从新收集的数据中重建,对于某些应用程序,这些数据可能是昂贵或无法获得的。因此,有必要开发方法,以减少在相关领域中可用的数据并在相似领域中进一步使用这些数据,从而减少需求和努力获得新的标签样品。这引起了一个新的机器学习框架,称为转移学习:一种受人类在跨任务中推断知识以更有效学习的知识能力的学习环境。尽管有大量不同的转移学习方案,但本调查的主要目的是在特定的,可以说是最受欢迎的转移学习中最受欢迎的次级领域,概述最先进的理论结果,称为域适应。在此子场中,假定数据分布在整个培训和测试数据中发生变化,而学习任务保持不变。我们提供了与域适应性问题有关的现有结果的首次最新描述,该结果涵盖了基于不同统计学习框架的学习界限。
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现代深度学习方法构成了令人难以置信的强大工具,以解决无数的挑战问题。然而,由于深度学习方法作为黑匣子运作,因此与其预测相关的不确定性往往是挑战量化。贝叶斯统计数据提供了一种形式主义来理解和量化与深度神经网络预测相关的不确定性。本教程概述了相关文献和完整的工具集,用于设计,实施,列车,使用和评估贝叶斯神经网络,即使用贝叶斯方法培训的随机人工神经网络。
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无论是在功能选择的领域还是可解释的AI领域,都有基于其重要性的“排名”功能的愿望。然后可以将这种功能重要的排名用于:(1)减少数据集大小或(2)解释机器学习模型。但是,在文献中,这种特征排名没有以系统的,一致的方式评估。许多论文都有不同的方式来争论哪些具有重要性排名最佳的特征。本文通过提出一种新的评估方法来填补这一空白。通过使用合成数据集,可以事先知道特征重要性得分,从而可以进行更系统的评估。为了促进使用新方法的大规模实验,在Python建造了一个名为FSEVAL的基准测定框架。该框架允许并行运行实验,并在HPC系统上的计算机上分布。通过与名为“权重和偏见”的在线平台集成,可以在实时仪表板上进行交互探索图表。该软件作为开源软件发布,并在PYPI平台上以包裹发行。该研究结束时,探索了一个这样的大规模实验,以在许多方面找到参与算法的优势和劣势。
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我们查看模型可解释性的特定方面:模型通常需要限制在大小上才能被认为是可解释的,例如,深度5的决策树比深度50中的一个更容易解释。但是,较小的模型也倾向于高偏见。这表明可解释性和准确性之间的权衡。我们提出了一种模型不可知论技术,以最大程度地减少这种权衡。我们的策略是首先学习甲骨文,这是培训数据上高度准确的概率模型。 Oracle预测的不确定性用于学习培训数据的抽样分布。然后,对使用此分布获得的数据样本进行了可解释的模型,通常会导致精确度明显更高。我们将抽样策略作为优化问题。我们的解决方案1具有以下关键的有利属性:(1)它使用固定数量的七个优化变量,而与数据的维度(2)无关,它是模型不可知的 - 因为可解释的模型和甲骨文都可能属于任意性模型家族(3)它具有模型大小的灵活概念,并且可以容纳向量大小(4)它是一个框架,使其能够从优化领域的进度中受益。我们还提出了以下有趣的观察结果:(a)通常,小型模型大小的最佳训练分布与测试分布不同; (b)即使可解释的模型和甲骨文来自高度截然不同的模型家族,也存在这种效果:我们通过使用封闭的复发单位网络作为甲骨文来提高决策树的序列分类精度,从而在文本分类任务上显示此效果。使用字符n-grams; (c)对于模型,我们的技术可用于确定给定样本量的最佳训练样本。
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这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍,从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络(如VAE和扩散模型)缓慢地构建。如今,有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法,但是它们并没有(也不能在如此简短的空间中)将这些算法彼此连接起来,或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统,尽管对那些已经熟悉材料的人(如这些帖子的作者)不满意,但对新手的入境造成了重大障碍。同样,我的目的是将各种模型(尽可能)吸收到一个用于推理和学习的框架上,表明(以及为什么)如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型(其中一些是新颖的,另一些是文献中的)。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算,概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性,而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后,目标是补充而不是替换,诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本,该文本现在已经15岁了。
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超参数优化构成了典型的现代机器学习工作流程的很大一部分。这是由于这样一个事实,即机器学习方法和相应的预处理步骤通常只有在正确调整超参数时就会产生最佳性能。但是在许多应用中,我们不仅有兴趣仅仅为了预测精度而优化ML管道;确定最佳配置时,必须考虑其他指标或约束,从而导致多目标优化问题。由于缺乏知识和用于多目标超参数优化的知识和容易获得的软件实现,因此通常在实践中被忽略。在这项工作中,我们向读者介绍了多个客观超参数优化的基础知识,并激励其在应用ML中的实用性。此外,我们从进化算法和贝叶斯优化的领域提供了现有优化策略的广泛调查。我们说明了MOO在几个特定ML应用中的实用性,考虑了诸如操作条件,预测时间,稀疏,公平,可解释性和鲁棒性之类的目标。
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预测组合在预测社区中蓬勃发展,近年来,已经成为预测研究和活动主流的一部分。现在,由单个(目标)系列产生的多个预测组合通过整合来自不同来源收集的信息,从而提高准确性,从而减轻了识别单个“最佳”预测的风险。组合方案已从没有估计的简单组合方法演变为涉及时间变化的权重,非线性组合,组件之间的相关性和交叉学习的复杂方法。它们包括结合点预测和结合概率预测。本文提供了有关预测组合的广泛文献的最新评论,并参考可用的开源软件实施。我们讨论了各种方法的潜在和局限性,并突出了这些思想如何随着时间的推移而发展。还调查了有关预测组合实用性的一些重要问题。最后,我们以当前的研究差距和未来研究的潜在见解得出结论。
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We present the GPry algorithm for fast Bayesian inference of general (non-Gaussian) posteriors with a moderate number of parameters. GPry does not need any pre-training, special hardware such as GPUs, and is intended as a drop-in replacement for traditional Monte Carlo methods for Bayesian inference. Our algorithm is based on generating a Gaussian Process surrogate model of the log-posterior, aided by a Support Vector Machine classifier that excludes extreme or non-finite values. An active learning scheme allows us to reduce the number of required posterior evaluations by two orders of magnitude compared to traditional Monte Carlo inference. Our algorithm allows for parallel evaluations of the posterior at optimal locations, further reducing wall-clock times. We significantly improve performance using properties of the posterior in our active learning scheme and for the definition of the GP prior. In particular we account for the expected dynamical range of the posterior in different dimensionalities. We test our model against a number of synthetic and cosmological examples. GPry outperforms traditional Monte Carlo methods when the evaluation time of the likelihood (or the calculation of theoretical observables) is of the order of seconds; for evaluation times of over a minute it can perform inference in days that would take months using traditional methods. GPry is distributed as an open source Python package (pip install gpry) and can also be found at https://github.com/jonaselgammal/GPry.
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本文介绍了分类器校准原理和实践的简介和详细概述。校准的分类器正确地量化了与其实例明智的预测相关的不确定性或信心水平。这对于关键应用,最佳决策,成本敏感的分类以及某些类型的上下文变化至关重要。校准研究具有丰富的历史,其中几十年来预测机器学习作为学术领域的诞生。然而,校准兴趣的最近增加导致了新的方法和从二进制到多种子体设置的扩展。需要考虑的选项和问题的空间很大,并导航它需要正确的概念和工具集。我们提供了主要概念和方法的介绍性材料和最新的技术细节,包括适当的评分规则和其他评估指标,可视化方法,全面陈述二进制和多字数分类的HOC校准方法,以及几个先进的话题。
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Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.
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强大的机器学习模型的开发中的一个重要障碍是协变量的转变,当训练和测试集的输入分布时发生的分配换档形式在条件标签分布保持不变时发生。尽管现实世界应用的协变量转变普遍存在,但在现代机器学习背景下的理论理解仍然缺乏。在这项工作中,我们检查协变量的随机特征回归的精确高尺度渐近性,并在该设置中提出了限制测试误差,偏差和方差的精确表征。我们的结果激发了一种自然部分秩序,通过协变速转移,提供足够的条件来确定何时何时损害(甚至有助于)测试性能。我们发现,过度分辨率模型表现出增强的协会转变的鲁棒性,为这种有趣现象提供了第一个理论解释之一。此外,我们的分析揭示了分销和分发外概率性能之间的精确线性关系,为这一令人惊讶的近期实证观察提供了解释。
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这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识,以在自己的项目中使用机器学习,并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中,我们讨论受监督,无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始,例如原理分析,T-SNE,聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构,例如密集的进料和常规神经网络,经常性的神经网络,受限的玻尔兹曼机器,(变性)自动编码器,生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题,并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习,我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。
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