通过loss曲线诊断神经网络模型

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本文首先会介绍loss曲线表现形式，过拟合，欠拟合等等。然后展示如何使用matplotlib绘制loss曲线。

一、Loss曲线

通常数据集会被划分成三部分，训练集（training dataset）、验证集（validation dataset）、测试集（test dataset）。我们在训练模型时也经常会根据训练集的loss和验证集loss来诊断模型，从而期望能够优化参数训练处一个更好的模型，这个更好指的是能在测试集上表现更好的模型，也就是泛化能力（generalization）强的模型。那怎么根据loss曲线去诊断模型呢？

首先根据模型的表现我们把它分成三类：

1. Underfit（欠拟合）
2. Overfit（过拟合）
3. Good fit （完美拟合）

那我们目标肯定是得到一个good-fit模型，但是在训练过程中会出现Underfit和Overfit。那么我们需要做的就是首先根据loss曲线判断模型现在处于那种拟合情况，然后再对症下药，寻找应对之策。那我们先看看每种拟合的loss曲线是怎样的。

1.1 Underfit

Underfit指的是模型不能很好的学习训练集。

如下图所示，这就是一个Underfit的例子，仅根据training loss就可以判断。这个training loss下降的非常平缓以致于好像都没有下降，这说明模型根本没有从训练集学到什么东西嘛。

下图也是Underfit情况，这种情况的特点是在训练结束时候training loss还在继续下降，这说明还有学习空间，模型还没来得及学就结束了。

“可以开始训练了吗？”
“对不起，已经结束了”
“……”

1.2 Overfit

Overfit指的是模型把训练集学的有点过了，以致于把一些噪音（noise）和随机波动（random fluctuations）也学进来了。就好像抄别人卷子时候把别人的错别字也照抄一样。这也是我们在训练中最经常出现的问题，overfit有时候是因为训练太久造成的。那Overfit的loss曲线长什么样呢？

如下图所示，overffit时候training loss一直在不断地下降，而validation loss在某个点开始不再下降反而开始上升了，这就说明overfit，我们应该在这个拐点处停止训练。

1.3 Good fit

Good git是我们的目标，它在loss曲线上的特点是training loss和validation loss都已经收敛并且之间相差很小很小。如下图所示，模型在20轮过后，两个loss曲线都开始收敛，而且两者之间并没有肉眼的差距。 通常traing loss会更小，这样他们之间就会有个gap，这个gap叫做generalization gap。

二、绘制Loss曲线

完整代码

这里展示如何使用matplotlib这个模块为一个CNN模型绘制loss曲线，首先引入模块，并使用egg作为后端

import matplotlib
matplotlib.use('agg')
import matplotlib.pyplot as plt

然后我们得有个模型，然后获取history这个对象，这个history存储了模型在训练中各种输出，其中就有loss 

# fit the model
history = model.fit(x_train, y_train, batch_size=batch_size,
          epochs=epochs, verbose=1, validation_data=(x_test, y_test))
scores = model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)
print("Accuracy: %.2f%%" % (scores[1]*100))

 最后取出history中的loss，绘制成loss曲线

loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
plt.plot(loss, label='loss')
plt.plot(val_loss, label='val_loss')
plt.title('model loss')
plt.ylabel('loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.legend(['train', 'valid'], loc='upper left')
plt.savefig('./loss.png')

三、不同Loss表现

完整代码

3.1 Underfit

我们使用随机梯度下降（SGD）优化器，学习率为0.01，训练10轮，代码如下

#underfit
epochs = 10
sgd = optimizers.sgd(lr=0.01)
model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=sgd, metrics=['accuracy'])

然后我们就得到了一个Underfitting模型，如下图所示，在训练结束的时候training loss还在下降，这说明模型还未学习充分。

3.2 Overfit

然后我们使用sgd作为优化器时候，训练30轮

#overfit
epochs = 30
sgd = optimizers.sgd(lr=0.01)
model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=sgd, metrics=['accuracy'])

结果出现了过拟合的情况，loss曲线如下图

Reference

https://machinelearningmastery.com/learning-curves-for-diagnosing-machine-learning-model-performance/