白話科技|過擬合overfitting是什麼?解密「AI犯低級錯誤」背後概念:只懂死背的考試怪物,一改考題就全崩?
白話科技|過擬合overfitting是什麼?解密「AI犯低級錯誤」背後概念:只懂死背的考試怪物,一改考題就全崩?

由OpenAI推出的GPT系列被公認是AI領域的領導者之一,不過當2019年GPT-2登場時,這個擁有15億參數、基準測試領先的模型卻被人們發現一個奇怪現象: 當輸入不特定提示詞時,它可能會照本宣科吐出訓練中看到的資料,一點也不像當時最先進的AI模型。

這個現象是大型語言模型中的「過擬合」(overfitting),即使是訓練量龐大的先進模型,也可能因為學到訓練資料中不必要的細節,變得只會重複當時看到的內容,無法發揮實力。時至今日,過擬合仍是AI領域必須認真面對的挑戰。

「過擬合」是什麼?AI學太仔細也不行?

過擬合是一種不理想的機器學習行為。 當演算法與訓練資料過於接近,就會發生過擬合,使得AI學到的只是資料的細節,甚至是不具代表性的巧合,而不是規律,以至於根本無法對新資料進行準確預測。

與過擬合相對的概念則是欠擬合,指模型無論在訓練資料或新資料上,都表現不佳。AI訓練的目標便是在過擬合和欠擬合之間找到最佳平衡點。

出現過擬合現象的模型,就像是一位只懂得死背考古題的學生,儘管解起考古題來滾瓜爛熟,一旦正式考試題目出現變動,就不知如何變通,在針對訓練資料和測試資料出現的準確度上,有著巨大的差距。

好比說, 當你想訓練一個AI模型辨別包含「狗」的圖像時,如果訓練用的資料絕大多數是狗在公園或戶外玩耍的照片,它可能學到「看到草皮=有狗」,結果室內的狗就認不出來。

用同樣的「狗」例子:如果你拿一堆狗的照片訓練模型,但模型太簡單或訓練不足,它只學到很粗的特徵, 例如「有四條腿、毛茸茸」。結果遇到室內、戶外、長毛或短毛的變化,它都分不清,甚至連訓練集裡的狗也常判錯。這就是欠擬合 ——不管在舊資料或新資料上都表現差,因為模型沒有抓到辨識「狗」的有效規律,只停留在過度簡化的概括。

MatLab開發商MathWorks就透過這張圖表,直白地表現過擬合究竟是什麼狀況。這邊的分類(Classification)和迴歸(Refression)是指AI兩種最基本、最常見的任務。

overfitting.jpg
過擬合代表著,AI過於關注每個資料點,反而忽視了背後的規律。
圖/ Mathworks

分類任務是指將資料點歸類到不同離散類別之中,白話來講就是識別任務,例如判斷圖片裡的動物是貓還是狗,一封電子信件是不是詐騙郵件;而迴歸任務則是指預測一個連續的數值,像是根據過去一週資料,預測明天的氣溫或股票價格,或者依照房子的布局、大小推斷房價等等。

這張圖無論在分類或迴歸任務上,都可以看出過擬合出現同樣的核心問題: 模型過度執著資料中的每個點,忽略了背後呈現的規律。

過擬合的原因是什麼?

過擬合又是什麼情況會出現?建立機器學習演算法時,通常會運用大量樣本資料來訓練模型, 但當訓練時間過長,或者模型過於複雜,資料量太小時,AI可能會開始記憶訓練資料中不量不相關的資訊,導致模型過度專注於訓練材料,失去對新資料進行預測的能力。

具體而言,亞馬遜在介紹過擬合的文章中,給出以下幾點原因:

1.訓練資料太大或太小,且不包含足夠的範例,無法準確呈現所有可能輸入的資料
2.訓練資料包含大量不相關的資訊,或稱為雜訊資料
3.模型在單一資料夾上訓練時間過長
4.模型擁有高複雜度,因此能夠學習訓練資料中的雜訊

當年GPT-2出現過擬合,一部分原因就被認為與資料集太小有關,GPT-2訓練資料僅僅只有40GB,與高達15億的參數量比例失衡。相當於一位聰明絕頂、過目不忘的學生,課本卻只有薄薄一本,學生很快就背完所有內容,反而無法舉一反三。

過擬合的案例?

Google Flu Trends

早期以搜尋關鍵字預測流感盛行,但因搜尋行為與演算法調整偏移,連年高估或低估流感趨勢。簡單來說,就是把搜尋熱度當成流感指標,因此AI模型其實在記「平台習慣」,不是「疾病訊號」,所以一上線就常年高估或低估。

馬拉松世界紀錄曲線擬合

用多項式或指數曲線外推「破二」年份,在訓練期擬合極好但對未來預測常失準;反映用過度靈活的函數擬合少量紀錄點,容易把偶然波動當成結構性趨勢。

股價預測(個股技術指標堆疊)

在歷史資料上回測準確率極高,但出場到新時段或不同市場崩潰;常見原因是過度調參、指標叢林與資料探勘偏誤,把隨機噪音當模式。換言之,就是AI是「記住」了某段行情的噪音與巧合;一換時期或市場,績效立刻崩。

影像分類的背景洩漏

軍用車輛辨識模型在訓練集表現亮眼,但實測失敗;事後發現模型主要依賴天空/背景的亮度與攝影條件而非車輛特徵,屬「隱性特徵過擬合」,學到的是「場景」不是「物件」。

醫療影像中的醫院水印/設備偏差

癌症偵測模型在內部數據表現優異,跨院落地效果大幅下降;模型學到的是特定醫院的掃描器特徵、水印或處理流程痕跡,而非病灶本身。

過擬合怎麼解決?5種常見方法應對

而在過擬合受到AI產業重視後,如今實務上也有幾種常見的解決方案,或者避免AI模型落入過擬合的辦法。

1.提前停止:見好就收

顧名思義,提前停止(early stopping)就是在模型開始學習訓練資料中的雜訊前,及早暫停訓練。不過如何把握時機會是關鍵,如果太早停止訓練也可能導致欠擬合問題。

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提早停止便是要在測試誤差回升前停止訓練,見好就收。
圖/ AIML.com

這是一張展現AI模型在訓練過程中,隨著模型複雜度增加,在訓練資料及測試資料上誤差的變化趨勢。而提前停止的目標就是要在測試資料的誤差回升前停止訓練,確保在過擬合和欠擬合之間找到平衡點。

2.資料增強:讓資料更多樣

資料增強(data augmentation)也是一種機器學習技術,透過小幅變更輸入資料來豐富訓練資料的多樣性,例如在圖像識別領域,可以利用旋轉、剪裁、調整亮度等手段,讓模型看見更多不同樣貌的資料,進而提昇模型舉一反三的能力。

3.特徵選擇:幫AI畫重點

特徵選擇(feature selection)則是透過從原始資料中,找出對模型任務最有幫助的特徵,或者稱變數、變量,並移除不相關、重複或可能誤導模型的資訊,這可能是人為挑選,也可能是利用數學方法自動化選擇,像是幫學生在課本上畫重點,避免AI被沒有直接關聯的雜訊所影響。

4.正則化:幫AI上緊箍咒

正則化(regularization)就是對模型的行為設定約束和懲罰,來避免AI太過「自信」。正則化會對特徵的權重大小施加懲罰,權重是指AI認為這個特徵有多重要。模型在訓練時除了要讓預測結果準確,還要確保權重維持在一定範圍內。為了達成這個目標,如果一個特徵對提昇準確度幫助不大,模型就會降低它的權重。

舉例來說,假如AI模型在預測房價時,給予「城市氣溫」這個特徵極高權重(認為它對房價影響很大),正則化就會給予這個大權重施加懲罰。而為了避免懲罰,模型會自動學習降低城市氣溫的權重,同時提昇「平均收入」或「人口成長」等關鍵特徵的權重,透過懲罰機制讓模型自主學會什麼是重要的。

5.集成方法:AI分工合作

集成方法(Ensemble methods)就像是建立一個「專家小組」,集結不同AI的判斷綜合得出最全面的結論。常見的是有Bagging(投票/取平均)、Boosting(輪流糾錯)等方式,Bagging會讓多個AI用不同資料子集訓練,例如當你想要預測電影票房,可以讓100個模型用不同年份的電影資料訓練,最後再平均這100個模型得出的票房結果。

而Boosting則是讓不同模型依序訓練,第二個模型會針對第一個模型預測不準確的電影類型加強訓練,一步步彌補前一個模型的不足,分工合作解決複雜問題。

延伸閱讀:企業最昂貴的日常不是薪水,是「瞎忙文化」!4個心靈拷問,看看你的組織中了幾個?

資料來源:AIML.comMathworksIBMAWS

責任編輯:李先泰

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彰化,是活的!台灣設計展「圓未來之行」:以源創圓,看交通、建設、生活等多方面向,如何從300年中轉譯甦醒,令過去翻頁至今,創建未來!
彰化,是活的!台灣設計展「圓未來之行」:以源創圓,看交通、建設、生活等多方面向,如何從300年中轉譯甦醒,令過去翻頁至今,創建未來!

2025台灣設計展將開展!本次由彰化縣政府建設處 陳昌茂處長與策展人何來香,共同聊聊「圓未來之行」展覽與其背後的城市發展與公共建設,時代帶來了哪些蛻變與機會,彰化的未來,會是什麼模樣?陳昌茂處長談到:「先輕鬆聊聊彰化最為人知的印象吧,許多外地人提到彰化,就是控肉飯與肉圓,美食旅遊確實是大家的共同嗜好,但是否有其他的深度內容,能給大眾重新認識彰化的機會?『台灣設計展:圓未來之行』就是一個好契機。

圓未來之行,與城市一起成長:你所知道的彰化,它是什麼?

300年來的發展,彰化的農業與工業在國內甚至國際都佔有舉足輕重的角色,半工又半農的發展成了城市獨有特色,在行政區劃及地方制度的調整下,縣市間的城鄉差距造成了資源上的落差,因此,政府近年於交通、城市規劃與建設上積極推動許多計畫,此次的展覽為的就是讓民眾看見設計中與蛻變進行中的彰化,包含:彰化交流道的農業區解編、國民運動中心興建、規劃與建設八大生活圈轉運站及全國首創的長照衛福大樓等等,從交通、建設面改善實質生活,正是此次展覽核心,透過時代回顧轉譯為當代及未來發展能量,讓彰化充滿地方鮮活的發展魅力。」

策展人何來香說起,『台灣設計展:圓未來之行』以時間、轉譯、共創為展出主軸,將時間梳理成「過去─現在─未來」,包含:源(回顧記憶與成長記號)、緣(轉譯與生活)、圓(圓未來城市之貌)、合(共創未來),一如處長所說,將300年的背景梳理轉譯,在「交通、建設、生活」呈現,將其佈局為:三個室內展區X一個戶外展區,透過線上互動與實體呈現,讓彰化時代(過去─現在─未來)逐漸活起來,從低調走向鮮活光亮,「現在」,正是未來的縮影與定錨力量。

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「圓未來之行」兩大重要推手:策展人何來香、彰化縣政府建設處陳昌茂處長。
圖/ 彰化縣政府

四大展區表述「三源一合」:未來可以被共創,一同設計理想的生活模樣

『台灣設計展:圓未來之行』共有四大展區,規劃為:源(記憶之源)、緣(轉譯之間)、圓(未來城市)、合(共創未來),同時串接著「時間:過去─現在─未來」的脈絡線,一覽城市的成長姿態。走進展區,開始從「過去」中逐漸甦醒,壓艙石、鐵道枕木等建材文物彷若時光倒流,將觀展者帶回記憶之源,透過佈局中的架構語言,從最微觀的建築元素開始見證曾經,呈現彰化的移居風光;來到「現在」,城市逐漸有了治理與變化,交通疏通了生活與流動,當下的建設創造了更多的「宜居」,像是:「共生共享」,表述著近年的建設成果,如:交通樞紐轉運站、伸港青年住宅、鹿江綠建築,以及老屋改造返鄉青年創業案例等,透過不同形式的交通、城市建設的延伸,以延續更多的綠化、永續、教育與建築示範及全齡照顧與幸福範例城市、共融場域等,舒展著彰化的此刻宜居。
而「未來」正在萌發的可能性,則以情境式劇場呈現城市建設藍圖,置身體驗充滿希望的願景,陪伴居民一起邁向未來。

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員林市衛生所暨長照社福大樓新建工程拿下第23屆公共工程建築工程類金質獎,建築採全齡化無障礙、節能減碳設計。
圖/ 彰化縣政府

陳昌茂處長與策展人何來香提到,「未來城市」象徵著:綻放、圓滿、快捷與新鮮,展區整體風格呈現現代、乾淨、溫暖的未來感,此區域特別設計一個共創互動環節,以大尺度的城市規劃角度出發,邀請觀展者共同打造屬於彰化的未來城市,透過彰交特定區為城市共創背景,觀展者能透過平板互動,依需求、喜好選定主題類型與建築,如:該區域希望如何發展?公園綠地(共融公園、生態濕地)、產業經濟(百貨商場、研發大樓)、休閒育樂(美術館、圖書館等),民眾意見將由 AI 即時生成建築並影響城市發展指數,進而反思發展過程中經濟建設與生活環境的平衡取捨,最終會將互動成果整理成報告做為縣府施政參考,此區域的未來,將是共創而生的實驗計畫之一。而代表「合」的「戶外串聯區」,則是由在地師生以自然素材共創的「魚的肚子是我們的生活」,延伸探索永續、自然、未來想像及綠色療癒,令「圓未來之行」參與民眾跨域孩童到成人,擁抱接納多齡意見,讓想像活躍充滿新鮮生命力。

彰化的蛻變,是成長留下的獨特印記──未來,由我們共創

有趣的是,『台灣設計展:圓未來之行』本次展出地點為:彰化縣立鹿江國際中小學,它不僅是彰化首間公辦的雙語學校,也確定籌設高中部,以接軌國際的教育為目標。當展區中的時間(過去─現在─未來)與交通、建設、生活相互交融與牽連,讓每個時代的彰化,蛻變都因成長而留下獨特印記。從海洋(船運、通商)而生的彰化,在展覽中扣回海洋生態的共創溯源反思。

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鹿江國際中小學新設高中部,預計117年學年度正式招生。
圖/ 彰化縣政府

陳昌茂處長認為,彰化的發展不必然要同於其他城市,當然也不會是其他城市的翻版,因為彰化有自己的專屬發展模式。期待透過此次展覽與共創,讓民眾與我們一起共同體驗最宜人與舒服的生活輪廓與幸福感受以及發掘彰化未來的無限發展可能;策展人何來香笑著分享,彰化是全球百大幸福城市的銀牌級城市,很期待各地民眾來參觀,重新感受彰化,並與群眾一同共創彰化。延續這樣的願景,彰化縣長王惠美也分享:「縣府其實一直在思考,如何擘劃下一個百年都市發展願景,讓民眾的生活變得更好,外移的人口逐漸回流。這些交通、城市建設的規劃、執行與聆聽大眾意見,都是為了一同探索未來、共同創造大家真正嚮往的生活」。

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彰化縣長王惠美與縣府團隊積極規劃下一個百年都市發展願景,打造最宜居 幸福的城市。
圖/ 彰化縣政府

採訪・撰文/楊喻婷

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