Subpopulation shift wildly exists in many real-world machine learning applications, referring to the training and test distributions containing the same subpopulation groups but varying in subpopulation frequencies. Importance reweighting is a normal way to handle the subpopulation shift issue by imposing constant or adaptive sampling weights on each sample in the training dataset. However, some recent studies have recognized that most of these approaches fail to improve the performance over empirical risk minimization especially when applied to over-parameterized neural networks. In this work, we propose a simple yet practical framework, called uncertainty-aware mixup (Umix), to mitigate the overfitting issue in over-parameterized models by reweighting the "mixed" samples according to the sample uncertainty. The training-trajectories-based uncertainty estimation is equipped in the proposed Umix for each sample to flexibly characterize the subpopulation distribution. We also provide insightful theoretical analysis to verify that Umix achieves better generalization bounds over prior works. Further, we conduct extensive empirical studies across a wide range of tasks to validate the effectiveness of our method both qualitatively and quantitatively.


翻译:许多现实世界的机器学习应用中,存在着人口分流的急剧变化,这是指包含相同亚人口群的培训和测试分布,但在亚人口频率上各有不同。在培训数据集中,通过对每个样本施加恒定或适应性抽样权重,重新加权是处理亚人口转移问题的正常方法。然而,最近的一些研究承认,这些方法大多未能改善实证风险最小化的性能,特别是在应用到超分数神经网络时。在这项工作中,我们提出了一个简单而实用的框架,称为不确定性-觉悟混合(Umix),以通过根据抽样不确定性对“混合”样本进行重新加权来缓解过分匹配模型中的问题。基于培训轨迹的不确定性估计在拟议的Umix中安装,供每个样本灵活地描述亚人口分布。我们还提供有见地理论分析,以核实Umix在以往工程上实现了更好的概括性约束。此外,我们进行了广泛的实验研究,以证实我们的方法在质量和数量上的有效性。

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