One of the possible objectives when designing experiments is to build or formulate a model for predicting future observations. When the primary objective is prediction, some typical approaches in the planning phase are to use well-established small-sample experimental designs in the design phase (e.g., Definitive Screening Designs) and to construct predictive models using widely used model selection algorithms such as LASSO. These design and analytic strategies, however, do not guarantee high prediction performance, partly due to the small sample sizes that prevent partitioning the data into training and validation sets, a strategy that is commonly used in machine learning models to improve out-of-sample prediction. In this work, we propose a novel framework for building high-performance predictive models from experimental data that capitalizes on the advantage of having both training and validation sets. However, instead of partitioning the data into two mutually exclusive subsets, we propose a weighting scheme based on the fractional random weight bootstrap that emulates data partitioning by assigning anti-correlated training and validation weights to each observation. The proposed methodology, called Self-Validated Ensemble Modeling (SVEM), proceeds in the spirit of bagging so that it iterates through bootstraps of anti-correlated weights and fitted models, with the final SVEM model being the average of the bootstrapped models. We investigate the performance of the SVEM algorithm with several model-building approaches such as stepwise regression, Lasso, and the Dantzig selector. Finally, through simulation and case studies, we show that SVEM generally generates models with better prediction performance in comparison to one-shot model selection approaches.


翻译:在设计实验时,可能的目标之一是建立或制定预测未来观测的模型。当主要目标是预测时,规划阶段的一些典型做法是,在设计阶段使用成熟的小型抽样实验设计(例如,Definition Section Designs),并使用广泛使用的模型选择算法(如LASSO)建立预测模型。然而,这些设计和分析战略并不能保证高预测性能,部分原因是由于样本规模小,无法将数据分解成培训和验证组,而这种战略通常用于机器学习模型,以改善模拟预测。在这项工作中,我们提出了一个新的框架,用于利用既有培训和验证组合的优势,从实验数据中建立高性能预测模型。然而,这些设计和分析战略没有将数据分解成两个相互排斥的子集,而是基于分数随机制制模型,通过给每次观察分配反腐蚀性方法进行数据分解,这是在机器学习模型中常用的一种战略,在SBARMAMS模型中,在SMAMS模型中以更精确的方式进行最后的测试,在SAREM模型中以更精确的方式进行。

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