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在机器学习和深度学习中，数据集的划分方式取决于任务需求、数据量以及模型开发流程的严谨性。
1. 三者划分：训练集、验证集、测试集
目的
- 训练集（Training Set）：用于模型参数的直接训练。
- 验证集（Validation Set）：用于调参和模型选择（如调整超参数、选择网络结构、防止过拟合）。
- 测试集（Test Set）：用于最终模型性能的无偏评估，模拟真实场景下的泛化能力。
为什么需要验证集？
- 避免过拟合测试集：如果仅用测试集评估模型并反复调整参数，模型可能间接“记忆”测试集的分布，导致评估结果虚高。
- 模型选择：验证集帮助选择最优超参数（如学习率、正则化系数）或模型架构（如ResNet vs. VGG）。
适用场景
- 数据量充足（如ImageNet、COCO等大规模数据集）。
- 需要严谨的模型开发流程（如学术研究、工业级应用）。
- 超参数调优复杂（如网格搜索、随机搜索）。
典型流程
- 训练模型（训练集）。
- 调参和模型选择（验证集）。
- 最终评估（测试集，仅一次）。
2. 两者划分：训练集和测试集
省略验证集的原因
- 数据量极小：若数据量过小（如仅几百样本），划分验证集可能导致训练数据不足，影响模型性能。
- 简化流程：在快速实验或简单任务中，可能直接使用测试集评估（但存在风险）。
- 交叉验证替代：若数据不足，常用K折交叉验证替代固定验证集。
潜在风险
- 数据泄露（Data Leakage）：若反复用测试集调整模型，可能高估模型真实性能。
- 缺乏模型选择依据：无法有效比较不同超参数或模型架构的优劣。
适用场景
- 数据量极小（如医学影像数据稀缺）。
- 快速原型验证（如教学示例、简单实验）。
- 结合交叉验证：如将训练集拆分为K个子集，轮流作为验证集（无需单独划分）。
关键区别与选择建议
| 划分方式 | 适用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 训练/验证/测试集 | 数据充足、严谨的模型开发 | 无偏评估、调参灵活 | 需要更多数据 |
| 训练/测试集 | 数据稀缺、快速实验 | 简单直接 | 风险高、无法调参 |
实际案例
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三者划分：
- 在ImageNet竞赛中，训练集用于训练，验证集用于调参，测试集用于最终排名。
- Kaggle比赛中，选手在本地用验证集调参，提交结果后由平台用隐藏测试集评分。
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两者划分+交叉验证：
- 在小数据集（如MNIST）上，可能将数据划分为训练集和测试集，同时通过交叉验证调参。
- 推荐做法：
如果数据量允许，始终使用训练集、验证集、测试集三者划分，确保模型开发的严谨性。 - 数据不足时：
优先使用交叉验证（如K折交叉验证），而不是简单地省略验证集。
最终，测试集应被视为“不可见数据”，仅在模型完全确定后使用一次，以反映真实泛化能力。