Systematic Bias of Machine Learning Regression Models and Correction

人工智能 计算机科学 机器学习 回归 回归分析 统计 数学
作者
Hwiyoung Lee,Shuo Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [IEEE Computer Society]
卷期号:47 (6): 4974-4983 被引量:16
标识
DOI:10.1109/tpami.2025.3552368
摘要

Machine learning models for continuous outcomes often yield systematically biased predictions, particularly for values that largely deviate from the mean. Specifically, predictions for large-valued outcomes tend to be negatively biased (underestimating actual values), while those for small-valued outcomes are positively biased (overestimating actual values). We refer to this linear central tendency warped bias as the "systematic bias of machine learning regression". In this paper, we first demonstrate that this systematic prediction bias persists across various machine learning regression models, and then delve into its theoretical underpinnings. To address this issue, we propose a general constrained optimization approach designed to correct this bias and develop computationally efficient implementation algorithms. Simulation results indicate that our correction method effectively eliminates the bias from the predicted outcomes. We apply the proposed approach to the prediction of brain age using neuroimaging data. In comparison to competing machine learning regression models, our method effectively addresses the longstanding issue of "systematic bias of machine learning regression" in neuroimaging-based brain age calculation, yielding unbiased predictions of brain age.
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