西瓜书扩展_学习理论

概念c=未知目标函数f

样本集大小m=N

“不可知PLA可学习”f \notin \mathcal{H}

二分类问题,0-1损失函数(0-1 loss function)\ell_{h}(x,y)\ =\ I(y\neq h(x))

泛化误差(generalization error)也称期望损失(expected loss)E_{out}(h)=E(h)=\mathbb{E}_{\mathcal{P}}[\ell_{h}(x,y)]

经验误差(empirical error)也称经验损失(empirical loss)E_{in}(h)=\hat{E}(h)=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}\ell_{h} (x_{i},y_{i})

由于数据集D是\mathcal{P}独立同分布的采样,因此h的经验误差期望等于其泛化误差,带入霍夫丁不等式(Hoeffding Inequality)

上面说到期望就是平均数随样本趋于无穷的极限,那么这句话是什么意思呢?

我们还是以上面的掷骰子为例子:

如果我们掷了无数次的骰子,然后将其中的点数进行相加,然后除以他们掷骰子的次数得到均值,这个有无数次样本得出的均值就趋向于期望。

个人理解:均值为多个随机变量的和再除以个数,相当于还是一个随机变量,当数量足够多的时候,这个随机变量会收敛,这个收敛的值为期望


\delta=2\exp(-2N\epsilon^2)\epsilon =\sqrt{\frac{\ln\frac{2}{\delta}}{2N}}

P(|E_{in}-E_{out} |\geq \epsilon )\leq \delta

P(|E_{in}-E_{out} |\leq \epsilon )\geq 1-\delta

=P\Big( (E_{in}-\epsilon) \leq E_{out}\leq (E_{in}+\epsilon) \Big)\geq 1-\delta

=P\Big( (E_{in}-\sqrt{\frac{\ln\frac{2}{\delta}}{2N}}) \leq E_{out}\leq (E_{in}+\sqrt{\frac{\ln\frac{2}{\delta}}{2N}}) \Big)\geq 1-\delta


泛化误差上界(generalization error bound)E_{out}\leq (E_{in}+\epsilon)


联合约束(Union Bound

P(\exists  h\in \mathcal{H}:|E_{in}-E_{out} |\geq \epsilon )

=P\Big(\ |E_{in}(h_{1})-E_{out}(h_{1}) |\geq \epsilon \quad \mathbf{or} \ ...\ \mathbf{or} \quad |E_{in}(h_{|\mathcal{H}|})-E_{out}(h_{|\mathcal{H}|}) |\geq \epsilon \ \Big)

\leq  \sum_{h\in \mathcal{H}}^{} P(|E_{in}-E_{out} |\geq \epsilon )

\leq \sum_{h\in \mathcal{H}}^{} 2\exp(-2N\epsilon^2)=2|\mathcal{H}|\exp(-2N\epsilon^2)=\delta\epsilon=\sqrt{\frac{\ln|\mathcal{H}|+\ln\frac{2}{\delta}}{2N}}

 P(|E_{in}-E_{out} |\geq \epsilon )\leq \delta

=P\Big( (E_{in}-\sqrt{\frac{\ln|\mathcal{H}|+\ln\frac{2}{\delta}}{2N}}) \leq E_{out}\leq (E_{in}+\sqrt{\frac{\ln|\mathcal{H}|+\ln\frac{2}{\delta}}{2N}}) \Big)\geq 1-\delta


对分(dichotomy)h_{|D}=\{(h(x_1),...,h(x_{N}))\ |\ h\in \mathcal{H}\}

增长函数(growth function)\Pi_ \mathcal{H}(N)=\max  |h_{|D}| \leq  2^N,max表示最大

打散(shattering)\Pi_ \mathcal{H}(N)= 2^N,N个样本点的集合 能 被H给打碎,或者说H 能 打碎N个样本点的集合

突破点(break point)k=\min\ |\Pi_ \mathcal{H}(N)< 2^N|,N个样本点的集合 不能 被H给打碎

vc维(VC Dimension)d=k-1=\max\{ N\ |\ \Pi_ \mathcal{H}(N)= 2^N\},max表示最大

一个数据点呈圆形分布的凸集,这时找不到任何突破点(break point),此时vc维趋于无穷。


Sauer 引理

Q=\{x_{1}, x_{2},x_{3},x_{4}\}

S=Q ∪\{x_5\} =\{x_{1}, x_{2},x_{3},x_{4},x_{5}\}

如果一个集合Q\mathcal{H}_{|D^1}打碎,那么它也能被\mathcal{H}_{|D}打碎,因为\mathcal{H}_{|D^1}中包含 \mathcal{H}_{|D}所有在Q上不重复的函数。

此外,如果一个集合Q\mathcal{H}_{|D^1|D} 打碎,集合S也将被\mathcal{H}_{|D}打碎,因为对\mathcal{H}_{|D^1|D} 中的所有函数,\mathcal{H}_{|D}都包含另外一个函数,它仅在x_5 上的输出和前一个函数不同。

递归

递归:大雄在房里,用时光电视看着未来的情况。电视画面中的那个时候,他正在用时光电视,看着未来的情况。电视画面中的那个时候,他正在用时光电视,看着未来的情况……


N \geq 2, d \geq  2的时候,\Pi_ \mathcal{H}(N) \leq \sum_{i=0}^{d}\binom{N}{i} \leq N^d \cdot (\frac{e}{d})^d

P(|E_{in}-E_{out} |> \epsilon )\ \leq\ 4 N^d \cdot (\frac{e}{d})^d\exp(-\frac{N\epsilon^2}{8})

基于vc维得到的泛化边界(model complexity)\epsilon =\sqrt{\frac{8d\ln\frac{2Ne}{d}+8\ln\frac{4}{\delta}}{N}}

不是一味的追求经验误差最小化
未知目标分布 P(y|x) 包含 f(x)+noise

对于不同的学习任务(分类,回归,..)使用不同的损失函数(loss function)才能正确的解答。


X的样本数量为N

h(X)=(Xw)=y

(Xw)=y \overset{X \ \mathrm{invertible}}{\Leftrightarrow}  w=X^{-1}y

打散(shattering)就是我们给它任何一种ooxx组合y,都要能够做到(Xw)=y也就是一条直线正确分类。

只要X可以求逆就能求出与之相对应的w,全部的2^{N}种组合都可以使用这种做法。

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