《机器学习》第12章 PAC学习理论

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PAC总结理论:同等条件下,模型越复杂泛化误差越大。同一模型在样本满足一定条件的情况下,其数量越大,模型泛化误差越小,因此还可以说模型越复杂越吃样本。


1.基础知识:

计算学习理论研究的是关于通过“计算”来进行“学习”的理论,其目的是分析学习任务的困难本质,为学习算法提供理论保证,并根据分析结果知道算法

几个常用的不等式:

  • Jensen不等式:对任意凸函数f(x),有:
  • Hoeffding不等式:

  • McDiarmid不等式:

    数学上用Sup{}这个记号表示“上确界”,即最小上界。为英文supremum的缩写。

2.PAC学习(概率近似正确学习):

PAC学习理论的作用:

让你明白到,为什么一个假设(模型或函数)学习了训练样本后,能保证这个假设在训练样本之外的数据上有效。

什么是PAC学习理论:

某个训练样本对正确目标的映射,而称为‘概念’,用符号c表示,即存在一个映射,使得c(x) = y,这只是某一个结果,并不是集合。
所有我们希望所有训练目标的映射集合为‘概念类’,用符号C表示。
模型经过训练后得到的所有结果映射集合,称为‘假设空间’,用符号H表示。
首先PAC学习理论对机器学习算法结果有两个概念

  • 可分的:
    训练样本通过学习算法后,得出的假设空间,c属于H,我们称为可分的
  • 不可分的:
    训练样本通过学习算法后,得出的假设空间,c不属于H,我们称为不可分的

当然在学习算法中,我们都希望学习算法尽可能有更多的c属于H中,为什么只是尽可能多,而不是要求精确呢?因为在机器学习算法中,会受到很多因素的制约,所以并不会百分百地对应到。
当选择学习算法时候,我们希望以比较大的把握学得比较好的模型。要判断哪些学习算法能选用,这就需要符合PAC可学习性

PAC可学习性:

首先学习算法得出的‘假设’必须满足以下的两个条件(PAC辨识)才算上“近似”正确对应目的概念c:

PAC辨识:

近似正确:泛化误差E(h)足够小
E(h)越小越好,最好泛化误差能能于0,但一般是不可能的。那我们就把E(h)限定在一个很小的数ϵ之内,即只要假设h满足E(h)≤ϵ,我们就认为h是正确的。

可能正确
不指望选择的假设h百分之百是近似正确的(按上段所述,即E(h)≤ϵ),只要很可能是近似正确的就可以,即我们给定一个值δ,假设h满足P(h近似正确)≥1−δ

满足以上两点的学习算法,就是能以较大概率学得目标概念c的近似。

PAC可学习:

概念:当学习算法能从假设空间H中PAC辨识概念类C,则称概念类对假设空间H而言是PAC可学习的。
PAC学习中一个关键因素是假设空间H的复杂度,H包含了学习算法所有可能输出的假设。在实际问题中概念类C往往是不等于H的,因为我们对概念类,往往一概不知。当H越大,其包含任意目标概念的可能性越大,但从中找到某个具体目标概念的难度也越大。|H|有限时候,我们称H为“有限假设空间”,否则称为“无限假设空间”

可分情形:

在可分情形下,如何找到满足误参数的假设呢?
训练集D中,样例都可以通过目标概念c,映射结果,而c存在假设空间H中,那么我们通过保留D中一致的假设,剔除与D不一致的假设,知道H只剩下一个假设位置,这个假设就是目标概念。前提是训练集D足够大。

不可分情形:

对比较困难的学习问题,目标概念c通常不存在于H中,也就是说,H中的任意一个假设都会在训练集上出现或多或少的错误,有Hoeffding不等式知:

通过式12.17可得:

由该公式可知道,说明了对于任意ϵ,只要样本数量m足够小,|E(h)−^E(h)|>ϵ 发生的可能性就非常大,此时我们不能用经验误差近似泛化误差,但是反之,当样本数量m足够大时,|E(h)−^E(h)|>ϵ发生的可能性就非常小,此时我们可以用经验误差近似泛化误差。
为什么在训练样本上学习得到的假设会在真实样本上有效?公式很好的说明了这一问题。只要样本数量m足够大或者假设空间的大小|H|足够小,公式就能保证学到的假设h′的泛化误差E(h′)与经验误差^E(h′)足够接近。h′在训练样本上的表现与在真实样本上一致

令置信区间等于2|H|exp(-2mϵ2),并经过转换,即可得式12.19

由12.19可知,不可分时,学习算法无法学得目标概念c的ϵ近似,但是,当假设空间H给定时,其中必存在一个泛化误差最小的假设,所以解决这些不可知学习,最好办法是找到此假设的ϵ近似。

满足上述公式条件的,我们可称该假设空间H为不可知PAC可学习的。

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