形式陈述
有 n ≥ m 个IID观测,对称 m 元核 h ∈ L 2 ( P m ) ,总体目标为 θ = E h 。记所有大小 m 的无序索引子集为 I ,K = ( n m ) ,完整统计量为
U = 1 K ∑ I ∈ I h ( X I ) . 核求值昂贵时,从 I 中独立、均匀、有放回地抽取 I 1 , … , I B ,抽索引的随机源独立于原始资料 D = ( X 1 , … , X n ) 。定义
U ~ B = 1 B ∑ b = 1 B h ( X I b ) , τ D 2 = 1 K ∑ I ∈ I ( h ( X I ) − U ) 2 . 每个子集内部索引互异,只有不同子集抽取之间允许重复;允许子集内部重复会把目标换成含对角项的V型规则。条件于资料,核值组成固定有限总体,所以
E ( U ~ B ∣ D ) = U , Var ( U ~ B ∣ D ) = τ D 2 B . 因此 E U ~ B = θ 。这里有两种无偏性:对固定资料的完整核平均无偏,以及对重新抽取资料时的总体核期望无偏。二者的误差条不能混用。
总方差的两张账
令 v = Var ( U ) 、σ h 2 = Var ( h ( X 1 , … , X m ) ) 。由于每个子集的核具有相同总体分布,
E τ D 2 = E [ 1 K ∑ I h ( X I ) 2 − U 2 ] = σ h 2 − v . 由全方差 理路 全期望公式与全方差公式 Law of total expectation · Law of total variance · Iterated expectation 借助条件信息分解总体均值,并把总波动拆成组内与组间两部分。 ,
Var ( U ~ B ) = v + σ h 2 − v B = ( 1 − 1 B ) v + σ h 2 B . 第一项 v 是同一份资料所能达到的完整U统计误差;第二项是省核调用所付的额外计算方差。把 B 加大只减少第二项,不能生成新的独立原始观测。另一方面,把随机核行当总体IID只算 σ h 2 / B ,会少算共享资料带来的 ( 1 − 1 / B ) v ;B = 1 时两式恰好相同,因为这时确实只返回一个核值。
不放回抽子集的精确修正
若从 K > 1 个子集中均匀不放回抽取 1 ≤ B ≤ K 个,令 H I = h ( X I ) 。其入样指示满足 E ξ I = B / K ,异对子集的 E ξ I ξ J = B ( B − 1 ) / ( K ( K − 1 ) ) 。把 B − 1 ∑ I ξ I H I 展开平方,可得
Var ( U ~ B ∣ D ) = K − B B ( K − 1 ) τ D 2 , Var ( U ~ B ) = v + K − B B ( K − 1 ) ( σ h 2 − v ) . 这正是有限总体抽样设计 理路 有限总体抽样设计 Finite population sampling design 把有限总体数值固定、样本集合随机,区分一阶纳入机会与决定方差的联合抽取结构。 作用于固定核值总体的修正。B = K 时每个子集都访问一次,计算误差为零;有放回抽 B = K 次通常仍重复一些、漏掉一些,计算误差并不为零。若 K = 1 ,只有一个核值,条件计算误差恒零,应直接计算,不能使用含 K − 1 的式子。
直觉
原始资料随机地产生一张巨大的核值表;随后算法随机选表中的一些行。第一层改变整张表,第二层只在固定表里抽行。条件于表后,抽取可IID;对原始资料不条件化时,所有被选核值仍共用同一份资料。
与“先丢掉大半原始观测,再计算剩余观测的全部子集”不同,不完全U可以让所有原始观测都有机会进入计算。两者即使使用同样数量的核调用,数据覆盖和协方差也不相同。是否有更便宜的代数恒等式,还应在抽样之前检查。
例子与边界
三个观测的完整条件枚举
固定资料 ( 0 , 1 , 3 ) ,取二阶核 h ( x , y ) = ( x − y ) 2 / 2 。三个核值为 ( 1 / 2 , 9 / 2 , 2 ) ,完整平均 U = 7 / 3 ,以分母3计算的核表方差为
τ D 2 = 1 3 [ ( − 11 6 ) 2 + ( 13 6 ) 2 + ( − 1 3 ) 2 ] = 49 18 . 只算 B = 2 个子集。有放回时9个等概率有序抽取,平均的条件方差为 49 / 36 ;不放回时3种等概率无序选择,方差为 49 / 72 ,恰好减半。比如选到第一、第三核值,返回 5 / 4 ,偏离完整平均 7 / 3 ;该次偏离不否定抽索引的条件无偏性。
如果有放回抽3次,条件方差仍为 49 / 54 ;不放回抽全3个则精确得到 7 / 3 。这项计算没有估计总体方差参数的抽样风险,因为本题资料始终固定。
相同线性核预算,退化核损失完全不同
令 X i 为Rademacher,n = 100 。先用 h ( x , y ) = ( x + y ) / 2 ,完整U就是样本均值,v = 1 / 100 ,单核方差 σ h 2 = 1 / 2 。有放回抽 B = 100 对时,总方差为
99 100 1 100 + 1 200 = 149 10000 . 它保持 n − 1 方差阶,但相对完整U增加49%。提高到 B = 1000 ,总方差为 1049 / 100000 ;“相同收敛阶”不等于“相同方差常数”。此核本可线性时间精确计算,抽对只是校验公式,不是推荐实现。
改用完全退化核 h ( x , y ) = x y 。由二阶投影旧页 理路 二阶 U 统计量与一阶投影 Order-two U-statistic and Hoeffding projection · 二阶U统计量 · Hoeffding一阶投影 把所有成对核值的平均分解为单观测投影和退化余项,精确计算共享样本造成的方差,并区分根号样本量正态与退化尺度。 ,v = 1 / ( 100 2 ) = 1 / 4950 ,σ h 2 = 1 。仍取 B = 100 ,总方差变为
99 100 1 4950 + 1 100 = 51 5000 = 0.0102 . 完整核方差约0.000202,而抽对误差把它拉回 n − 1 量级,损失约50.49倍。非退化学习问题中的线性核预算经验,不能直接套给零假设下的退化检验。
高阶退化怎样决定预算门槛
对固定阶、固定非恒定核,Hoeffding分解 理路 固定阶 U 统计量的 Hoeffding 分解 Hoeffding decomposition of fixed-order U-statistics · Higher-order Hoeffding projection · 高阶U统计量投影 · U统计量退化秩 以子集容斥构造固定阶对称核的正交投影,证明组合系数和精确方差,并用三阶退化核确定非正态尺度及计算预算。 若首个非零投影秩为 r ,则 v ≍ n − r ,而 σ h 2 − v → σ h 2 > 0 。有放回额外误差为 Θ ( B − 1 ) ,因此:
B = Θ ( n r ) 可以保留方差阶,通常改变常数与极限分布
要使计算扰动相对于原 n − r / 2 尺度在 L 2 中可忽略,需要 B / n r → ∞
B = o ( n r ) 时,计算抽样误差占主导
对三阶Rademacher乘积核 x y z ,r = m = 3 ,n = 6 时 K = 20 、完整方差 1 / 20 。有放回抽 B = 6 ,总方差为 5 / 24 ;不放回抽6个的方差为 1 / 6 。纯canonical m 阶核满足 v = σ h 2 / K ,不放回公式正好化为 σ h 2 / B ,只有接近全算才能保留接近完整核的常数。
完全退化情况下,有放回要求 B ≫ n m 才能忽略计算误差,已超过完整枚举的核数量;这提示应改用无重复枚举、代数化简或重新设计估计器,而不是机械追求“随机抽更多”。
推论与应用
可执行协议与MCSE的解释
有放回时,每轮独立均匀抽取一个大小 m 的无序索引集合,计算核并在线更新均值、平方差。可先抽 m 个互异索引并排序,或用经验证的组合编号采样器;必须保证每个子集等概率。一般核调用为 B 次,索引采样与核内部费用另外计。保留原始数据需相应存储,在线核累加器本身只需常数个标量。
固定资料后,抽索引是一次普通Monte Carlo 理路 Monte Carlo 积分 Monte Carlo integration · Monte Carlo quadrature 将积分改写为随机变量期望,以独立样本均值估计并用方差和概率假设量化随机误差。 。B ≥ 2 时被抽核值的样本方差 s B 2 / B 无偏估计条件计算方差 τ D 2 / B 。它不是总体目标 θ 的总方差估计。不放回时应使用 ( 1 − B / K ) s B 2 / B ,其中 s B 2 是分母 B − 1 的样本方差;B = 1 时无法从一行估计核表方差。
在同一份资料上重复很多抽子集运行,只能验证计算层的MCSE;要检验总体覆盖,必须重抽原始资料,或建立恰当投影、重采样与校准理论。若实际目的是MMD检验,改变核抽样设计还会改变零分布,不能直接套完整MMD的阈值。
必须重新分析的变体
非均匀选子集且仍直接平均,会把条件中心从 U 改成加权核平均。若用已知正包含概率修正,可构造其他无偏估计,但方差还涉及联合包含概率;本页均匀公式不再适用。按观察到的核值决定下次是否接受、偏爱大核值而不纠权、使用固定确定性稀疏图而称之为均匀随机抽样,都不满足当前协议。
自测:固定资料后同一索引对子被抽到两次,两个核值可能完全相同,这是否违背条件IID?不违背,有放回独立抽取有限总体允许相同结果;独立性描述随机抽取协议,不要求结果彼此不同。但若强制第二次重复第一次索引,才会破坏独立性。
参考资料
Stephan Clémençon, Aurélien Bellet, Igor Colin,Scaling-up Empirical Risk Minimization: Optimization of Incomplete U-statistics ,JMLR 17(76),2016,1–36,§3.1 Definition 5与式(21)方差分解、§3.4其他抽样设计。本文限定固定单核,不把论文的函数类学习界直接当作本页点态方差结论。
William G. Cochran,Sampling Techniques ,3rd ed.,1977,Chapter 2,简单随机不放回抽样;本页以入样指示重新推导有限总体修正。
固定阶Hoeffding分解 理路 固定阶 U 统计量的 Hoeffding 分解 Hoeffding decomposition of fixed-order U-statistics · Higher-order Hoeffding projection · 高阶U统计量投影 · U统计量退化秩 以子集容斥构造固定阶对称核的正交投影,证明组合系数和精确方差,并用三阶退化核确定非正态尺度及计算预算。 提供退化秩和完整统计量的方差阶,计算抽样误差由本页单独加入。