形式陈述
不知道真系数,能否只从含噪观测评价阈值?在独立正态系数模型 理路 正交小波阈值与风险 Orthogonal wavelet thresholding · Wavelet shrinkage · 小波收缩 把固定网格正态去噪变成独立系数估计,计算软阈值风险、通用阈值与oracle比较,并显式保留尺度系数。 X i = θ i + τ Z i 、1 ≤ i ≤ d 中,假定 τ > 0 已知,风险取总平方误差 E ‖ δ ( X ) − θ ‖ 2 。若要平均风险,整式除以 d 。
先给一组足够且易检查的条件。设 δ i 只依赖 X i ,每个 g i ( x ) = δ i ( x ) − x 局部绝对连续 理路 绝对连续函数 Absolutely continuous function · Absolute continuity on an interval 把有限组总长度很小的区间送到总振幅很小的函数类,并满足 Lebesgue 版微积分基本定理。 ,g i 及其几乎处处导数至多多项式增长。这使正态尾部的边界项为零,相关积分有限。于是
(1) R ^ ( X ) = d τ 2 + ∑ i g i ( X i ) 2 + 2 τ 2 ∑ i g i ′ ( X i ) , E θ R ^ = E θ ‖ δ ( X ) − θ ‖ 2 . 这叫Stein无偏风险估计,简称SURE。当前坐标可分版本已足够用于软阈值;一般向量估计器需要相应弱偏导和散度条件。
对事先固定 t ≥ 0 ,取 δ i = S t ( X i ) 。g i 中段为 − x ,左侧为 t 、右侧为 − t ,连续且分段线性,符合条件。其导数几乎处处为 − 1 | x | < t ,所以可用
(2) U t ( X ) = d τ 2 + ∑ i min ( X i 2 , t 2 ) − 2 τ 2 # { i : | X i | ≤ t } . 固定 t 时,正态变量恰好等于 ± t 的概率为零,改变等号约定不影响无偏性。搜索随机阈值时,等号约定会影响断点分数,本页统一采用式(2)的右侧值。
给定非空的预定有限集合 T ,输出使 U t 最小的 t ^ ,并列时取较小阈值。这是一条可执行规则;但 U t ^ 一般不是选择后估计器风险的无偏估计。固定参数与经过最小化的随机参数要分开解释。
直觉
残差 ‖ δ ( X ) − X ‖ 2 只比较估计与看过的观测,偏爱贴着噪声的规则。SURE计入噪声,再用输出对输入的局部敏感度修正这份偏爱。原样输出观测时,残差为零但分数为 d τ 2 ;全部输出零时,分数变为 ‖ X ‖ 2 − d τ 2 ,扣除观测能量中平均属于噪声的一部分。
某次分数可以为负,无偏性不要求每次都像风险一样非负。把负数截为零会改变期望,可以为了展示而这样做,却不能继续声称同一个无偏恒等式。
例子与边界
四个系数选一次阈值
取 d = 4 , τ = 1 ,观察 X = ( 0.2 , − 0.6 , 1.5 , 3 ) 。候选集合为 { 0 , 0.5 , 1 , 2 } 。式(2)给
U 0 = 4 , U 0.5 = 2.79 , U 1 = 2.40 , U 2 = 4.65 . 例如 t = 1 时截断平方和为 0.04 + 0.36 + 1 + 1 = 2.40 ,两个坐标被置零,故分数为 4 + 2.40 − 4 = 2.40 。在当前候选集中选出1,估计为 ( 0 , 0 , 0.5 , 2 ) 。
若在全部 t ≥ 0 搜索,相邻绝对值断点之间,置零数固定,余下项为若干 t 2 之和,分数不减。到断点时向下跳 2 τ 2 乘以相同绝对值的个数。因此只需检查0和不同的 | X i | ;超过最大绝对值以后分数恒定,并列规则取最左端。
本例断点 0 , 0.2 , 0.6 , 1.5 , 3 的分数依次为 4 , 2.16 , 1.12 , 2.90 , 7.65 。全范围搜索选出 0.6 ,输出 ( 0 , 0 , 0.9 , 2.4 ) 。候选限制改变了算法,不能混用两种结果。排序加前缀平方和可以在 O ( d log d ) 时间完成搜索;重复绝对值需要成组更新计数。
最小分数不再无偏的精确反例
取 X ∼ N ( 0 , 1 ) ,候选只有输出零和输出 X ,各自SURE为 U 0 = X 2 − 1 和 U 1 = 1 。选择最小分数,相当于 X 2 ≤ 2 时输出零,否则保留 X 。
最小分数的期望为
E min ( X 2 − 1 , 1 ) = − E ( X 2 − 2 ) + < 0 , 因为 E ( X 2 − 1 ) = 0 。而选择后实际风险为
E [ X 2 1 | X | > 2 ] = 2 [ 2 φ ( 2 ) + Φ ― ( 2 ) ] > 0. 前者也可写成 2 [ Φ ― ( 2 ) − 2 φ ( 2 ) ] 。二者约为 − 0.257808 和 0.572407 。每个候选单独的分数无偏,取最小值仍会偏爱偶然低估。变化的是整条选择程序,不是固定规则的公式。
硬阈值的跳跃不能省略
硬阈值 H t ( x ) = x 1 | x | > t 在 ± t 不连续,不满足式(1)。若只在分段内部求导,就会遗漏分部积分的跳跃项。
取 d = 1 , τ = 1 , θ = 0 , t = 1 。错误代入给 1 + X 2 1 | X | ≤ 1 − 2 1 | X | ≤ 1 ,其期望约为 − 0.166631 ;真实硬阈值风险约为 0.801252 。差额恰为 4 φ ( 1 ) ≈ 0.967883 ,来自两个跳点的边界项。几乎处处有导数,不能代替绝对连续条件。
推论与应用
分部积分怎样消去未知均值
正态密度满足 p θ ′ ( x ) = − ( x − θ ) p θ ( x ) / τ 2 。用绝对连续函数的分部积分 理路 绝对连续函数 Absolutely continuous function · Absolute continuity on an interval 把有限组总长度很小的区间送到总振幅很小的函数类,并满足 Lebesgue 版微积分基本定理。 和已声明的边界条件,
E [ ( X i − θ i ) g i ( X i ) ] = − τ 2 ∫ g i p θ ′ = τ 2 E [ g i ′ ( X i ) ] . 把 δ i − θ i = ( X i − θ i ) + g i ( X i ) 平方展开,第一项期望为 τ 2 ,交叉项用刚才的等式替换,对坐标求和就得到式(1)。右侧不再含未知 θ ,因此能从数据计算。
软阈值虽然有折角,但连续而绝对连续,分段积分的内部端点相消。硬阈值有真正跳跃,内部端点不相消。二者都分段可导,只有前者直接符合当前证明。
相关噪声究竟影响哪一步
式(1)的逐坐标证明只用了 X i 的正态边缘,没有用不同坐标的独立性。因此若 X ∼ N d ( θ , Σ ) 、所有对角元都为已知 τ 2 ,对预定阈值的坐标软阈值,式(2)仍对总平方风险无偏,即使非对角协方差未知。若各方差已知但不等,第 i 项应改用自己的 τ i 2 。
需要小心的是:原数据中的同方差经过任意相关协方差的正交换基,不保证系数方差仍相等;而依赖多个输入坐标的一般估计器,积分公式会涉及协方差与交叉偏导。相关性也会影响搜索所得阈值的分布。上述固定规则恒等式没有给选择后风险追加一个无偏结论。
调参、评价与覆盖分别核验
SURE可用于调参;选择后风险控制还需研究整个选择规则,或用独立重复测量评价。若确有独立 X ′ ∼ N d ( θ , τ 2 I ) ,则条件于由 X 选出的估计向量,‖ θ ^ − X ′ ‖ 2 − d τ 2 对其平方误差无偏。给同一批系数换名字并不会产生这份独立性。
若小波流程在每层分别选阈值,式(2)应使用本层坐标数及方差,未处理尺度系数另加风险。若把离散系数除以 n 表示函数坐标,噪声标准差也要从 σ 变为 σ / n ,不能只缩放数据。
风险校正不是置信带校正。即使整条选择程序有良好平方风险,也不能根据最小SURE分数直接画95%带。诚实适应性边界 理路 诚实置信带与适应性边界 Honest adaptive confidence bands · Honesty and adaptation · 自适应置信带的不可能性 在固定设计正态回归中构造可复算的诚实带,并用局部尖峰与总变差证明未知光滑性下窄带适应的障碍。 研究整个函数类的统一覆盖与带宽能否同时缩小,量词不同。
自测。 X = ( 0.1 , 0.1 ) , τ = 1 , t = 1 时,SURE为 2 + 0.02 − 4 = − 1.98 。这不是负风险,而是风险估计量的一次可能输出。
自测二。 若一层的系数全除以8、改用函数系数单位,原噪声标准差为2,SURE中的方差该是多少?新标准差为 1 / 4 ,方差为 1 / 16 。平方风险及每个分数都应变为原来的 1 / 64 ,阈值也除以8。
参考资料