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算法Algorithm

AdaBoost 算法

施工中 · 内容逐步修订

AdaBoost · Adaptive Boosting

通过提高误分样本权重,依次组合弱分类器为加权二元投票。

形式陈述 ​

AdaBoost 给出弱到强归约中的一套有限样本重加权与投票步骤。输入包括带标记训练集、能够在给定样本分布上返回二元分类器的子程序,以及有限轮数上限 T≥1。训练误差保证与样本外 PAC 保证分别核验。

训练集为 (xi,yi)i=1m,m≥1,标签 yi∈{−1,+1}。初始化 D1(i)=1/m。第 t 轮用样本分布 Dt 训练弱分类器 ht:X→{−1,+1},计算

εt=∑iDt(i)1[ht(xi)≠yi],αt=12log⁡1−εtεt,

并更新

Dt+1(i)=Dt(i)e−αtyiht(xi)Zt,

其中 Zt 使权重和为 1。上式的有限实数系数要求 0<εt<1;标准正优势分支取 0<εt<1/2。初始权重严格正,有限轮更新也保持严格正。若 εt=0,直接返回 ht,其训练错误为零;无需计算无穷系数。εt=1/2 时停止并返回已有组合;更差时,仅在允许取反的规则类中先将 ht 取反并按新的错误率重新处理上述分支,否则停止。若尚无任何有效轮,返回固定常量规则。对有限有效轮的组合输出

H(x)=sign∑t=1Tαtht(x).

约定 sign(0)=+1;提前停止时,和式只取实际完成的有效轮。

设实际执行 T′≤T 轮,第 t 轮弱学习器拟合成本为 Ctfit,在全部训练点上求值的总成本为 Cteval。按单位成本标量算术及对数、指数求值计,训练工作为 ∑t=1T′(Ctfit+Cteval)+O(mT′),最后一项用于错误率、权重更新与归一化。重用当前轮预测时,权重与预测缓冲占 O(m) 个标量槽,输出模型另存全部保留规则及其系数;训练数据、弱学习器工作空间和精度成本另计。一个查询需逐一求值这些规则,再做 O(T′) 次加权累加;它的时间取决于各规则的求值成本。

直觉

正确分类时 yiht(xi)=1,权重乘 e−αt;误分类时该乘积为 −1,权重乘 eαt。归一化后,下一轮更重视当前组合的困难点。若 εt<1/2,则 αt>0;当 εt=1/2 时该分类器没有贡献;大于 1/2 时弱学习条件失效,通常应翻转分类器或停止,而不是照搬正系数解释。

样本重加权与弱分类器投票

与乘法权重的精确对应 ​

把训练点视为动作,令本轮的辅助损失为 ℓt(i)=(1+yiht(xi))/2∈{0,1},即正确点记 1、错误点记 0。取学习率 ηt=2αt,则指数乘法更新满足

Dt(i)e−ηtℓt(i)=e−αtDt(i)e−αtyiht(xi).

共同因子在归一化中消失,恰得到 AdaBoost 更新。这解释了为何它提高错误点的相对权重;这里使用的是更新结构,下面的训练误差证明不需要套用固定学习率的专家 regret 界。

指数损失推导 ​

令加法 score FT(x)=∑tαtht(x)。经验指数损失为

1m∑ie−yiFT(xi).

按上述更新展开可得它等于 ∏t=1TZt。对固定 ht,最小化 Zt=(1−εt)e−α+εteα 得到给定的 αt,且最小值 2εt(1−εt)。又因为误分类时 e−yiFT(xi)≥1,训练错误率不超过这组归一化常数的乘积。

例子与边界

四个等权样本上,若弱分类器只错一个,则 ε=1/4、α=12log⁡3。正确点的未归一化权重是 1/(43),错误点为 3/4,总和 Z=3/2。归一化后错误点占 1/2,另外三点各占 1/6,原来的一处错误现在拿到半数训练权重。下一轮若仍输出同一分类器,其加权错误恰为 1/2,不再提供正优势;所以不能把弱学习条件只验证在初始均匀分布上。

在含少量几何上困难点的二维样本中,第一棵决策桩会分对大多数点;误分点权重上升后,第二棵桩沿另一坐标切分,最终加权 score 综合两条边界。若困难点实际是错标异常值,权重也会持续集中到它们上面,导致对噪声敏感;这不是算法必然“自动忽略异常”的场景。

指数训练损失下降不等于总体误差必然下降,仍需 margin 或复杂度泛化分析。AdaBoost 优化的代理是 exponential loss,与分类代理损失相关;它不是交叉熵算法,也不是单纯多数概率放大。

推论与应用

归一化常数的乘积给出 AdaBoost 训练错误的指数下降界;进一步考察归一化 margin 分布,可解释训练错误归零后继续迭代时的部分泛化现象。两者控制的对象不同,不能以训练势函数直接替代测试风险。

决策桩、浅树和其他弱学习器都可嵌入该更新,只要它们在当前加权分布上保持正优势。标签噪声会让权重长期集中到不可拟合点,实践中常需收缩步长、早停或更稳健的损失。

参考资料
关系图谱9 个相邻概念 · 3 类关系

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