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方法Method

有限设计的凸最小二乘回归

Convex least squares regression · Multivariate convex regression · 凸回归的有限证书

将凸函数类上的加权平方拟合精确化为逐对支撑平面约束,证明拟合值唯一、交付全局乘子证书,并区分非等距斜率约束、未见点延拓与统计风险。

有时我们不愿预先指定二次曲线,却有理由相信响应随投入呈凸形。能否直接在所有凸函数中找一条最贴近数据的曲线?看起来需要优化无穷多个函数值,实际上有限数据允许把问题压成有限个高度和支撑斜率。压缩之后,还能回答两个容易混淆的问题:训练点处的最佳高度是否唯一,以及这些高度是否已经唯一决定了新输入处的预测。

形式陈述 ​

输入、损失和允许的函数 ​

给定两两不同的输入 x1,…,xm∈Rd,m,d≥1,响应 yi∈R 和权重 wi>0。我们最小化

(1)L(f)=12∑i=1mwi(f(xi)−yi)2

其中 f:Rd→R 为任意处处有限的凸函数。这是平方损失回归的一种形状约束,也是凸函数类上的经验风险最小化。有限优化结论对当前数据确定成立;将它解释为条件均值估计,还需另给抽样模型及“条件均值确实凸”的假设。

如果同一输入出现多次,函数不能对同一点给多个高度。先把该组权重相加、响应取加权平均。恒等式

(2)∑r∈Gwr(t−yr)2=(∑r∈Gwr)(t−y¯G)2+∑r∈Gwr(yr−y¯G)2

说明聚合只减去与拟合无关的常数。以下不同输入的合同由此得到,而不是任意丢掉重复记录。

定理说:样本处的最优高度 θ^i=f(xi) 存在且唯一,并等于下面有限二次规划的高度部分:

(3)minθ,ζ1,…,ζm12∑iwi(θi−yi)2,使θi+ζiT(xj−xi)−θj≤0(i≠j).

每个 ζi∈Rd 是点 i 的候选支撑斜率。它们未必唯一;目标只对 θ 严格凸,不能从这里推出全部二次规划变量唯一。

任一可行 (θ,ζ) 都给出全域凸延拓

(4)fζ(x)=maxi{θi+ζiT(x−xi)}.

有限个仿射函数的最大值处处有限且凸;在 xj,全部平面不超过 θj,第 j 张恰好达到它。因此 fζ(xj)=θj。特别地,式(3)的最优解确实恢复式(1)中的一份最优函数。

为什么这些线性不等式没有遗漏凸函数 ​

定义对每个 i 的凸组合集合

(5)Ai={α∈Rm:α≥0, ∑jαj=1, ∑jαjxj=xi}.

它非空,因为可全部选第 i 点。一个高度向量能由凸函数插值,当且仅当

(6)θi≤∑jαjθj对所有 i 及 α∈Ai.

必要性是凸组合不等式。为证充分性,最小化 ∑jαjθj 于 Ai。单位向量给上界 θi,式(6)给下界,故最优值恰为 θi。这是一个非空紧可行集上的线性规划;LP强对偶给达到相同值的 (bi,ζi),满足

bi+ζiTxj≤θj对所有 j,bi+ζiTxi=θi.

消去 bi,正好是式(3)的全部约束。再用式(4)即可完成插值。因此式(1)、式(3)和式(6)具有完全相同的可实现训练高度,不要求输入张成整个 Rd。

由式(6),可实现高度集合 K 是闭半空间的交,故闭且凸;它包含所有仿射函数的样本值,尤其非空,并对非负倍数与相加封闭。正权重使式(3)关于高度的目标随 ‖θ‖→∞ 趋于无穷,所以在闭集 K 上达到最小值。严格凸性再保证 θ^ 唯一。以上论证没有把“闭集的任意线性投影仍闭”当成一般真命题。

直觉

凸回归同时放置两层信息。高度说每个训练点预测多少;支撑平面说从这里往任意方向走,函数不能低于哪条仿射下界。每张平面必须通过自己的高度,并压在所有其他高度下面。若这些平面能共同存在,它们的最大值就是一张满足全部训练值的凸曲面。

这与把一个指定参数向量放进凸优化器不同:这里的统计假设是要学的函数凸。有限二次规划是实现这项假设的工具,输入维数和支撑斜率也不是原始线性回归系数。它不要求函数递增;例如 x2 在负半轴下降,仍完全凸。

支撑斜率为何不能只对邻近样本检查 ​

在一般多维数据上,式(3)要求每个 i 对所有 j,总共 m(m−1) 条不等式。只核几个最近邻,可能放过一张在远处穿过另一个高度的平面。式(4)仍然凸,但它在那个训练点会超过声明的 θj,原先计算的损失就不是返回函数的实际损失。

在式(4)自己的训练点处,ζi 确实是该函数的一条次梯度,因为对应平面处处在最大值下方并在那里取等。不同可行斜率给不同最大值函数,是后面非唯一延拓的来源之一。

例子与边界

一份完整的乘子证书 ​

记

gij(θ,ζ)=θi+ζiT(xj−xi)−θj.

对每个 i≠j 交一个乘子 λij。最优性的完整条件为

(7)gij≤0,λij≥0,λijgij=0,

以及高度和斜率两类驻点等式

(8)wi(θ^i−yi)+∑j≠iλij−∑j≠iλji=0,(9)∑j≠iλij(xj−xi)=0对每个 i.

式(9)不能省略:斜率也是优化变量。只让高度梯度抵消,可能给出根本不属于此问题的“证书”。

这些KKT条件在这里充要。充分性可以不用记忆一般定理:对任何可行竞争对 (θ′,ζ′),展开平方损失,并用两类驻点及互补,得到

(10)L(θ′)−L(θ^)=12∑iwi(θi′−θ^i)2−∑i≠jλijgij(θ′,ζ′)≥0.

这还再次说明高度唯一。必要性也有明确资格:不同输入允许选择

θi=‖xi‖2,ζi=2xi,gij=−‖xi−xj‖2<0.

因此式(3)严格可行,Slater条件成立;结合已证明的最优解存在,KKT乘子必存在。m=1 时没有约束,最优高度就是唯一响应。相同输入先按式(2)聚合,避免把不可能严格的重复点约束混进这项论证。

一维可以缩成相邻斜率约束 ​

若 x1<⋯<xm 是实数,令 hi=xi+1−xi>0。高度可实现当且仅当

(11)θi+1−θihi≤θi+2−θi+1hi+1(1≤i≤m−2).

凸性给必要性;反向把高度连成折线,斜率非降便得到区间内凸函数,再把两端斜率线性延伸到实线。m=1,2 没有这类限制,任意高度都可插值。

取等距输入 0,1,2、响应 (0,1,0)、等权。唯一约束为 −θ1+2θ2−θ3≤0。令约束乘子 μ=1/3,驻点给

θ^=(1/3,1/3,1/3),L(θ^)=1/3.

要把它核成完整式(7)–(9),可令所有支撑斜率为零,只取 λ21=λ23=1/3,其余为零。中点向左右的位移相消,两个端点的残差则恰好被流入乘子抵消。

但式(11)不意味着可以对原始相邻斜率直接运行PAVA后积分。损失惩罚的是高度,多个高度共同依赖斜率与截距,斜率误差并不是独立的加权平方项。等距三点例子可能碰巧让这种做法奏效;终点中的非等距三点则给严格失败例。应解高度上的正确二次规划,不能只看斜率已排好序。

高度唯一,函数却可以在样本之间任意分开 ​

只有两个观测 (0,0)、(2,0) 时,唯一训练高度是 (0,0),损失为零。但两种函数

(12)f0(x)=0,fM(x)=M(|x−1|−1),M>0,

都凸且通过两点;在未见的 x=1,前者为零,后者为 −M。它们都能由式(4)实现:端点斜率分别取 (0,0) 或 (−M,M)。所以即使在输入凸包内部,训练高度也不唯一决定预测,甚至不给这里的统一下界。

给定可实现高度 θ,还可以定义一份不依赖斜率选择的函数

(13)Gθ(x)=min{∑iαiθi:α≥0, ∑iαi=1, ∑iαixi=x}

于样本凸包内。可行集紧,故最小值存在。把两个最优凸组合再混合,证明 Gθ 凸;式(6)又保证它在每个 xi 恰等于 θi。任何凸插值函数都不超过任意这种凸组合值,故不超过 Gθ:这是凸包内最大的凸插值函数。

这是一种明确的预测约定,和选定斜率的式(4)并不总相同。凸包外式(13)无可行组合,若约定值为 +∞,就不能把它当作原来处处有限的实值预测器返回;要么拒绝外推,要么另选有限延拓。加斜率界或Lipschitz约束也可控制差异,但会改变拟合问题。

推论与应用

从投影几何得到稳定性,而不是线性帽矩阵 ​

写加权内积 ⟨u,v⟩w=∑iwiuivi,范数为 ‖u‖w。最优高度 θ^ 是 y 到闭凸集 K 的最近点。沿任意可行线段求方向导数得

(14)⟨y−θ^,θ−θ^⟩w≤0(θ∈K).

对相同输入和权重的另一响应 y′,设拟合为 θ^′。将两份式(14)相加,再用Cauchy–Schwarz不等式,得到

‖θ^−θ^′‖w2≤⟨θ^−θ^′,y−y′⟩w≤‖θ^−θ^′‖w‖y−y′‖w.

因此拟合高度关于响应非扩张。它通常不是固定线性帽矩阵;哪些约束活跃会随响应改变。此稳定性只控制这组训练点的高度,不控制式(12)那种任意选取的未见点延拓。

仿射残差矩与验收 ​

给任意凸函数加上任意仿射函数仍凸。沿两个符号的仿射扰动都可移动,所以最优残差满足

(15)∑iwi(θ^i−yi)=0,∑iwi(θ^i−yi)xi=0.

这些是很有用的算术检查,但单独不充分;很多非最优甚至非凸高度也可能满足相同矩。完整交付仍应包括原始逐对可行性、两类驻点、非负乘子和互补,或一维等价约束的同样证书。

确定性最优性也不是总体风险保证。模型形状错误、极端响应、输入覆盖稀疏和过大的外推斜率都可能影响统计效果。额外平滑、限制斜率或选择不同延拓时,应清楚记录目标类和预测规则怎样改变,再为相应程序研究泛化与不确定性,不能把式(10)当成一份无需条件的预测误差界。

参考资料
关系图谱19 个相邻概念 · 3 类关系

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