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原则Principle

超额风险与误差分解

施工中 · 内容逐步修订

Excess risk · Error decomposition

把相对最优决策的风险差拆成逼近、估计和优化来源。

形式陈述 ​

总体最优与类内最优 ​

固定分布、损失和非空类 H。以下风险差与加减分解假定所涉及的总体风险、经验风险和最优基准均为有限实数,避免 ∞−∞。所有可测决策中的最优值 R∗=infhR(h) 对应Bayes 风险,类内最优值记作 RH∗=infh∈HR(h)。于是

R(h^)−R∗=RH∗−R∗⏟逼近误差+R(h^)−RH∗⏟类内超额风险.

下确界未必达到,故不应未经条件指定“类内最优参数”。

经验、优化与总体风险 ​

假设输出 h^∈H 满足 R^(h^)≤infh∈HR^(h)+εopt,且所有 h∈H 的经验—总体偏差不超过 εgen。对任意比较器 h,依次有 R(h^)≤R^(h^)+εgen≤R^(h)+εopt+εgen≤R(h)+εopt+2εgen。对 h 取下确界可得

R(h^)−RH∗≤2εgen+εopt.

这里的 εgen 是对经验风险与总体风险间隙的统一控制。泛化项出现两次,分别控制输出与比较规则;优化误差按目标值定义,参数距离或梯度范数需额外条件才能转换。

直觉

若输入分布确实给圆内外的冲突区域正概率,圆形真边界不能由半空间在分布意义下实现,逼近误差便可能为正;仅凭图形不同还不能断言它为正,因为分布也可能只集中在一条直线上或几个可线性分开的点上。类足够好但样本少,会留下估计误差;训练目标没求好,则留下优化误差。扩大类可能降低第一项,却提高后两项的难度。

训练—测试差只比较同一规则的两种风险,不是超额风险。非唯一最优时,参数相距很远也可能风险相同。正则化和代理损失会引入新的比较项,每次都应写清基准,不能把全部余量统称为“泛化误差”。

例子与边界

一个数值分解 ​

例如某任务的 Bayes 风险为 0.08,线性类内最优风险为 0.13,学习算法输出风险为 0.17。相对 Bayes 的超额风险 0.09 精确分成逼近误差 0.05 与类内超额风险 0.04。若训练优化只带来 0.01 经验次优,剩余 0.03 也不能不经论证都叫“估计误差”,因为统一偏差上界常是保守上界,而非可观测恒等分量。

输出属于比较类也是符号非负的条件。例如标签恒为 1,比较类只含常数零规则,其最优风险是 1;若允许输出类外常数一规则,输出风险为零,所谓类内超额风险就等于 −1。前面的加减恒等式依然成立,但不能再把两项都解释成非负误差;不可知学习允许 improper 输出时尤其要注意这一点。

代理损失与数据依赖类 ​

代理损失会增加一层转换。算法也许最小化 logistic 风险,但最终报告 0–1 风险;先分解代理风险的逼近、估计和优化项,再用校准函数把代理超额风险转换成分类超额风险。没有这条转换,代理目标下降不等于任务风险按同样数值下降。

若类或正则参数由同一数据选择,H 本身也变成随机对象。只要各项有限,逐样本的加减恒等式仍成立;在统一偏差确实受控的事件上,前面的比较链也仍成立。不能直接照搬的是预先固定类的高概率偏差界,因为选类已经使用了同一份数据。结构风险最小化可对候选类统一分配复杂度罚项与失败预算,从而把选择代价纳入概率保证。

推论与应用

分解还能指导改进顺序:当逼近项主导时,多采同分布数据不会突破类的天花板;当估计项主导时,盲目扩大类可能更糟;当优化项已远小于统计精度,再把训练目标多降十位小数通常不改变可保证的总体风险。这里的判断基于同一风险尺度,而不是把参数误差、运行时间和分类错误直接相加。

近似 ERM、正则化学习和代理风险最小化都可沿同一思路扩展,但每引入一个新目标都要增加对应的比较桥梁。若正则目标与任务风险不同,应先控制正则目标的优化与泛化,再单独证明它如何约束原始风险,不能把不同量纲的余量直接装进一个“总误差”名下。

参考资料
  • Devroye, Györfi, Lugosi, A Probabilistic Theory of Pattern Recognition, 1996.
  • Shalev-Shwartz, Ben-David, Understanding Machine Learning, 2014.
关系图谱16 个相邻概念 · 2 类关系

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