留掉一个样本再预测它,可以避免这个样本直接参与自己的拟合。但这些留一残差来自不同模型,不能当作同一个冻结模型的独立校准分数。Jackknife+同时保留每个留一模型对新输入的预测,让这份模型变化进入区间端点。
形式陈述
同一个留一模型产生一对端点
设 n ≥ 2 ,数据对 Z 1 , … , Z n , Z n + 1 可交换 理路 可交换随机变量 Exchangeable random variables · Exchangeability · 可交换性 从有限坐标置换对称性走到无限 Bernoulli 序列的唯一混合表示,并用矩判断无限延拓的边界。 ,响应为实数。取确定、可测、对样本排列不变的拟合算法 A ,输出实值预测器 理路 预测器与假设类 Predictor · Hypothesis class 区分可用于预测的函数、函数集合及其参数表示。 。随机算法可先固定一个独立于数据的共同随机种子,再要求得到的算法对排列不变。
记 f ^ − i = A ( ( Z j ) j ≠ i , j ≤ n ) ,留一残差为
R i = | Y i − f ^ − i ( X i ) | . 固定 0 < α < 1 / 2 。给定新输入 x,逐个计算
a i ( x ) = f ^ − i ( x ) − R i , b i ( x ) = f ^ − i ( x ) + R i . 将两列分别按带重数的顺序统计量 理路 顺序统计量 Order statistic 有限样本按键排序后第 k 个位置的值,保留重复出现的次数。 排序,令
ℓ = ⌊ α ( n + 1 ) ⌋ , u = ⌈ ( 1 − α ) ( n + 1 ) ⌉ . 约定 a ( 0 ) = − ∞ , b ( n + 1 ) = + ∞ ,返回闭区间
(1) C + ( x ) = [ a ( ℓ ) ( x ) , b ( u ) ( x ) ] . 则
(2) P { Y n + 1 ∈ C + ( X n + 1 ) } ≥ 1 − 2 α . 概率平均了训练样本与未来点;没有固定住某份训练资料,也没有条件于每个输入 x。要求至少90%的最坏覆盖时,可用内部参数 α = 0.05 。把 α = 0.1 的常见经验表现直接标成无条件定理保证90%,会漏掉式(2)的因子二。
直觉
一个模型删掉异常点后可能向左移,另一个模型删掉普通点后可能向右移。只在全数据模型周围加同一残差分位数,会忽略这些中心变化。式(1)先为每个模型生成自己的左右端点,再分别排序,不必让最终区间围绕某一个拟合值对称。
证明也不是让全部 R i 与某个新残差共享一个秩。它在一份包含真实未来点的假想数据上,每次删掉两个点,让被比较的两点面对同一个模型。每一对至多有一方残差严格更大,因此不可能有太多点同时赢过几乎所有其他点。
一个有限比较计数
令 N = n + 1 。对任意零对角的0–1矩阵 H,假设 H i j + H j i ≤ 1 。记
S = { i : ∑ j H i j ≥ u } , u = ⌈ ( 1 − α ) N ⌉ . 若 s = | S | > 0 ,每个 S 中的点对其余 N − 1 点,至多有 N − 1 − u 次“不赢”。S 内每个无序点对至少贡献一次不赢,包括并列时的两次。因此
s ( s − 1 ) 2 ≤ s ( N − 1 − u ) , s ≤ 2 ( N − u ) − 1 ≤ 2 α N . 若 S 为空,最后的弱界同样成立。这里不要求每对恰有一方赢,所以并列残差不会破坏结论。
例子与边界
四个响应,得到一个不以全样本均值为中心的区间
忽略输入,算法返回训练响应均值。历史响应为 ( 0 , 0 , 2 , 4 ) ,取 α = 1 / 5 。四个留一均值和残差分别是
f ^ − i = ( 2 , 2 , 4 / 3 , 2 / 3 ) , R i = ( 2 , 2 , 2 / 3 , 10 / 3 ) . 新输入上仍使用这些常数预测,得到
a i = ( 0 , 0 , 2 / 3 , − 8 / 3 ) , b i = ( 4 , 4 , 2 , 4 ) . 此时 ℓ = 1 , u = 4 ,所以 C + = [ − 8 / 3 , 4 ] 。全样本均值为 3 / 2 ,式(1)无需围绕它对称。若用全样本中心加减同样的最大留一残差,则得到 [ − 11 / 6 , 29 / 6 ] ,是另一种算法;两个区间甚至互不包含。
为什么普通留一残差加全样本中心仍可能失败
设响应恒为零。定义一个排列不变却不稳定的算法:训练样本数为偶数时恒预测100,为奇数时恒预测0。取 n = 4 , α = 1 / 5 。所有留一模型都在三个零上训练,故预测和残差全为零;全数据模型却预测100。
用全数据中心加残差分位数,得到 { 100 } ,未来零响应的覆盖为零。Jackknife+得到 { 0 } ,覆盖为一。例子只改变训练规模就使算法跳变,已经足够否决“留一残差自然保证覆盖”;定理并不要求这个拟合算法准确或稳定。
旧Jackknife偏差与方差估计 理路 Jackknife Jackknife resampling · Leave-one-out jackknife 通过逐一删除观测重新计算统计量,估计其首阶偏差与方差的方法。 也逐点删除,但它研究统计量敏感性与伪值,不等于式(1)的预测集合。共享删除操作不意味着共享有限样本覆盖证明。
小样本与实施边界
若 α < 1 / ( n + 1 ) ,则 ℓ = 0 , u = n + 1 ,式(1)输出整个实轴。把无穷端点截成观测极值会改变程序。端点接受用非严格比较,证明中的异常比较则严格;将并列端点删除也可能损失当前保证。
拟合算法可包含调参,但每次留一拟合必须按同一个预定流程,仅读取其允许的数据。若先用全数据标签选超参数,然后在每次删除中偷用这个结果,删二对称构造通常已不是实际算法。拟合失败时也须有预先规定的对称返回规则,不能只丢掉不方便的残差。
推论与应用
将比较矩阵与漏覆盖事件接起来
在包含真实测试点的 N 份数据中,对不同 i,j 定义删二模型
f ~ − ( i , j ) = A ( ( Z k ) k ∉ { i , j } , k ≤ N ) , 以及
Q i j = | Y i − f ~ − ( i , j ) ( X i ) | , H i j = 1 { Q i j > Q j i } , H i i = 0. 两点使用同一个模型,故 H 满足前面的比较条件。算法排列不变与数据可交换使 H 的联合律在同时置换行列时保持不变。因此每个位置落入 S 的概率相同,
P ( N ∈ S ) = E | S | N ≤ 2 α . 现在取 i = N 。删掉 N 和 j 的模型恰为实际的 f ^ − j 。若 Y N > b ( u ) ( X N ) ,至少 u 个 j 满足
Y N > f ^ − j ( X N ) + R j , 从而 Q N j > R j = Q j N 。若 Y N < a ( ℓ ) ( X N ) ,至少 n − ℓ + 1 = N − ℓ = u 个 j 给出同样的严格残差比较。无穷端点时对应事件不发生。于是漏覆盖必然推出 N ∈ S ,式(2)成立。
这个证明中的删二拟合只用于分析,并不要求用户在预测时真的拟合全部 ( N 2 ) 个模型。实际训练需 n 次规模 n−1 的拟合;校准需 n 次留一点评分。每个新输入再调用 n 个模型并排序两列,时间为 O ( n c f + n log n ) ,端点工作存储为 O ( n ) ;保存模型的空间和训练成本另计。精确选择算法可代替完整排序。
CV+ 理路 CV+ 交叉验证预测区间 CV+ · Cross-validation plus prediction 将每个折外模型的新点预测与本折残差配对,在等大预定折和IID数据下证明保折对称性带来的有限样本覆盖修正。 将留一改为等大折删除,K=n时更新式恢复为式(1)。本页覆盖定理只需有限可交换性,CV+页为证明一般折数的保证使用IID数据,两个统计前提仍须分别保留。K较小时拟合次数减少,但折内点之间缺少同一套两点比较,需要相应有限样本修正。两者都不能因为复用了更多训练数据,就无条件承诺区间更短。
参考资料
Rina Foygel Barber, Emmanuel J. Candès, Aaditya Ramdas, Ryan J. Tibshirani,Predictive Inference with the Jackknife+ ,The Annals of Statistics 49(1),486–507,2021;所阅作者稿§1.2、§2 Theorem1、§6(PDF第17–20页)。本文展开含并列的比较计数与双端点事件,并另构造训练规模跳变反例。