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定义Definition

Littlestone 维

施工中 · 内容逐步修订

Littlestone dimension · online mistake dimension

以自适应实例树的路径打散刻画可实现在线学习的最优确定性错误数。

形式陈述 ​

Littlestone 维用自适应实例树衡量假设类在可实现在线错误界模型中的对抗深度。

设 H 非空。一棵深度 d 的完全二叉实例树在每个内部节点标一个 x∈X,每个内部节点的两条出边标 0 与 1,所有叶都在深度 d;较深节点的实例可依赖此前经过的标签。若对每条根到叶标签路径 (y1,…,yd),都有某个 h∈H 在该路径遇到的实例上依次输出这些标签,就称树被 H 在线打散。这些可实现深度的上确界是 Ldim(H)∈N0∪{∞}。非空类至少打散深度零的树;为了比较版本空间的空分支,另约定 Ldim(∅)=−1。

直觉

VC 维让对手先摆好一组点,再问能否实现所有静态标注;Littlestone 维允许对手看见过去标签后选择下一个点。对象因此不是普通点集,而是把所有可能历史同时编码的决策树。节点实例依路径变化,正是在线自适应性的来源。

与错误界的等价 ​

若存在深度 d 的打散树,对手每轮把当前节点实例交给学习器,并沿与学习器预测相反的边给出真标签。无论学习器怎样预测,它连续 d 轮犯错,且打散性质保证整条路径仍由某个 h 实现。因此任何确定性 learner 的最坏错误数至少为 d。

当 Ldim(H)<∞ 时,反方向可用 Standard Optimal Algorithm:在收到 x 后,比较版本空间两个标签子类的 Littlestone 维,预测维数较大的那一侧。若预测错误,保留下来的另一侧维数必严格下降,否则把两棵同深打散子树接到根 x 会构造更深树。于是错误数至多 Ldim(H)。两边合并说明可实现在线最优确定性 mistake bound 恰等于该维数。

阈值类的 Littlestone 打散树
例子与边界

有限类满足 Ldim(H)≤log2⁡|H|,因为深度 d 的树有 2d 条路径,每个确定性假设在树中至多实现一条路径。

一个能看见树自适应性的例子是有限有序域 {1,…,n}(n≥1) 上的阈值类

hk(x)=1{x≥k},k∈{1,…,n+1}.

对手在根节点询问中位点;标签 0 把可行阈值留在中位点右侧,标签 1 则留在左侧。此后在剩余区间继续询问中位点,正好形成二分搜索树。因此

Ldim(H)=⌊log2⁡(n+1)⌋

(非满二叉树时按可嵌入的最大完全深度理解),同时这族非退化阈值的 VC 维只有 1。在稠密无限序域上,二分过程可延续任意有限深度,Littlestone 维因而为无穷;这给出“有限 VC 不推出有限在线维”的具体见证。

计算边界也独立存在:Standard Optimal Algorithm 需要比较两个子版本空间的 Littlestone 维,信息论上最优并不保证这些维数能在多项式时间求出。

推论与应用

有限类的 log2⁡|H| Halving 界由 Littlestone 维统一推广;Standard Optimal Algorithm 则达到该维数给出的信息论最优错误数。

上述错误数等价针对可实现序列和确定性学习器。若标签含噪,版本空间未必保留真假设;在非预见对手下允许随机预测、以期望 regret 评价的不可知在线二分类中,有限 Littlestone 维仍刻画能否取得统一次线性上界。这个结论需另行处理有损比较器与随机化,可用序贯复杂度等工具分析,不能直接照搬版本空间缩减证明。

参考资料
关系图谱9 个相邻概念 · 1 类关系

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