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错误界模型

Mistake-bound model

在可实现在线二分类中,对任意序列控制总预测错误数。

条目类型
模型

形式陈述

协议与保证

沿用在线学习协议,每轮先见 xt,学习器提交 y^t,随后才见真标签 yt。序列对假设类 H 可实现,若存在一个固定 hH 对所有轮满足 h(xt)=yt。算法的 mistake bound M(H) 要对任意长度、任意次序的可实现序列保证

t1{y^tyt}M(H).

有限类的 Halving 算法维护与历史一致的版本空间,每次按版本空间多数预测。每次犯错至少淘汰一半候选,所以错误数至多 log2|H|。这个证明不需要例子顺序随机,环境甚至可根据历史挑下一个 xt

版本空间在第 t 轮前是

Vt={hH:s<t, h(xs)=ys}.

可实现性保证 hVt,所以它永不为空。多数预测犯错时,与预测相同的至少一半候选被新标签排除,故 |Vt+1||Vt|/2;连续犯 M 次错后仍有 1|VT+1||H|/2M,整理即得界。

直觉

版本空间把“仍可能是真目标”的候选保留下来。Halving 并不要求每轮知道哪个候选正确;它只选择能让两种标签分支尽量平衡的预测,使每次错误都购买一次至少减半的信息进展。正因为真目标始终留在集合中,这种缩减不可能无限发生。

这个证明还显示无限类不能直接用基数对数。无限类是否有有限最坏错误界由 Littlestone 维控制;VC 维只刻画 IID 批学习,二者可能不同。

例子与边界

若序列含噪,不存在零错误比较器,绝对错误界通常不再有限;应改用相对最好假设的 regret 或 agnostic mistake bound。预测后才揭示标签也是本质条件,不能把事后重放当在线保证。

以四个候选假设开始,第一次按多数预测却犯错后,至少两个候选与新标签矛盾,版本空间至多剩两个;第二次犯错后至多剩一个。只要序列可实现,真目标从不会被删掉,因此算法最多犯 log24=2 次。这一保证与轮数无关,却依赖每次能准确维护全部一致候选。

推论与应用

当预测来自有限专家集合且每轮能观察专家是否出错时,Weighted Majority 算法按错误乘性衰减权重,把学习器累计错误控制在最佳固定专家错误数与 logN 复杂度项之和。它实现的是专家式错误界;一般假设类仍需给出如何产生专家、如何更新版本空间或如何利用几何结构。

Halving 算法把有限类的版本空间缩减变成 log2|H| 错误界,Perceptron则用几何 margin 在无限线性类中得到有限错误保证;Littlestone 维进一步刻画一般可实现在线类的最优最坏错误数。

错误界与 PAC 样本界可以使用同一个类,却量化不同序列。PAC 对 IID 抽样给概率保证;mistake bound 要对对手挑选的任意可实现次序成立。有限 VC 维也不自动给有限在线错误界,不能在两种协议之间只替换复杂度符号。

参考资料
  • Nick Littlestone, “Learning Quickly When Irrelevant Attributes Abound: A New Linear-Threshold Algorithm,” Machine Learning 2, 1988, pp. 285–318.
  • Nick Littlestone and Manfred K. Warmuth, “The Weighted Majority Algorithm,” Information and Computation 108(2), 1994, pp. 212–261.
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