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Online-to-Batch 转换

Online-to-batch conversion · 在线到批学习转换

利用当前在线预测器只依赖过去样本的独立性,把平均在线遗憾转为批学习的期望超额风险。

条目类型
原则

形式陈述

基本转换

Z1,,ZTIIDD,即沿用独立同分布样本协议。在线算法在第 t 轮看到 Zt 之前,根据 Z1,,Zt1 产生预测器 ht,随后承担损失 (ht,Zt)。假设它相对固定比较类满足遗憾

t=1T(ht,Zt)infhHt=1T(h,Zt)BT.

取独立均匀索引 JUnif{1,,T},输出随机预测器 hJ。用总体风险 RD 评价时,

ERD(hJ)infhHRD(h)+BTT.

若遗憾界只在期望中成立,右侧相应使用期望遗憾。若 BT=o(T),随机迭代的期望类内超额风险趋于零。

直觉

独立性是整座桥

ht 对过去生成的 sigma 代数 Ft1=σ(Z1,,Zt1) 可测,而 Zt 与它独立,因此

E[(ht,Zt)Ft1]=RD(ht).

另一方面,对任意固定 hH,遗憾不等式给

t(ht,Zt)t(h,Zt)+BT.

取期望并使用 IID 性,右侧第一项变成 TRD(h);再除以 T 并对近似最优 h 取极限,就得到结论。这里不需要把大数定律当作替代证明,真正工作的是“本轮预测尚未看过本轮样本”。

例子与边界

输出方式

随机选择 hJ 适用于任意损失,因为其风险恰是各轮风险平均。如果预测集合是凸的,且 (,z) 对预测参数凸,可输出平均参数

h¯T=1Tt=1Tht;

Jensen 不等式给 RD(h¯T)T1tRD(ht)。对二元分类器,参数或标签的算术平均通常不属于 H,此时应保留随机迭代,或另行分析多数投票;不能无条件把凸情形的平均步骤搬过来。

失败边界与高概率版本

若算法先看 Zt 再构造 ht,它可以记住当前标签并令训练损失为零,但 E(ht,Zt)=ERD(ht) 已不成立。随机排列的固定有限数据也不等同于 IID 流;无放回抽样需要单独论证。对自适应或漂移分布,比较对象应改成相应序贯风险。

上面的结论是期望保证。要得到高概率风险界,必须再控制鞅差、使用验证样本,或采用带置信转换;不能把期望式中的 BT/T 原样标上“概率至少 1δ”。

推论与应用

在线梯度下降为例,若凸 G-Lipschitz 损失在直径 D 的集合上有 BT=O(GDT),转换后的批超额风险便是 O(GD/T)。对Perceptron,错误界可在 IID 可分数据上转成随机在线迭代的期望分类错误,但最终权重或投票的保证仍取决于具体输出规则。这个接口也解释了为什么 online no-regret 只控制平均迭代:若需要最后一次迭代保证,还必须引入额外稳定性或曲率。

参考资料
  • Nicolò Cesa-Bianchi, Alex Conconi, and Claudio Gentile, “On the Generalization Ability of On-Line Learning Algorithms,” IEEE Transactions on Information Theory 50(9), 2004, pp. 2050–2057.
  • Nicolò Cesa-Bianchi and Gábor Lugosi, Prediction, Learning, and Games, Cambridge University Press, 2006, Ch. 5.
关系图谱15 个相邻概念 · 1 类关系

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