形式陈述
基本转换
令 Z 1 , … , Z T ∼ I I D D ,即沿用独立同分布样本 公理库 独立同分布样本 IID sample · Independent and identically distributed sample 以乘积分布描述来自同一总体的独立重复观测。 协议。在线算法在第 t 轮看到 Z t 之前 ,根据 Z 1 , … , Z t − 1 产生预测器 h t ,随后承担损失 ℓ ( h t , Z t ) 。假设它相对固定比较类满足遗憾 公理库 遗憾与比较器类 Regret · Comparator class 用累计损失相对预先规定的比较器类最优值来评价在线决策。 界
∑ t = 1 T ℓ ( h t , Z t ) − inf h ∈ H ∑ t = 1 T ℓ ( h , Z t ) ≤ B T . 取独立均匀索引 J ∼ Unif { 1 , … , T } ,输出随机预测器 h J 。用总体风险 公理库 损失函数与总体风险 Loss function · Population risk · Expected risk 损失刻画一次决策的代价,总体风险是未知分布下的平均代价。 R D 评价时,
E R D ( h J ) ≤ inf h ∈ H R D ( h ) + B T T . 若遗憾界只在期望中成立,右侧相应使用期望遗憾。若 B T = 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
h t 对过去生成的 sigma 代数 F t − 1 = σ ( Z 1 , … , Z t − 1 ) 可测,而 Z t 与它独立,因此
E [ ℓ ( h t , Z t ) ∣ F t − 1 ] = R D ( h t ) . 另一方面,对任意固定 h ∗ ∈ H ,遗憾不等式给
∑ t ℓ ( h t , Z t ) ≤ ∑ t ℓ ( h ∗ , Z t ) + B T . 取期望并使用 IID 性,右侧第一项变成 T R D ( 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 h J 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 ℓ ( ⋅ , z ) 对预测参数凸,可输出平均参数
h ¯ T = 1 T ∑ t = 1 T h t ; Jensen 不等式给 R D ( h ¯ T ) ≤ T − 1 ∑ t R D ( h t ) 。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 Z t 再构造 h t ,它可以记住当前标签并令训练损失为零,但 E ℓ ( h t , Z t ) = E R D ( h t ) 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 B T / T 原样标上“概率至少 1 − δ ”。
推论与应用
以在线梯度下降 公理库 在线梯度下降 online gradient descent · OGD 在每轮凸损失揭示后走一个投影次梯度步,并以距离势函数控制 regret。 为例,若凸 G -Lipschitz 损失在直径 D 的集合上有 B T = O ( G D T ) ,转换后的批超额风险便是 O ( G D / T ) 。对Perceptron 公理库 Perceptron 算法 Perceptron · 感知机算法 对误分类样本沿标签方向更新线性权重的基础在线分类算法。 ,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.