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算法Algorithm

Perceptron 算法

施工中 · 内容逐步修订

Perceptron · 感知机算法

对误分类或零间隔样本沿标签方向更新线性权重的基础在线分类算法。

形式陈述 ​

算法 ​

在线性分类器与几何间隔的设定中,标签取 yt∈{−1,+1},本页固定输入为实 Euclidean 向量空间 Rd,内积与范数均取欧氏版本,并初始化 w1=0。第 t 轮在 ⟨wt,xt⟩≥0 时预测 +1,否则预测 −1,即固定零分数时的预测为 +1。算法在

yt⟨wt,xt⟩≤0

时更新

wt+1=wt+ytxt,

否则保持 wt+1=wt。若需要截距,可把输入扩展为 (x,1),但其范数界也随之改变。

按稠密 d 维向量、单位成本标量算术计,每个样本的内积评分需 O(d) 工作,触发的向量更新也需 O(d);模型保存 w 需 O(d) 个标量槽。顺序处理时不必保留过去样本,输入读取、特征构造和数值精度成本另计。

有限更新与错误界 ​

在错误界模型中,假设存在单位向量 u 使所有样本满足 yt⟨u,xt⟩≥γ>0,且 ‖xt‖≤R。若算法已更新 M 次,则沿 u 的投影至少线性增长:

⟨w,u⟩=∑t∈Myt⟨xt,u⟩≥Mγ.

另一方面,每次更新时 yt⟨wt,xt⟩≤0,所以

‖wt+1‖2=‖wt‖2+2yt⟨wt,xt⟩+‖xt‖2≤‖wt‖2+R2,

即 ‖w‖≤RM。由Cauchy–Schwarz 不等式,Mγ≤RM,故 M≤(R/γ)2。每次真正的 0–1 预测错误都会触发更新,但零分数且标签为 +1 时,预测正确也会更新。因此累计预测错误数至多为 M,同样满足这个上界。

直觉

二维更新图像 ​

当正样本被分到负侧时,加上 xt 把法向量朝该点旋转;负样本被错分时,yt=−1 使更新减去 xt。算法在误分类或零间隔时移动,不需要预先写下概率模型,也不在每轮求解一个完整批目标。证明中的两条增长规律因此有清楚图像:每次更新都让 w 朝真实分隔方向前进,同时其长度只能以平方根速度累积。

误分点驱动分隔线旋转
例子与边界

从 w1=(0,0) 开始,依次输入 ((1,0),+1)、((1,1),−1)、((0,1),−1)。第一步分数为 0,预测 +1 虽然正确,仍按零间隔规则更新到 w2=(1,0);第二步分数为 1,错预测为 +1,更新到 w3=(0,−1);第三步分数为 −1,预测正确且标签乘分数为 1,所以 w4=(0,−1)。这三步共有两次更新、一次预测错误。

边界与辨析 ​

不可分数据上基础 Perceptron 可能无限更新;pocket、averaged Perceptron 等是另行定义的变体。这里的“收敛”指可分条件下非正间隔更新次数有限,不代表参数收敛到唯一向量。它既不是最大间隔 SVM,也不是 logistic regression:后两者优化明确的不同目标。更新可看作某些 hinge 型损失的次梯度步,但这个联系不改变算法的在线错误界语义。

若把所有点同时乘以常数,R 与 γ 会同比变化,比例 R/γ 保持不变;若只重缩放某个坐标,几何却会改变。截距增广、范数选择和特征尺度都必须与 margin 假设一起报告,否则同一个错误界公式会被赋予不同含义。

推论与应用

上面的证明给出算法本身的有限更新保证,Perceptron 错误界进一步把其假设、常数和失败情形整理为独立定理。若关心 IID 样本上的预测风险,可继续使用间隔泛化界;若损失改为一般凸函数并加入投影,更新思路则进入在线梯度下降。这些后继共享一阶更新图像,却使用不同的概率与比较器语义。

参考资料
  • Frank Rosenblatt, The Perceptron, Psychological Review 65(6), 1958, pp. 386–408.
  • Albert B. J. Novikoff, “On Convergence Proofs on Perceptrons,” in Proceedings of the Symposium on the Mathematical Theory of Automata, 1962, pp. 615–622.
关系图谱16 个相邻概念 · 3 类关系

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