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模型Model

专家建议预测

Prediction with expert advice

在全信息反馈下组合多个专家,并与事后最好的固定专家比较。

形式陈述 ​

全信息专家协议 ​

在在线学习协议中,令专家索引组成有限集合 [N],其中 N≥1。第 t 轮学习器先选分布 pt∈ΔN,损失向量 ℓt∈[0,1]N 随后揭示,学习器承受期望混合损失 ⟨pt,ℓt⟩。相对专家 i 的遗憾为

∑t⟨pt,ℓt⟩−∑tℓt,i,

目标是同时对所有 i 小。Hedge 以指数方式降低高累计损失专家的权重,可得到 O(Tlog⁡N) 遗憾。

全信息是关键:更新需要看到所有 ℓt,i。若只观察被选专家损失,就进入bandit,常用重要性加权估计恢复隐藏坐标,反馈减少会改变遗憾尺度。批学习有限类的 log⁡N 来自并集界,本页的 log⁡N 来自在线势函数,形式相似但证明协议不同。

指数权重势函数 ​

指数权重的证明图像是维护势

Wt=∑i=1Nexp⁡(−ηLt,i),

其中 Lt,i 是专家累计损失。从下方看,WT 至少包含最好专家的一项 e−ηminiLT,i;从上方看,利用有界损失的指数矩可把每轮势变化与混合损失联系。比较两端并选 η≍log⁡N/T,得到 O(Tlog⁡N) 遗憾。

直觉

Hedge 不急着永久选定一位专家,而是让每位专家的累计表现决定下一轮话语权。一次损失只把对应权重乘上一个因子,因此短期失误不会把专家彻底清零;长期持续较差的专家则会指数级失去权重。势函数把所有候选的剩余质量放在同一个数里,上界记录算法每轮付出的混合损失,下界保留事后最好专家那一项。

log⁡N 不是说必须逐个“学会”所有专家,而是同时与 N 个固定参照竞争所付的复杂度。专家之间可以高度相关,甚至大多数都很差;保证只需要最好固定专家藏在集合里,并不假设多数投票可靠,也不保证这个最好者的绝对损失很小。

专家混合与全信息反馈
例子与边界

天气预测与凸混合 ​

天气预测器可被视为专家,但它们不必独立、诚实或各自准确;保证只与最好固定专家比较。随机选专家时,实际损失是 ℓt,It;若本轮损失不依赖尚未抽出的动作,其条件期望才等于 ⟨pt,ℓt⟩。混合损失的确定性界并不保证每次随机运行都满足同一错误界。

例如两专家预测概率 0 和 1,各获一半权重,结果为 1。随机选专家的期望平方损失为 1/2;直接输出平均概率 1/2 的平方损失为 1/4。后者更小来自凸性,这两种输出方式并非逐轮损失相同的算法。

专家给“建议”和专家直接承担“损失”是等价接口的两步:若专家 i 预测 zt,i,环境揭示结果 yt 后定义 ℓt,i=ℓ(zt,i,yt);若损失对预测凸,学习器还可输出加权平均 ∑ipt,izt,i,其损失不超过混合损失。非凸 0–1 损失下通常需要随机选专家,不能无条件平均标签。

信息次序与比较器边界 ​

若 N=1,算法只能跟随唯一专家,遗憾恒为零但绝对损失可能很大;专家框架从不保证世界可预测。若专家在看见本轮随机选择后才提交建议,也破坏了标准信息次序,不能沿用同一势函数分析。

比较器只允许挑一个固定专家。若希望与最好的专家切换序列比较,要限制切换次数并增加相应罚项;否则每轮挑当轮零损失专家的 oracle 过强,标准 Hedge 的 O(Tlog⁡N) 结论没有覆盖它。

推论与应用

在专家给出二元标签、反馈真实标签的 0–1 预测子协议中,Weighted Majority 算法对犯错专家乘性降权,得到相对于最佳固定专家的乘性错误界;它不因此获得本页一般有界损失的加性无遗憾保证。对一般有界损失,Hedge用指数权重给出期望或确定性混合损失的遗憾界。二者共享乘性更新骨架,但输出规则与损失模型应随协议分别陈述。

专家框架可以聚合天气模型、资产配置规则、超参数实例或不同算法的在线预测。只要每轮能在更新前收齐各专家建议,并在结果出现后计算所有专家损失,Hedge 的保证便与专家内部如何产生建议无关;这使它成为组合异质预测器的通用外层。

若反馈缩减为仅观察所选专家,问题转为多臂赌博机,重要性加权会把估计方差和动作数带入遗憾。若损失序列很容易、方差很小,二阶专家建议界还能用实际波动替代最坏的 T 依赖,在简单序列上给出更敏感的保证。

把固定专家换成允许有限次切换的路径,可得到 tracking the best expert;把专家数扩展到连续参数族,则需用先验权重、覆盖或凸优化结构代替有限求和。每次增强比较器都扩大了事后选择能力,也必须在遗憾中支付相应复杂度。

参考资料
  • Nick Littlestone and Manfred K. Warmuth, “The Weighted Majority Algorithm,” Information and Computation 108(2), 1994, pp. 212–261.
  • Nicolò Cesa-Bianchi and Gábor Lugosi, Prediction, Learning, and Games, Cambridge University Press, 2006, Ch. 2.
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