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Rademacher 复杂度

Rademacher complexity · empirical Rademacher complexity

用随机正负号衡量函数类在给定样本上拟合无结构噪声的能力。

条目类型
定义

形式陈述

给定任意固定样本序列 S=(Z1,,Zm) 与实值函数类 F,经验 Rademacher 复杂度定义为关于随机符号的期望

R^S(F)=Eσ[supfF1mi=1mσif(Zi)],

其中 σi 独立且等概率取 ±1,并与其他随机量独立。定义要求上确界关于 σ 可测且期望有限;对不可数病态类,可改用可分版本或外期望。若进一步令 SDmIID 样本,则分布依赖的期望 Rademacher 复杂度定义为

Rm(F)=ESDmR^S(F).

经验复杂度本身不要求 IID;IID 只在对样本再取期望及推导常见泛化界时进入。全库采用上式、不额外乘 2 的归一化;引用采用 2/m 或在上确界内放绝对值的文献时,定理常数必须随之换算。

直觉

固定输入点后,σi 是完全没有规律的随机标签。若类仍能让带符号和很大,它就能追逐样本噪声;若所有函数在这些点上的取值受共同结构约束,正负贡献大多抵消。它度量的是一个函数类相对于样本的丰富度,不是某个已训练模型的“复杂分数”。

Rademacher 复杂度拟合随机符号
例子与边界

Rademacher 复杂度依样本和函数值幅度衡量类与随机符号的相关性,能给数据依赖界;VC 维以二元打散能力给分布无关的组合维数。VC 维可上界某些 Rademacher 复杂度,但两者不是逐实例相同的数。

线性类的计算

F={xw,x:w2B}。由对偶范数与 Cauchy–Schwarz,

R^S(F)=BmEσiσixi2.

再用 Jensen 与符号独立性消去交叉项,

R^S(F)Bmixi22.

若每个 xi2R,便得到 BR/m。这个推导展示复杂度同时依赖范数半径和实际数据几何,而不只依赖参数个数。

一个可以枚举完的函数类

F={f+,f},其中 f+(z)=1f(z)=1。对任意样本,

R^S(F)=Eσ|1mi=1mσi|.

m=2 时,符号和为 2,0,0,2,各以概率 1/4 出现,所以经验复杂度为

14(1+0+0+1)=12.

即使函数不读取数据点,类仍可在两个相反常数之间配合随机符号;随着 m 增加,归一化符号和的典型量级降为 m1/2

与泛化的关系

对称化通常给出

EsupfF(PfPmf)2Rm(F),

随后再用集中不等式得到高概率界。若学习损失是 ϕf,必须先证明 contraction 条件,例如 ϕ 为 Lipschitz;不能把 score 类的复杂度直接当作无界 log-loss 类的复杂度。

边界与约定

经验复杂度随 S 随机,期望复杂度还依赖分布 D。有些文献在 supremum 内加入绝对值;若 F=F,取负对称性会把单边上确界自动变成绝对值版本。

把整个类平移同一个固定常数 c 不改变复杂度,因为附加项 cm1iσi 对符号的期望为零。但若类包含所有可任意选择的常数函数,且常数无界,上确界会在符号和非零时发散。中心化、包络有界性和对称闭包分别处理不同问题,不能笼统称作“平移影响”。归一化因子 1/m 也不能遗漏,否则样本增大时量级会反向增长。

推论与应用

对称化把类上的期望泛化间隙转成 Rademacher 过程,收缩引理再把 Lipschitz 损失类的复杂度归约到 score 类。结合有界差分即可得到数据依赖的高概率泛化界。

覆盖数与 Dudley 熵积分可从多尺度几何上界这一复杂度;局部 Rademacher 复杂度则只考察低风险邻域,并在 Bernstein 条件下产生快于 m1/2 的速率。

参考资料
关系图谱16 个相邻概念 · 3 类关系

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