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Rademacher 泛化界

Rademacher generalization bound

用样本上的 Rademacher 复杂度给出对整个有界实值函数类同时成立的数据依赖总体风险上界。

条目类型
定理

形式陈述

F 是由有界损失组成、从 Z[0,1] 的固定函数类,S=(Z1,,Zm)Dm。采用Rademacher 复杂度

R^S(F)=Eσ[supfF1mi=1mσif(Zi)],Rm(F)=ESR^S(F),

其中 σi 是独立均匀的 {1,+1} 符号。则在可测性条件下,以至少 1δ 的概率,同时对所有 fF

PfPmf+2Rm(F)+log(1/δ)2m.

把未知的期望复杂度换成样本可计算的经验复杂度,一种常用版本是

PfPmf+2R^S(F)+3log(2/δ)2m.

不同文献若在复杂度定义中预先放入 2/m,定理前的系数会相应变化;不能只换定义而保留常数。

从总体偏差到随机符号

考察单边偏差

Φ(S)=supfF(PfPmf).

引入独立 ghost sample S,Jensen 不等式与对称化依次给出

ESΦ(S)ES,Ssupf(PmfPmf)2Rm(F).

第二步利用每对 (Zi,Zi) 可交换:乘上随机符号不会改变联合分布,再把两个符号和分别以上确界控制。此处得到的是整个类的期望最大偏差,而非单个训练后模型的事后估计。

替换 S 中一个观测时,每个 Pmf 至多变化 1/m,所以上确界 Φ(S) 也至多变化 1/m有界差分不等式把期望提升为第一条高概率界。经验复杂度本身对单点替换也至多变化 1/m,再做一次集中并合并失败事件,得到第二条完全数据依赖的版本。

直觉

上界把泛化代价拆成两部分:函数类在当前样本上拟合随机符号的能力,以及把随机上确界从期望提升到高概率所付的集中项。经验版本因直接读取样本几何而可计算,却还要为自身随机波动再支付一次集中常数。

例子与边界

线性预测器经过损失后的真例

设 score 类

G={gw:xw,x:w2B},x2R.

对固定输入样本,Cauchy–Schwarz 给

R^S(G)=BmEσiσixi2Bmixi22BRm.

若损失 (y,) 在预测范围上是 L-Lipschitz,并把每个 z=(x,y) 上的损失减去与 w 无关的 (y,0),则Rademacher 收缩引理给出中心化损失类的复杂度至多 LBR/m。对固定样本,把 (yi,0) 加回每个函数只增加一个公共符号和,其关于 σ 的期望为零,所以原损失类具有相同的经验 Rademacher 复杂度。若原损失值还被归一化到 [0,1],本页定理得到

RD(gw)R^S(gw)+2LBRm+log(1/δ)2m

同时对所有 w 成立。这里使用真实范数、数据半径和 Lipschitz 常数,而不是把参数个数机械塞进公式。

例如 L=B=R=1m=400δ=0.05 时,期望复杂度项至多 2/400=0.1,集中项为

log208000.0612.

因此该版本给出的统一风险附加量约为 0.1612。这是充分上界,不表示每个样本都恰好出现同样大小的 gap。

失效边界与相邻方法

平方损失在无界预测范围上无界且非全局 Lipschitz,本页两个关键步骤——单点变化至多 1/m 与有界差分集中——都失效。此时应先限制预测/标签范围,或使用次高斯、截断、方差敏感的经验过程工具,不能只把 [0,1] 删除。

F 必须在看见样本前固定,或有额外条件保证数据依赖不会泄漏到复杂度选择中。该界与 VC 界同为一致控制,但 Rademacher 复杂度可响应实际样本几何并直接处理实值类;它不是某个单模型的“复杂度分数”,也不自动给无界深网一个有限保证。

推论与应用

配合收缩引理,范数受限线性 score 类可转成 hinge、logistic 等代理损失的风险界;配合 Dudley 熵积分,则可由多尺度覆盖数控制复杂度。两条路线分别利用代数几何和度量几何。

局部化只对低风险或低方差子类重复这套论证,并用不动点给出快速度。若数据重尾或类由样本选择,应使用相应的稳健集中、条件复杂度或独立选择协议,而不是删除有界性假设。

参考资料
  • Peter Bartlett and Shahar Mendelson, “Rademacher and Gaussian Complexities: Risk Bounds and Structural Results,” 2002.
  • Mehryar Mohri, Afshin Rostamizadeh, and Ameet Talwalkar, Foundations of Machine Learning, 2nd ed., MIT Press, 2018.
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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