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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。

条目类型
定义

形式陈述

在线学习协议中,给定动作 at 和固定比较器集合 U,外部遗憾定义为

RegT=t=1Tt(at)infuUt=1Tt(u).

比较器是回看完整序列后挑出的最好固定动作,但算法必须逐轮因果行动。No-regret 指 RegT=o(T),即平均每轮差距趋零;累计损失本身不必趋零。

若算法随机,可讨论实现值、期望遗憾或高概率遗憾。随机 bandit 的伪遗憾先对奖励取期望再与均值最优臂比较,与单条样本路径遗憾并非恒等。动态遗憾允许比较器随时间变化,若不限制变化总量,逐轮 oracle 可使任何算法显得线性差。

直觉

遗憾把整段序列压成一场赛后对账:算法必须在信息逐轮到达时行动,比较器却可以看完整段序列后从预先声明的集合中挑最好者。这个“事后挑、但只能在固定集合里挑”的不对称既让基准有解释力,又避免它强到每轮都预知答案。

遗憾是加性差,不是近似比或竞争比;“O(T)”也只有在动作集、反馈模型、损失范围与比较器明确时才完整。错误数可视为 0–1 损失累计值,但 mistake bound 在可实现序列上与零错误比较器比较,是更强的专门模型。

No-regret 的含义是平均差距消失,而不是累计损失趋零,也不是最后一次动作收敛。算法完全可能和一个很差的最好比较器一起承受巨大绝对损失;它保证的是没有长期落后于这个参照类,而不是保证环境本身容易预测。

累计损失与最佳固定比较器
例子与边界

固定专家与动态 oracle

设两位专家在十轮中的累计损失分别为 3 和 7,算法累计损失为 4,则相对最好固定专家的遗憾为 43=1,不是错误数 4,也不是相对每轮事后最好建议的差。若每轮轮流有一位专家零损失,动态 oracle 可累计为零,而任何固定专家约损失五次;换比较器会彻底改变问题难度。

bandit 中的两层期望

随机 bandit 中还有两层期望。伪遗憾用臂的均值比较,期望 realized regret 则把同一奖励表上事后最好臂作为随机基准;有限时域下二者可不同。写“expected regret”时应明确期望对算法、奖励和可能的随机对手分别取在哪里。

负遗憾与更强比较器

遗憾还可能为负:算法能随历史切换,某条序列上可能胜过事后最好固定动作。No-regret 要求的是上界而非非负性。若想保证对每个区间或每个切换次数受限的比较器都好,需要 strongly adaptive 或 shifting regret,并为比较器的额外自由支付复杂度。

推论与应用

从总遗憾到平均表现只需除以 TO(T)/T=O(1/T)0。但这不意味着最后一轮动作收敛,也不保证单轮损失下降;在线到批转换通常要平均迭代点或随机抽取一轮,并另外使用凸性或随机顺序假设。

U 是有限专家集合时,定义直接导向专家建议预测:指数权重用 O(Tlog|U|) 的代价同时追踪所有固定专家。若 U 是凸集,在线凸优化把同一比较式与梯度几何结合;若允许有限次切换,则需把切换位置与次数的复杂度加入界中。

遗憾界还可通过在线到批转换产生随机样本下的风险保证。转换不是字面上把 T 改成样本量:必须说明数据次序、损失凸性以及输出采用平均迭代点还是随机一轮,才能把因果序列上的平均比较转成总体期望风险。

参考资料
  • Nicolò Cesa-Bianchi and Gábor Lugosi, Prediction, Learning, and Games, Cambridge University Press, 2006.
  • Sébastien Bubeck and Nicolò Cesa-Bianchi, “Regret Analysis of Stochastic and Nonstochastic Multi-armed Bandit Problems,” Foundations and Trends in Machine Learning 5(1), 2012, pp. 1–122.
关系图谱22 个相邻概念 · 1 类关系

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