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样本复杂度、精度与置信度

Sample complexity · Accuracy and confidence

用 m(ε,δ) 描述达到风险精度与失败概率所需的数据量。

条目类型
定义

形式陈述

统计学习问题中,先固定学习器 A、允许分布族 D 和风险基准 B(D)。其分布无关样本复杂度可定义为满足下式的最小整数阈值:

mA(ε,δ)=inf{m0N:DD, mm0,PrSDm,U(RD(A(S,U))B(D)ε)1δ}.

若不存在有限阈值,就令 mA(ε,δ)=+;类的最优信息论样本复杂度还可对允许学习器取下确界。可实现 PAC 取 B(D)=0,不可知 PAC 取 B(D)=infhHRD(h)。外层先任取未知分布,再对样本和独立算法随机种子 U 取概率。ε 控制风险精度,δ 控制失败概率,两者都不是训练轮数。

对 Bernoulli 均值,Hoeffding 给

Pr(|p^p|>ε)2e2mε2,

mlog(2/δ)/(2ε2) 足够。这个函数随允许误差或失败概率放宽而不增:增大 ε、增大 δ 都不会需要更多样本。精度减半约需四倍样本,置信失败率只按对数进入;可实现一致分类利用单侧结构时常有 1/ε 速率,所以均值估计不是万能模板。

直觉

m(ε,δ) 把“数据够多”变成带量词的资源承诺:精度规定允许多大风险差,置信参数规定最多容忍多少抽样失败,样本复杂度给出同一算法在最坏允许分布上满足二者所需的观测数。置信度是成功概率 1δ,而 δ 本身是失败概率上界。它不描述某次训练是否走运,也不等同于计算耗时。

样本阈值与置信保证
例子与边界

应区分充分上界与最优样本数、分布无关与分布依赖、期望与高概率、可实现错误与不可知超额风险。渐近一致性只说 m 时收敛,不能替代有限 m(ε,δ);运行时间、查询次数和在线跨度 T 也是不同资源。

独立重复有时能做概率放大,但学习器输出好坏未必可验证,多数投票也可能离开原类,所以 log(1/δ) 不能总由一句“重复即可”证明。

把数字代入可校准量级。若希望 Bernoulli 均值误差不超过 0.05,失败概率至多 0.01,上式给

mlog2002(0.05)21060.

这是分布无关的充分条件,不表示 1059 个样本必然失败,也不表示它是最优常数。若事先知道 p 很接近零,利用方差的 Bernstein 型区间可能更省样本;这属于分布条件更强的界。

多参数大 O 也须说明保持哪些量变化。m=O((d+log(1/δ))/ε2) 表示存在统一常数,使所有规定范围内的 d,ε,δ 都受控;不能固定 δ=0.05 做实验后声称已经验证其对数依赖,更不能把训练耗时随 m 增长误报成样本复杂度。

推论与应用

PAC 可学习性把有限的 mH(ε,δ) 当作存在性要求,VC 样本复杂度界再把它写成维度、精度与置信度的具体函数。下界方法则构造有限样本无法区分的分布族,证明任何算法都不能突破某个数据量级。

在主动学习、统计查询和 bandit 中,资源分别改成标签数、oracle 查询数或交互轮数;它们可以与样本数同时出现,却不能沿用同一符号而不声明访问协议。比较两个结果前,应先对齐风险基准、分布假设、失败概率和被计数的资源。

参考资料
  • Leslie Valiant, “A Theory of the Learnable,” 1984.
  • Steve Hanneke, “The Optimal Sample Complexity of PAC Learning,” 2016.
关系图谱25 个相邻概念 · 1 类关系

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