形式陈述
在统计学习问题公理库统计学习问题Statistical learning problem从未知分布的有限观测中选择决策规则,并以样本外表现评价其质量。中,先固定学习器 、允许分布族 和风险基准 。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:
若不存在有限阈值,就令 ;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 ,不可知 PAC 取 。外层先任取未知分布,再对样本和独立算法随机种子 取概率。 控制风险精度, 控制失败概率,两者都不是训练轮数。
对 Bernoulli 均值,Hoeffding 给
故 足够。这个函数随允许误差或失败概率放宽而不增:增大 、增大 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 速率,所以均值估计不是万能模板。
直觉
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 ,而 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 时收敛,不能替代有限 ;运行时间、查询次数和在线跨度 也是不同资源。
独立重复有时能做概率放大公理库概率放大Probability amplification · Error reduction独立重复并多数表决可把有界错误概率指数降低。,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 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 ,失败概率至多 ,上式给
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 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。 表示存在统一常数,使所有规定范围内的 都受控;不能固定 做实验后声称已经验证其对数依赖,更不能把训练耗时随 增长误报成样本复杂度。
推论与应用
PAC 可学习性公理库PAC 可学习性PAC learnability · Probably Approximately Correct learning在可实现设定中,以有限样本和高概率达到任意小总体错误的可学习性。把有限的 当作存在性要求,VC 样本复杂度界公理库VC 类的样本复杂度界VC sample complexity bounds · PAC optimal sample complexity区分二元 VC 类的教材式 ERM 上界、分布无关最优上界与配套下界,明确可实现和不可知情形的不同精度次数。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.