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定理Theorem

Sauer–Shelah 引理

施工中 · 内容逐步修订

Sauer's lemma · Sauer–Shelah–Perles lemma

把有限 VC 维转化为假设类在有限样本上的多项式标注数上界。

形式陈述 ​

对二元假设类 H,令增长函数 ΠH(m) 表示它在任意 m 个点上能实现的最大标注数。若VC 维 d=VCdim(H)<m,则用二项式系数写成

ΠH(m)≤∑i=0d(mi).

当 1≤d≤m 时,进一步有

∑i=0d(mi)≤(emd)d.

若 d≥m,正确的平凡上界是 2m;d=0 时组合和为 1,不能把含 d 的粗界机械代入。

递推证明 ​

固定一个 m 点集合并挑出点 xm。把在前 m−1 点上的标注分成两类:只可由一种 xm 标签延伸的模式,以及两种标签都能延伸的模式。后一类在前 m−1 点上形成的迹类 VC 维至多 d−1;否则再加 xm 就能打散 d+1 个点。因此最大迹数 G(m,d) 满足

G(m,d)≤G(m−1,d)+G(m−1,d−1).

结合 G(m,0)=1 与 G(m,m)=2m,用 Pascal 恒等式归纳得到 G(m,d)≤∑i=0d(mi)。

第二个界需要分情况。若 1≤d≤m/2,对 0<x≤1 用二项式定理得到

(1+x)m≥∑i=0d(mi)xi≥xd∑i=0d(mi)

;这里第二个不等号使用 i≤d 和 x≤1。取 x=d/(m−d) 后,

∑i=0d(mi)≤(md)d(mm−d)m−d≤(emd)d,

最后一步使用 (1+d/(m−d))m−d≤ed。若 m/2<d≤m,上述 x 已大于 1,不能继续使用同一中间不等式;此时改用

∑i=0d(mi)≤2m≤(emd)d.

后一式可令 r=d/m∈(1/2,1],验证 rlog⁡(e/r)≥log⁡2。这样两个参数区间都覆盖到,而没有把只对 x≤1 有效的步骤越界使用。

直觉

若 d 固定,类在 m 点上的有效标注数至多是 md 量级,而不是所有 2m 种标注。这正是 VC 维把无限假设类压缩成有限样本上的可控组合数量的方式。递推式把“最后一个点是否能自由翻转”拆成维度不变和维度下降两支,恰好复现 Pascal 三角。

例子与边界

实线上阈值的 VC 维为 1;在 m 个有序点上只能得到

m+1=(m0)+(m1)

种标注,达到组合上界等号。实线区间的 VC 维为 2,其正点必须是一段连续索引,因而标注数为

1+m(m+1)2=(m0)+(m1)+(m2).

例如 m=4 时共有 11=1+4+6 种区间标注。两个类都达到 Sauer–Shelah 上界;原因是它们的限制族形成最大类,而不只是因为分别使用一个或两个端点参数。

引理没有说 |H|≤2d:类本身可以无限,受控的是它在有限点集上的迹。某些最大类达到组合和等号,所以不附加几何或代数结构时不能普遍降低量级。该引理把VC 维接到有限类并集界,但它自身不是概率定理。

推论与应用

把组合和代入 VC 一致收敛证明,就能对无限二元类在二重样本上的所有标注模式取并,并得到维度依赖的泛化界。引理负责把类缩成有限模式,概率集中和对称化则承担另外两步。

多类的 Natarajan 维、实值类的伪维也有相应增长控制,但需要各自的迹定义。Sauer–Shelah 的二元结论不能只靠编码输出直接迁移。

参考资料
  • Norbert Sauer, On the Density of Families of Sets, JCTA, 1972.
  • Saharon Shelah, A Combinatorial Problem; Stability and Order for Models and Theories in Infinitary Languages, 1972.
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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