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原则Principle

结构风险最小化

施工中 · 内容逐步修订

structural risk minimization · SRM

在嵌套或可数假设类之间用置信惩罚选择模型,并与各层最佳风险竞争。

形式陈述 ​

模型层越大,训练误差通常越小,估计误差却越难控制。SRM 不先固定某一层再做ERM,而是为每层的统计不确定性开出一张“复杂度账单”,然后比较经验风险与账单之和。

形式框架 ​

设各层为非空类 H1⊆H2⊆⋯,相关风险有限、偏差上确界可测。取 m≥1、0<δ<1,并选择 δk>0 使 ∑kδk≤δ。若每个有限非负罚项 penk(m,δk) 给出第 k 层的一致风险控制,即以概率至少 1−δk 有

suph∈Hk|R(h)−R^S(h)|≤penk(m,δk),

则并集界保证所有层的陈述以至少 1−δ 同时成立。若以下最小值取得,SRM 以预定可测规则选择

(k^,h^)∈arg⁡mink, h∈Hk{R^S(h)+penk(m,δk)}.

也可用准则值距离下确界不超过 η>0 的近似选择;此时下文风险上界须另加 η。类内最优风险可以仅有下确界,不必另假设每层都有精确经验或总体极小点。

直觉

SRM 像让不同容量的模型在同一张价目表上竞价:更大的类可以用更低训练误差参赛,却必须支付更高的统计不确定性。置信预算先保证所有层的账单同时有效,随后数据才能安全选择最划算的一层。

Oracle 不等式怎样出现 ​

在上述共同事件上,对任意层 k 和任意比较器 h∈Hk,近似最优性给

R(h^)≤R^S(h^)+penk^≤R^S(h)+penk+η≤R(h)+2penk+η.

先对 h 再对 k 取下确界,便得到与“事后知道最佳层”的 oracle 比较。证明没有调用一个可能不存在的类内最优解;精确选择取 η=0。

例子与边界

多项式次数例子 ​

用次数不超过 k 的多项式回归时,训练误差随 k 增大而不升。若只选训练误差最小者,最大层天然占优;SRM 的惩罚随维度或增长函数上升,使低阶模型在其拟合已经足够时胜出。这里不是把 k 叫作“复杂度”就结束,必须给每层可证明的高概率罚项,并给可数层分配 δk,例如与 1/k2 成比例。

有限层的可计算罚项 ​

若损失在 [0,1],第 k 层有至多 2k 个事先固定的候选,取 δk=δ2−k。有限假设类泛化界给出

penk=(2k+1)log⁡2+log⁡(1/δ)2m.

因为 ∑k≥1δk=δ,这些罚项可用于同一次跨层选择。例如 m=1000,δ=0.05 时,前两层罚项约为 0.050375、0.056840。若两层的最小训练风险为 0.13、0.10,加罚后的分数约为 0.180375、0.156840,故在这两层间选择第二层;其总体风险在共同事件上不超过 0.156840。这是一项由协议和集中界支持的证书,不是用模型维数任意编出的分数。

边界与辨析 ​

SRM 不是任意交叉验证或超参数调优的同义词。它的定义包含一族类、每层风险控制和跨层共同事件;没有这三项,就没有上面的 oracle 推导。模型族不必严格嵌套,但可数索引与可求和置信分配仍需明确。与正则化 ERM相比,SRM 的罚项来自层级置信界,而连续正则器直接改变每个候选的训练目标。

推论与应用

样本复杂度为每一层提供随 m 缩小的罚项,并集界则把层级选择纳入同一个失败概率。由此得到的 oracle 不等式允许算法在不知道最佳模型规模时,与事后最优的逼近—估计折中竞争。

次数、树深、稀疏度和范数半径都可作为层级索引。应用时应给出每层真正可证的复杂度,而不是只把超参数大小当作罚项;若索引连续,还需离散化、先验权重或另一种统一控制。

参考资料
  • Vladimir Vapnik, Statistical Learning Theory, Wiley, 1998.
  • Mehryar Mohri, Afshin Rostamizadeh, Ameet Talwalkar, Foundations of Machine Learning, 2nd ed., MIT Press, 2018.
关系图谱12 个相邻概念 · 3 类关系

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