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经验风险的一致收敛

Uniform convergence of empirical risks

以高概率同时控制整个假设类的经验风险与总体风险偏差。

条目类型
定义

形式陈述

固定假设类 H、损失 与允许的分布族 D。学习理论中的一致收敛控制泛化间隙类上上确界

ΔS(H)=suphH|RD(h)R^S(h)|.

若存在样本复杂度函数 mUC(ε,δ),使对所有 DD0<ε,δ<1mmUC(ε,δ) 都有

PrSDm(ΔS(H)>ε)δ,

就称经验风险在 H 上分布一致地收敛。这里 uniform 是对 h,并且同一个样本量要服务所有允许分布;它不同于分析中函数列对输入 x一致收敛。不可数类还需假设上确界可测,或使用外概率。

它足以保证 ERM。若 ΔS(H)ε,对任意 η>0RD(hη)infhRD(h)+η,则

RD(h^ERM)R^S(h^ERM)+εR^S(hη)+εRD(hη)+2ε.

η0,得到 RD(h^ERM)infhRD(h)+2ε,无需假设类内最小值达到。逐点大数律只对每个预先固定的 h 成立,不能把极限与对 h 取上确界随意交换。

直觉

上确界把所有可能的数据依赖输出提前装进同一个好事件。算法看过样本后无论挑到哪一个 h,都无法逃出这张统一保护网;逐点收敛缺少的正是这种对选择自由的同时控制。

全假设类的统一误差带
例子与边界

一致收敛是强而通用的证明路线,但“可学习”在任意损失、算法限制或数据依赖类中并不等于最朴素的双边上确界趋零。算法稳定性可以直接控制特定输出;局部化和单侧论证也会控制更窄的随机量。二元分布无关 0–1 学习中的等价性需要统计学习基本定理的专门条件,不能脱离该设定推广成定义同义词。

逐点收敛不推出一致收敛。令 D[0,1] 上的均匀分布,函数类为所有有限集合的指示函数

F={1F:F[0,1] 有限}.

对每个预先固定的有限 F,有 P(F)=0,IID 样本也以概率一从不命中 F,所以 Pm(F)=0。但看完样本后可选择 FS={Z1,,Zm},此时 P(FS)=0Pm(FS)=1,故

supfF|PfPmf|=1

几乎处处对每个 m 成立。坏函数随样本移动,正是逐点量词没有控制的选择自由。

统一控制也未必必须是双边绝对偏差。可实现一致学习主要需要证明“总体错误大的规则不可能经验错误为零”,不必精确估计每个规则的风险;这解释了它可能获得 1/ε 而非 1/ε2。陈述一致收敛时应写清控制绝对偏差、单侧偏差,还是零经验误差的坏事件。

一致收敛的样本复杂度可定义为最小 m,使对所有 D 都有

Pr(suphH|RD(h)R^S(h)|>ε)δ.

这是类—损失对的性质;同一个函数类换成无界平方损失后,原有有界 0–1 结论不再自动成立。

经验 Rademacher 方法常先控制该上确界的期望,再用有界差分把随机上确界集中到其期望附近。组合 VC 证明则先把无限限制化成有限标注计数。两者是同一目标的不同上界机制。

推论与应用

对 ERM,一致收敛直接给出两倍统一偏差的类内超额风险界;有限类用并集界,二元 VC 类用增长函数与 Sauer–Shelah,引入实值损失后则常用 Rademacher 复杂度。不同工具都服务同一个随机上确界。

一致收敛也为结构风险最小化提供逐层罚项。若算法稳定性能够直接控制输出的 gap,则可以不先证明全类上确界很小。因此一致收敛是一条强大的充分路线,学习问题还可能采用其他证明形式。

参考资料
  • Vladimir N. Vapnik and Alexey Y. Chervonenkis, “On the Uniform Convergence of Relative Frequencies of Events to Their Probabilities,” Theory of Probability and Its Applications 16(2), 1971, pp. 264–280.
  • Aad W. van der Vaart and Jon A. Wellner, Weak Convergence and Empirical Processes: With Applications to Statistics, Springer, 1996, §§1.2, 1.7, 2.3.
关系图谱16 个相邻概念 · 2 类关系

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