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VC 维

Vapnik–Chervonenkis dimension · VC dimension

二分类假设类能够完全打散的最大有限点集大小。

条目类型
定义

形式陈述

二元分类的 VC 维可看作多类学习与 Natarajan 维在标签数为二时的特例:每个点只需在两种标签之间被完整实现,Natarajan 的两标签见证便退化为普通打散。

定义与量词

沿用增长函数与打散系数中的打散概念,并假设 H 非空。VC 维把“最多能完全实现多少个二元标注”压缩成一个整数或无穷大:

VCdim(H)=sup{|S|:SX 被 H 打散}.

若任意有限大小都有可打散集合,则 VC 维为 。定义只要求“存在”一个大小为 d 的点集被打散,不要求所有 d 点配置都可打散;证明下界构造一组点,证明上界则要排除任意更大点集。

直觉

增长函数记录每个样本规模上最多能出现多少种标注,VC 维则标出它最后一次达到全部 2m 种标注的位置。有限 VC 维并不要求假设类有限;它表达的是无限类投影到有限样本后,组合自由度会在某个尺度之后受到约束。

例子与边界

VC 维只记录一个二元概念类能否实现所有标签模式;Rademacher 复杂度还读取给定样本上的实值预测幅度,并随样本变化。前者是组合容量参数,后者是可局部化的数据依赖复杂度。

阈值与区间

实线单阈值能分别标注一个点,却不能在两个有序点 x1<x2 上产生 (1,0),故 VC 维为 1

区间类的两个方向都可直接检查。对 x1<x2,空区间、只含 x1、只含 x2 和同时包含两点的区间实现四种标注,所以维数至少为 2。对任意 x1<x2<x3,标注 (1,0,1) 的正点集合不连续,单区间无法实现,故任何三点都不能被打散,维数至多为 2

左侧四个区间实现两点上的全部二元标注;右侧的正负正模式要求一个区间跳过中间点,因而不可实现。

仿射半空间的 d+1

Rd 中仿射半空间的 VC 维为 d+1。下界取 d+1 个仿射无关点。对任意指定的 ±1 标签,可解一个仿射函数 g(x)=w,x+b,使这些点上的值恰为相应标签;signg 因而实现全部 2d+1 种标注。

上界取任意 d+2 个点。Radon 定理把它们分成两个凸包相交的子集;若把一侧标为正、另一侧标为负,任何仿射超平面都无法严格分开这两个相交凸包。因此不存在被打散的 d+2 点集。过原点的齐次半空间少一个 bias 参数,不能把仿射结论不加说明地照搬。

维数与数据边界

VC 维借用“维数”一词,却不是向量空间维数。无限假设类可有有限 VC 维,参数个数也只在特定正则参数化下与它相关。退化参数、离散约束和共享结构都可破坏简单等同。

它描述最有利点配置上的最坏组合能力,不保证实际分布把质量放在这些点上。Rademacher 复杂度还会读取具体样本和实值幅度;两者值得对照,却不是同一随机量。有限 VC 维也不承诺 ERM 可在多项式时间求出,不能从一份训练集大小直接“估计定义值”。

推论与应用

有限 VC 维直接限制可见标注模式,并不提供训练算法。Sauer–Shelah 引理把这种限制转成增长函数的多项式上界,PAC 可学习性再借集中论证把组合控制转成分布无关保证;具体的 d,ε,δ 依赖则在VC 类的样本复杂度界中展开。计算可解性仍需另行证明,不能由 VC 维有限推出。

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.
  • Anselm Blumer, Andrzej Ehrenfeucht, David Haussler, and Manfred K. Warmuth, “Learnability and the Vapnik–Chervonenkis Dimension,” Journal of the ACM 36(4), 1989, pp. 929–965.
关系图谱17 个相邻概念 · 4 类关系

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