要学习机器学习,首先得想明白机器学习为啥是可信的,下面就介绍几个我个人认为的机器学习的基础原理:
- Hoaffding定理:机器学习泛化误差上界
- bias & variance & error:模型预测误差的成分
- No Free Lunch Theorem:不存在在任何情况下准确性都好的模型
Hoaffding定理
Hoaffding定理是泛化能力的一种解释,现在在这我给出Hoaffding定理的证明和释义。
Jensen不等式
若函数f(x)f(x)f(x)再x∈[a,b]x\in [a,b]x∈[a,b]上f′′(x)>0f^{''}(x)>0f′′(x)>0,令
q∈[0,1],F(x)=qf(b)+(1−q)f(a)−f(qb+(1−q)a)q\in [0,1],F(x)=qf(b)+(1-q)f(a)-f(qb+(1-q)a)q∈[0,1],F(x)=qf(b)+(1−q)f(a)−f(qb+(1−q)a)
那么
F(0)=0F(0)=0F(0)=0
F(1)=0F(1)=0F(1)=0
F′(q)=f(b)−f(a)−(b−a)f′(qb+(1−q)a)=(b−a)(f′(θ)−f′(qb+(1−q)a))F^{'}(q)=f(b)-f(a)-(b-a)f^{'}(qb+(1-q)a)=(b-a)(f^{'}(\theta)-f^{'}(qb+(1-q)a))F′(q)=f(b)−f(a)−(b−a)f′(qb+(1−q)a)=(b−a)(f′(θ)−f′(qb+(1−q)a))
由f′′(x)>0f^{''}(x)>0f′′(x)>0可知F′(q)F^{'}(q)F′(q)先小于0然后大于0,所以F(q)<=0F(q)<=0F(q)<=0即函数x∈[a,b]x\in [a,b]x∈[a,b]时f′′(x)>0f^{''}(x)>0f′′(x)>0时,q∈[0,1],qf(b)+(1−q)f(a)>f(qb+(1−q)a)q\in [0,1],qf(b)+(1-q)f(a)>f(qb+(1-q)a)q∈[0,1],qf(b)+(1−q)f(a)>f(qb+(1−q)a)
Markov不等式
假设xxx是大于000的随机变量,则有
E[x]=∫0∞xp(x)dx>∫0ϵ0p(x)dx+∫ϵ∞ϵp(x)dx>ϵP(x>ϵ)E[x]=\int_0^\infty xp(x)dx>\int_0^\epsilon 0p(x)dx+\int_\epsilon^\infty \epsilon p(x)dx >\epsilon P(x>\epsilon)E[x]=∫0∞xp(x)dx>∫0ϵ0p(x)dx+∫ϵ∞ϵp(x)dx>ϵP(x>ϵ)
即P(x>ϵ)<E[x]ϵP(x>\epsilon)<\frac{E[x]}{\epsilon}P(x>ϵ)<ϵE[x]
引理
若x∈[a,b],E[x]=0,t>0x\in [a,b],E[x]=0,t>0x∈[a,b],E[x]=0,t>0,那么
P(x>s)=P(etx>ets)<E[etx]estP(x>s)=P(e^{tx}>e^{ts})<\frac{E[e^{tx}]}{e^{st}}P(x>s)=P(etx>ets)<estE[etx]
由etxe^{tx}etx为凸函数可知
etx<b−xb−aeta+x−ab−aetbe^{tx}<\frac{b-x}{b-a}e^{ta}+\frac{x-a}{b-a}e^{tb}etx<b−ab−xeta+b−ax−aetb
那么
E[etx]<b−E[x]b−aeta+E[x]−ab−aetbE[e^{tx}]<\frac{b-E[x]}{b-a}e^{ta}+\frac{E[x]-a}{b-a}e^{tb}E[etx]<b−ab−E[x]eta+b−aE[x]−aetb
令p=t(b−a),h=ab−ap=t(b-a),h=\frac{a}{b-a}p=t(b−a),h=b−aa,那么有
bb−aeta−ab−aetb=eta[bb−a−ab−aet(b−a)]=eta[1+ab−a−ab−aet(b−a)]=exp(ph+ln(1+h−hep))\frac{b}{b-a}e^{ta}-\frac{a}{b-a}e^{tb}=e^{ta}[\frac{b}{b-a}-\frac{a}{b-a}e^{t(b-a)}]=e^{ta}[1+\frac{a}{b-a}-\frac{a}{b-a}e^{t(b-a)}]=exp(ph+ln(1+h-he^{p}))b−abeta−b−aaetb=eta[b−ab−b−aaet(b−a)]=eta[1+b−aa−b−aaet(b−a)]=exp(ph+ln(1+h−hep))
令f(p)=ph+ln(1+h−hep)f(p)=ph+ln(1+h-he^{p})f(p)=ph+ln(1+h−hep),那么
f(0)=0f(0)=0f(0)=0
f′(p)=h−hep1+h−hepf^{'}(p)=h-\frac{he^{p}}{1+h-he^{p}}f′(p)=h−1+h−hephep
f′(0)=0f^{'}(0)=0f′(0)=0
f′′(p)=−hep(1+h−hep)+(hep)2(1+h−hep)2=(−hep1+h−hep)(1+h1+h−hep)f^{''}(p)=-\frac{he^{p}(1+h-he^{p})+(he^{p})^2}{(1+h-he^{p})^2}=(-\frac{he^p}{1+h-he^{p}})(\frac{1+h}{1+h-he^{p}})f′′(p)=−(1+h−hep)2hep(1+h−hep)+(hep)2=(−1+h−hephep)(1+h−hep1+h)
f′′(p)=y(1−y)<14f^{''}(p)=y(1-y)<\frac{1}{4}f′′(p)=y(1−y)<41
泰勒展开可得:
f(p)=f(0)+pf′(0)+p22f′′(θ)<p28f(p)=f(0)+pf^{'}(0)+\frac{p^2}{2}f^{''}(\theta)<\frac{p^2}{8}f(p)=f(0)+pf′(0)+2p2f′′(θ)<8p2
则E[etx]<exp[(b−a)28t2]E[e^{tx}]<exp[\frac{(b-a)^2}{8}t^2]E[etx]<exp[8(b−a)2t2]
则P(x>s)<exp[−st+(b−a)28t2]P(x>s)<exp[-st+\frac{(b-a)^2}{8}t^2]P(x>s)<exp[−st+8(b−a)2t2]
Hoaffding定理证明
设r1,r2,...,rnr_1,r_2,...,r_nr1,r2,...,rn为模型的一组误差,为了简便,让他们分布在[−0.5,0.5][-0.5,0.5][−0.5,0.5],均值为0,令
r^=∑irin,r=E[r^]\hat r=\frac{\sum_i r_i}{n},r=E[\hat r]r^=n∑iri,r=E[r^]
那么
P(r^−r>ϵ)=e−tϵE[et∑iri/n]=e−tϵ∏iE[etri/n]<exp[−tϵ+t28n]P(\hat r-r>\epsilon)=e^{-t\epsilon}E[e^{t\sum_ir_i/n}]=e^{-t\epsilon}\prod_i E[e^{tr_i/n}]<exp[-t\epsilon+\frac{t^2}{8n}]P(r^−r>ϵ)=e−tϵE[et∑iri/n]=e−tϵi∏E[etri/n]<exp[−tϵ+8nt2]
令t=4nϵt=4n\epsilont=4nϵ,可得
P(x>s)<exp[−2nϵ2]P(x>s)<exp[-2n\epsilon^2]P(x>s)<exp[−2nϵ2]
那么如果kkk个模型训练的模型误差都满足P(r<r^+ϵ)<(1−kP(r−r^>ϵ))P(r<\hat r+\epsilon)<(1-kP(r-\hat r>\epsilon))P(r<r^+ϵ)<(1−kP(r−r^>ϵ))(hoeffding不等式的对称性),则
P(r<r^+ϵ)<(1−k∗exp[−2nϵ2])P(r<\hat r+\epsilon)<(1-k*exp[-2n\epsilon^2])P(r<r^+ϵ)<(1−k∗exp[−2nϵ2])
令δ=k∗exp[−2nϵ2]\delta = k*exp[-2n\epsilon^2]δ=k∗exp[−2nϵ2],则模型以1−δ1-\delta1−δ的概率满足任意训练的模型满足
r<r^+12nlnkδr<\hat r+\sqrt{\frac{1}{2n}\ln{\frac{k}{\delta}}}r<r^+2n1lnδk
这就给了训练出来的模型一个误差上界,若是参数域为无穷,可用VC维来给定上界
个人不喜欢这个解释,不直观,太繁琐,而且是个loose bound,让感觉很难受。
bias & variance & error
机器学习学到的模型预测的结果和真实结果的误差来源于三个地方,也就是bias(偏差),variance(方差),error(噪声),用公式可以表示为:
ExL(f(x)+ϵ,f~(x)+[f^(x)−f^(x)])=F[ϵ,f(x)−f^(x),f^(x))−f~(x)]E_xL(f(x)+\epsilon,\tilde f(x)+[\hat f(x)-\hat f(x)])=F[\epsilon,f(x)-\hat f(x),\hat f(x))-\tilde f(x)]ExL(f(x)+ϵ,f~(x)+[f^(x)−f^(x)])=F[ϵ,f(x)−f^(x),f^(x))−f~(x)]
f(x)f(x)f(x)是客观世界的模型,ϵ\epsilonϵ是观察噪声或者是样本产生过程中的系统噪声,f^(x)\hat f(x)f^(x)是当前模型下能够学习到的最好的模型参数下的模型,f~(x)\tilde f(x)f~(x)是用有限的训练样本实际训练出来的模型,LLL为损失函数,ExLE_xLExL为泛化误差。
我们把∣f(x)−f^(x)∣|f(x)-\hat f(x)|∣f(x)−f^(x)∣成为bias(偏差),它越大说明本身模型越简单(欠拟合)
∣f^(x))−f~(x)∣|\hat f(x))-\tilde f(x)|∣f^(x))−f~(x)∣成为variance(方差),它越大说明模型过拟合越严重(把噪声当作是模型的输出进行拟合)。
欠拟合产生的原因是拟合的模型过于简单,无法拟合真正的客观模型。
过拟合产生的原因是数据量太少,无法把模型的参数拟合得很好。
我们在进一步的挖掘一下,过拟合的原因从而更深刻的体会一下正则化的作用。
the amount of parameter vs the amount of data
Chebyshev 不等式 / 大数定理
由Markov不等式P(x>ϵ)<E[x]ϵP(x>\epsilon)<\frac{E[x]}{\epsilon}P(x>ϵ)<ϵE[x]可得
P[(1n∑i=1nX−EX)2>ϵ]<E[(1n∑i=1nX−EX)2]ϵ=σ2ϵn2P[(\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX-EX)^2>\epsilon]<\frac{E[(\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX-EX)^2]}{\epsilon}=\frac{\sigma^2}{\epsilon n^2}P[(n1i=1∑nX−EX)2>ϵ]<ϵE[(n1∑i=1nX−EX)2]=ϵn2σ2
数据量和模型参数误差的关系
模型参数可以看成是模型维度的数据统计量(例如模型就是预测值就是直接输出训练集的平均值,那么参数就直接是数据的平均),那么,当参数多了之后,相当于把数据分给不同的参数减少,这可能有点难以理解,可以想象成一个决策树,分支之后每个分支的数据量减少,分支越多,每个分支的数据量就越少。或者还可以换个角度理解,确定A参数之后在确定B参数,B参数的误差会因为A参数的误差而增大。所以参数越多,误差就越大。
正则化为什么可以降低泛化误差呢,因为正则化相当于给参数之间一定的关系,例如l1l_1l1正则化相当于去掉一些参数,从而使得分配到每个参数上的数据量增多,而l2l_2l2正则化相当于参数之间共同进退,把异常值的贡献平均分配到各个参数上,因而参数分配数据量就不是数据量除以参数个数了,不同参数之间的相关性使得数据“公用”到各个参数上。
虽然这个解释不是很严谨,但是我个人感觉比较容易理解和直观。
P.S. 我自己自瞎想的,如有错误,还请有缘人指正
No Free Lunch Theorem
若学习算法LaL_aLa在某些问题(数据集)上比学习算法LbL_bLb要好,那么必然存在另一些问题(数据集),在这些问题中LbL_bLb比LaL_aLa表现更好。
符号说明:
- Ξ\XiΞ:样本空间
- HHH:假设空间
- LaL_aLa:学习算法
- P(h∣X,La)P(h|X,L_a)P(h∣X,La) : 算法LaL_aLa基于训练数据XXX产生假设hhh的概率
- fff:代表希望学得的真实目标函数
- ote是off-training error,即训练集外误差
- Eote(La∣X,f)=∑h∑x∈Ξ−XP(x)I(h(x)≠f(x))P(h∣X,La)E_{ote}(L_a|X,f)=\sum_h\sum_{x\in \Xi-X}P(x)I(h(x)≠f(x))P(h|X,L_a)Eote(La∣X,f)=∑h∑x∈Ξ−XP(x)I(h(x)̸=f(x))P(h∣X,La):算法LaL_aLa学得的假设在训练集外的所有样本上的误差的期望(这里的累加可以看作是积分的简化,积分更严谨的感觉;查阅文献后发现,该定理只是定义在有限的搜索空间,对无限搜索空间结论是否成立尚不清楚)
因为是存在性问题,我们就假设真实分布(x,f(x))(x,f(x))(x,f(x))的fff在假设空间内均匀分布,那么
Ef[Eote(La∣X,f)]=∑f∑h∑x∈Ξ−XP(x)I(h(x)≠f(x))P(h∣X,La)P(f)E_f[E_{ote}(L_a|X,f)]=\sum_f\sum_h\sum_{x\in \Xi-X}P(x)I(h(x)≠f(x))P(h|X,L_a)P(f)Ef[Eote(La∣X,f)]=f∑h∑x∈Ξ−X∑P(x)I(h(x)̸=f(x))P(h∣X,La)P(f)
=∑x∈Ξ−XP(x)∑hP(h∣X,La)∑fI(h(x)≠f(x))P(f)=\sum_{x\in \Xi-X}P(x)\sum_hP(h|X,L_a)\sum_fI(h(x)≠f(x))P(f)=x∈Ξ−X∑P(x)h∑P(h∣X,La)f∑I(h(x)̸=f(x))P(f)
=∑x∈Ξ−XP(x)∑hP(h∣X,La)2∣Ξ∣2=\sum_{x\in \Xi-X}P(x)\sum_hP(h|X,L_a)\frac{2^{|\Xi|}}{2}=x∈Ξ−X∑P(x)h∑P(h∣X,La)22∣Ξ∣
=2∣Ξ∣2∑x∈Ξ−XP(x)=\frac{2^{|\Xi|}}{2}\sum_{x\in \Xi-X}P(x)=22∣Ξ∣x∈Ξ−X∑P(x)
结果与算法LaL_aLa无关,说明在fff未知的情况下,没有任何一个算法比瞎猜强。
这个定理没啥实用性,但是体现了算法工程师存在的意义。在数据集未知的情况下调大厂的API跟瞎猜一个性质。在脱离实际意义情况下,空泛地谈论哪种算法好毫无意义,要谈论算法优劣必须针对具体学习问题。