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Published: August 02, 2022 by Daltao

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• PAC
  • 有限假说集合一致情况
  • 有限假说集合不一致情况
  • 不可知PAC
• Rademacher复杂度和VC维度
  • growth函数
  • VC-dimension

PAC

定义：

• $C$: 概念集合，每个概念$c:X\rightarrow Y$是一个映射
• $X$：输入集合
• $Y$：输出集合
• $H$：假说集合
• $D$：输入集合的概率分布
• $Z$：$X\times Y$
• $S$：样本集合，$Z$的子集

考虑binary classify，其对应的概念为$c$，这时候$Y=\left\{0,1\right\}$。我们的目标是从$H$中找到与$c$误差最小的假说$h$。定义泛化误差为：

$$R(h)=\mathop{\mathrm{P}}\limits_{x\sim D}[h(x)\neq c(x)]=\mathop{\mathrm{E}}\limits_{x\sim D}[1_{h(x)\neq c(x)}]$$

定义经验误差为：

$$\widehat{R}_S(h)=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m1_{h(x_i)\neq c(x_i)}$$

始终满足

$$\mathop{\mathrm{E}}\limits_{x\sim D}[\widehat{R}_S(h)]=R(h)$$

记$n$代表表示任意一个输入空间中元素所需的空间大小。记$size(c)$表示概念类$C$中需要最多空间表示的概念的需要的空间。

我们称概念类$C$是PAC-learnable，如果存在一个算法$A$，和一个多项式$poly$，满足对于任意$\epsilon>0$以及$\delta>0$，对于任意一个$X$上的概率分布$D$，以及任意目标概念$c\in C$，只要样本数量$m\geq poly(1/\epsilon,1/\delta,n,size(c))$，就有：

$$\mathop{\mathrm{P}}\limits_{S\sim D^m}[R(h_S)\leq \epsilon]\geq 1-\delta$$

进一步的如果$A$能在$poly(1/\epsilon,1/\delta,n,size(c))$时间复杂度内结束，那么认为$C$是可以被有效PAC-learnable的，并认为算法$A$是$C$的PAC-learnable算法。

有限假说集合一致情况

对于有限大小的假说集$H$，目标概念$c\in H$。且算法$A$能找到一个假说$h_S$满足$\widehat{R}S(h_S)=0$。那么对于任意$\delta>0$，一定满足$\mathrm{P}{S\sim D^m}[R(h_S)\leq \epsilon]\geq 1-\delta$，只要

$$m\geq \frac{1}{\epsilon}\ln \frac{|H|}{\delta}$$

有限假说集合不一致情况

之前讨论的$h$是在$S$上是完全一致的（$0$误差），但是实际上很多时候由于目标概念超出了我们假说的范畴，因此会存在一定的经验误差。

对于任意假说$h:X\rightarrow \left\{0,1\right\}$，由Hoeffding's inequality可以直接推出

$$\mathop{\mathrm{P}}\limits_{S\sim D^m}[|\widehat{R}_S(h)-R(h)|\geq \epsilon]\leq 2\exp(-2m\epsilon^2)$$

继而可以推出对于任意$\delta>0$，下面不等式拥有至少$1-\delta$的置信度

$$R(h)\leq \widehat{R}_S(h)+\sqrt{\frac{1}{2m}\log \frac{2}{\delta}}$$

对于任意有限假说集合$H$，以及任意$\delta>0$，都至少有$1-\delta$置信度，使得不等式满足：

$$\forall h\in H, R(h)\leq \widehat{R}_S(h)+\sqrt{\frac{1}{2m}\ln \frac{2|H|}{\delta}}$$

不可知PAC

上面提到的样本是$X\times Y$的子集，但是有一种场景是一个样本的标签是概率分布而不是精确值。比如给定身高和体重，标签是性别。PAC学习在这种场景下的自然扩展称作不可知（agnostic）PAC。

泛化误差为：

$$R(h)=\mathop{\mathrm{P}}\limits_{(x,y)\sim D}[h(x)\neq y]=\mathop{\mathrm{E}}\limits_{(x,y)\sim D}[h(x)\neq y]$$

称$A$是不可知PAC学习算法，如果存在一个多项式$poly$，对于任意$\epsilon>0$以及$\delta>0$，对于所有$X\times Y$上的概率分布$D$，只要$m\geq poly(1/\epsilon,1/\delta,n,size(c))$，就有：

$$\mathop{\mathrm{P}}\limits_{S\sim D^m}[R(h_S)-\mathop{\min}\limits_{h\in H}R(h)\leq \epsilon]\geq 1-\delta$$

如果$A$能在$poly(1/\epsilon,1/\delta,n,size(c))$实际复杂度内结束，那么称$A$是一个有效的不可知PAC学习算法。

定义贝叶斯误差为：

$$R^*=\mathop{\inf}\limits_{h} R(h)$$

对于假说$h$，如果满足$R(h)=R^*$，那么称$h$为贝叶斯假说或贝叶斯分类器。

在确定的情况（只允许一个标签）下，满足$R^=0$，但是在随机的情况（允许多个标签）下，$R^\neq 0$，可以通过条件概率定义为：

$$\forall x\in X, h_{Bayers}(x)=\mathop{\argmax}\limits_{y\in \{0,1\}} \mathrm{P}[y|x]$$

对于给定的$X\times Y$上的概率分布，定义在点$x$处的噪音为

$$noise(x)=\min\{\mathrm{P}[0|x],\mathrm{P}[1|x]\}$$

满足

$$\mathrm{E}[noise(x)]=R^*$$

对于点$x$，如果$noise(x)$接近$\frac{1}{2}$，那么这样的点称为噪音点，也是精确预判所会遇到的挑战。

Rademacher复杂度和VC维度

对于任意损失函数$L:Y\times Y\rightarrow R$，定义关联与$H$的损失函数损失函数族为：

$$G=\{g:(x,y)\rightarrow L(h(x),y):h\in H\}$$

对于样本集合$S=(z_1,\ldots,z_m)$，$G$的Rademacher经验复杂度为

$$\widehat{R}_S(G)=\mathop{\mathrm{E}}\limits_{\sigma}[\mathop{\sup}\limits_{g\in G}\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m\sigma_ig(z_i)]$$

其中$\sigma=(\sigma_1,\ldots,\sigma_m)^T$，其中$\sigma_i$是取值为$\left\{-1,+1\right\}$的均匀分布独立随机变量，称为Rademacher变量。记$g_S=(g(z_1),\ldots,g(z_m))^T$，那么可以重写为

$$\widehat{R}_S(G)=\mathop{\mathrm{E}}\limits_{\sigma}[\mathop{\sup}\limits_{g\in G}\frac{g_S\cdot\sigma}{m}]$$

Rademacher泛化复杂度定义如下

$$R_m(G)=\mathop{\mathrm{E}}\limits_{S\sim D^m}[\widehat{R}_S(G)]$$

如果损失函数取值范围为$\left\{0,1\right\}$，对于任意$\delta>0$，下面不等式至少拥有$1-\delta/2$的置信度：

$$\mathrm{E}[g(z)]\leq \frac{1}{m}\sum_{i=1}^mg(z_i)+2R_m(G)+\sqrt{\frac{1}{2m}\ln \frac{1}{\delta}}\\ \mathrm{E}[g(z)]\leq \frac{1}{m}\sum_{i=1}^mg(z_i)+2\widehat{R}_S(G)+3\sqrt{\frac{1}{2m}\ln \frac{2}{\delta}}$$

如果$Y=\left\{-1,1\right\}$，且损失函数取值范围为$\left\{0,1\right\}$，考虑$S_X$是$S$在$X$上的投影，那么有：

$$\widehat{R}_S(G)=\frac{1}{2}\widehat{R}_{S_X}(H)$$

对于任意空间$X$上的分布$D$，对于任意$\delta>0$，在样本$S$上对于任意$h\in H$，至少有$1-\delta$的置信度

$$R(h)\leq \widehat{R}_S(h)+R_m(H)+\sqrt{\frac{1}{2m}\ln \frac{1}{\delta}}\\ R(h)\leq \widehat{R}_S(h)+\widehat{R}_S(H)+3\sqrt{\frac{1}{2m}\ln \frac{2}{\delta}}$$

growth函数

对于假说集$H$，growth函数定义为：

$$\forall m\in N, \prod_H(m)=\mathop{\max}\limits_{\left\{x_1,\ldots,x_m\right\}\subseteq X}|\left\{(h(x_1),\ldots,h(x_m)):h\in H\right\}|$$

令$G$表示一个值域为$\left\{-1,+1\right\}$函数族，那么下面的不等式始终成立：

$$R_m(G)\leq \sqrt{\frac{2\ln \prod_G(m)}{m}}$$

可以通过growth函数来约束假说$h$的泛化误差：

$$R(h)\leq \widehat{R}_S(h)+\sqrt{\frac{2\ln \prod_H(m)}{m}}+\sqrt{\frac{\ln \frac{1}{\delta}}{2m}}\\ \mathop{\mathrm{P}}[|R(h)-\widehat{R}_S(h)|>\epsilon]\leq 4\prod_H(2m)\exp(-\frac{m\epsilon^2}{8})$$

VC-dimension

VC-dimension的定义为：

$$\mathrm{VCdim}(H)=\max\left\{m:\prod_H(m)=2^m\right\}$$