学习理论初步

最近看了 Andrew Ng 机器学习课程的学习理论部分，同时也开始看 The Elements of Statistical Learning，简单整理一下有关学习理论的内容。这篇博客将简单介绍期望泛化损失（expected prediction loss）、经验损失（empirical loss）以及两者之间的关系，还会介绍 bias-variance tradeoff。

 

期望泛化损失

应该来说，机器学习的最终目的就是要减小期望泛化损失。通过选择不同的损失函数，我们将会推导出不同的预测函数。

假设我们选择经典的平方差（L2-norm）作为损失函数。那么对于一个预测函数 $f(x)$ 来说，它的期望泛化损失可以写为 $$\text{EPE}(f) = \mathbb{E}((Y-f(X))^2)$$ 这个式子可以展开为 $$\text{EPE}(f) = \mathbb{E}_X\mathbb{E}_{Y|X}((Y-f(X))^2)$$ 其中 $\mathbb{E}_X(f(X))$ 表示对 $X$ 的分布求 $f(X)$ 的期望。

我们希望获得的预测函数，应该是在 $X$ 取任意值的情况下，都能将期望损失最小化。所以我们有 $$f(x) = \mathop{\text{argmin}}\limits_{c} \mathbb{E}_{Y|X}((Y-c)^2|X=x)$$ 展开有 $$\mathbb{E}((Y-c)^2) = \mathbb{E}(Y^2)-2c\mathbb{E}(Y)+c^2$$ 这是一个开口朝上的二次函数，在对称轴处取最小值，所以 $$c = \mathbb{E}(Y|X=x)$$ 也就是说，在选择平方差作为损失函数的情况下，最好的预测函数应该输出 $Y$ 的期望。

当然，如果换一个损失函数，答案就有所不同了。例如，我们使用 L1-norm（绝对值）作为损失函数，那么式子变为 $$f(x) = \mathop{\text{argmin}}\limits_{c} \mathbb{E}_{Y|X}(|Y-c|\ |X=x)$$ 这个式子的解是 $$f(x) = \text{median}(Y|X=x)$$ 其中 median 表示中位数。

虽然我不太会证明这个结论，但是我们可以通过这个问题来理解这个结论：一个数轴上有 $n$ 个点，我们要在数轴上选一个位置，使得这个位置到所有点的距离之和最小。$n$ 个点的中位数就是这个问题的解。

 

经验损失

可是，给出一个训练好的预测函数，我们怎么知道它的期望泛化损失是多少呢？可能有人会说：如果知道所有数据的概率分布，我们就能计算期望泛化损失了。可是机器学习的最终目的就是为了预测数据的概率分布，所以一个模型的期望泛化损失是无从得知的。我们只能通过观察模型在训练样本上的损失（称为经验损失），来推测模型的泛化能力。

 一个模型的经验损失小，那么它的泛化损失也小吗？我们首先给出两个引理，帮助我们探究这个问题。

引理 1：设 $A_1, A_2, \dots, A_k$ 为随机事件，那么 $P(A_1 \cup A_2 \cup \dots \cup A_k) \le P(A_1) + P(A_2) + \dots + P(A_k)$；

引理 2：设 $Z_1, Z_2, \dots, Z_m$ 是服从参数为 $\phi$ 的伯努利分布的独立随机变量，令 $\hat{\phi} = (1/m)\sum_{i=1}^mZ_i$，再令 $\gamma > 0$ 为常数。那么 $P(|\phi-\hat{\phi}| > \gamma) \le 2\text{exp}(-2\gamma^2m)$。

引理 1 非常容易证明，考虑一下容斥原理即可；引理 2 就是 Hoeffding inequality，我暂时还不知道怎么证明- -不过 wiki 上有可以看一看...

我们来考虑二分类问题，并使用 0-1 损失函数。那在这个问题中，一个模型 $h$ 的经验损失 $\hat{\epsilon}(h)$ 就可以看作它在训练数据上犯错误的概率，而它的泛化损失 $\epsilon(h)$ 就是在整个数据分布范围内犯错误的概率。也就是说，从数据分布中选取一条数据用 $h$ 进行预测，记随机变量 $Z$ 表示 $h$ 是否预测错误，那么 $Z$ 服从参数为 $\epsilon(h)$ 的伯努利分布。设总共有 $m$ 条训练数据，记 $Z_i$ 表示 $h$ 在第 $i$ 条训练数据上是否预测错误，那么 $\hat{\epsilon}(h) = (1/m)\sum_{i=1}^mZ_i$，我们就可以用引理 2 得到以下式子：$$P(|\epsilon(h)-\hat{\epsilon}(h)| > \gamma) \le 2\text{exp}(-2\gamma^2m)$$ 从这个式子我们可以看出，只要 $m$ 足够大，那么经验损失 $\epsilon(h)$ 和泛化损失 $\hat{\epsilon}(h)$ 就不太可能相差较大。

如果我们现在要从包含 $k$ 个模型的集合 $\mathcal{H}$ 中选取模型，我们当然希望能选到泛化损失最小的模型，但是我们能知道的只有模型的经验损失。那么在一组模型中，泛化损失最小的模型和经验损失最小的模型有什么关系呢？首先，我们由引理 1，可以得到这样一个式子：$$P(\forall h \in \mathcal{H} \quad |\epsilon(h)-\hat{\epsilon}(h)| \le \gamma) \ge 1 - 2k\text{exp}(-2\gamma^2m)$$ 令这个概率至少为 $1-\delta$，我们有 $$1 - 2k\text{exp}(-2\gamma^2m) \ge 1-\delta$$ $$m \ge \frac{1}{2\gamma^2}\text{log}\frac{2k}{\delta}$$ 这个式子表明，只要训练样本超过一定数量，所有模型经验损失和泛化损失之间的差距就会至少以 $1-\delta$ 的概率不超过 $\gamma$。

如果令概率恰为 $1-\delta$，我们有 $$\gamma = \sqrt{\frac{1}{2m}\text{log}\frac{2k}{\delta}}$$ 我们可以用这个式子推导出泛化损失最小的模型 $h^*$ 与经验损失最小的模型 $\hat{h}$ 的泛化能力之间的关系：$$\epsilon(\hat{h}) \le \hat{\epsilon}(\hat{h}) + \gamma \\ \le \hat{\epsilon}(h^*) + \gamma \\ \le \epsilon(h^*) + 2\gamma \\ = \epsilon(h^*) + 2\sqrt{\frac{1}{2m}\text{log}\frac{2k}{\delta}}$$

这个式子从理论上说明了：训练样本越多，经验损失最小的模型的泛化能力就越高...

 

Bias-Variance Tradeoff

上面这个式子还有另外一个意义，可以用于解释欠拟合（underfitting）和过拟合（overfitting）。考虑一个参数较少、较为简单的模型，虽然它的 $k$ 比较小，降低了第二项的值，但是它的 $\epsilon(h^*)$ 比较大，第一项的值上升了，两者失衡就导致了欠拟合；再考虑一个参数较多、较为复杂的模型，虽然它的 $\epsilon(h^*)$ 比较小，第一项的值下降了，但是它的 $k$ 比较大，第二项的值上升了，两者失衡就导致了过拟合。总体来说，模型复杂度与经验损失和泛化损失的关系如下图：

我们希望找到的模型，就是复杂度中等的、泛化损失最低的模型。

当然啦，上面的讨论中我们只描述了模型空间中模型数量有限的情况，对于模型数量无限的情况，式子就和模型空间的 VC dimension 有关。可以简单理解为：模型空间的 VC dimension 越高，模型就越复杂。设模型空间的 VC dimension 为 $d$，那么 $$\epsilon(\hat{h}) \le \epsilon(h^*) + O(\sqrt{\frac{d}{m}\text{log}\frac{m}{d} + \frac{1}{m}\text{log}\frac{1}{\delta}})$$ 据 Andrew 说他读博士的时候为了弄懂这个式子的推导花了一个星期- -

我们也可以从模型泛化损失的表达式中分离出 bias 和 variance。以 K 近邻算法为例，我们使用 L2-norm 作为损失函数。假设数据服从 $Y = f(X) + \epsilon$，其中 $\mathbb{E}(\epsilon) = 0$，$\text{Var}(\epsilon) = \sigma^2$。另外简单起见我们假设所有训练数据的 $X$ 值都已事先确定。用 $\hat{f}_k$ 表示 K 近邻的预测函数，对于一条测试数据 $x_0$，它的期望泛化损失为：$$\text{EPE}(x_0) = \mathbb{E}((y_0-\hat{f}_k(x_0))^2|X) \\ = \mathbb{E}(y_0^2) - 2\mathbb{E}(y_0\hat{f}_k(x_0)) + \mathbb{E}(\hat{f}^2_k(x_0)) \\ = \mathbb{E}(y_0^2) - \mathbb{E}^2(y_0) + \mathbb{E}^2(y_0) - 2\mathbb{E}(y_0\hat{f}_k(x_0)) + \mathbb{E}(\hat{f}^2_k(x_0)) - \mathbb{E}^2(\hat{f}_k(x_0)) + \mathbb{E}^2(\hat{f}_k(x_0)) \\ = \text{Var}(y_0) + \text{Var}(\hat{f}_k(x_0)) + \mathbb{E}^2(y_0) - 2\mathbb{E}(y_0\hat{f}_k(x_0)) + \mathbb{E}^2(\hat{f}_k(x_0))$$ 其中 $\mathbb{E}(y_0) = f(x_0)$，而测试样本与已经用训练样本训练好的模型是无关的，所以 $\mathbb{E}(y_0\hat{f}_k(x_0)) = \mathbb{E}(y_0)\mathbb{E}(\hat{f}_k(x_0))$。那么 $$\text{EPE}(x_0) = \text{Var}(y_0) + \text{Var}(\hat{f}_k(x_0)) + (f(x_0)-\mathbb{E}(\hat{f}_k(x_0)))^2 \\ = \text{Var}(y_0) + \text{Var}(\hat{f}_k(x_0)) + \text{Bias}^2(\hat{f}_k(x_0))$$ 注意到 $\text{Var}(y_0) = \sigma^2$。另外由于 $\hat{f}_k(x_0)$ 是 $k$ 个方差为 $\sigma^2$ 的随机变量的平均数，所以 $\text{Var}(\hat{f}^2_k(x_0)) = \sigma^2/k$。还有 $$\mathbb{E}(\hat{f}_k(x_0)) = \frac{1}{k}\sum_{x \in N_k(x_0)}f(x)$$ 其中 $N_k(x_0)$ 表示 $x_0$ 的 K 近邻。所以式子最终可展开为：$$\text{EPE}(x_0) = \sigma^2 + \frac{\sigma^2}{k} + (f(x_0) - \frac{1}{k}\sum_{x \in N_k(x_0)}f(x))^2$$ 设训练样本有 $m$ 条，我们知道，K 近邻的模型自由度为 $m/k$。这是因为：假如所有邻域都不相交，那么有 $m/k$ 个邻域，而且每个邻域都可以有自己的均值。也就是说，$k$ 越小，模型复杂度越高。

很显然，随着 $k$ 的减小（模型复杂度的提高），期望泛化损失的 variance $\sigma^2/k$ 是在上升的，而如果 $f$ 是一个平滑的函数（在较近的范围内波动不是很大），那么 bias 应该是下降的。通过对期望泛化损失的分解，我们可以形象地看到 bias-variance tradeoff。