机器为什么能够学习？

2020-08-15 本文已影响0人 Boye0212

本系列是台湾大学资讯工程系林軒田（Hsuan-Tien Lin）教授开设的《机器学习基石》课程的梳理。重在梳理，而非详细的笔记，因此可能会略去一些细节。

该课程共16讲，分为4个部分：

机器什么时候能够学习？（When Can Machines Learn？）
机器为什么能够学习？（Why Can Machines Learn？）
机器怎样学习？（How Can Machines Learn？）
机器怎样可以学得更好？（How Can Machines Learn Better？）

本文是第2部分，对应原课程中的4-8讲。

本部分的主要内容：

用案例引出学习可行性的疑问；
详细介绍VC维理论，它给出了机器学习的可靠性保证；
介绍误差的度量，以及对误差权重不同的情况的处理方法。

1 学习可行性的疑问

先来一个小学奥数题/公务员考试题：

其实这个题没有标准答案，以下两种解答都是对的：

对称为 $+1$ ，非对称为 $-1$ ，因此答案是 $+1$ ；
最左上角的格子白色为 $+1$ ，黑色为 $-1$ ，因此答案是 $-1$ ；

因此，选择不同的规则，你会获得不同的答案。那么，如果给你一些历史数据，机器学习出某种规则，是否也会遇到这样的情况呢？

2 机器学习的可靠性保证

2.1 Hoeffding不等式

来看另一个问题：有一个罐子，里面装有许许多多黄色和绿色的小球，该如何估计黄球的比例？

很简单，抽样就行了。抽出一部分样本，计算得到样本中的黄球比例 $\nu$ ，用这个比例作为罐子中的黄球比例 $\mu$ 的估计即可。这样的估计准不准呢？在统计学中，有Hoeffding不等式给出准确率的界限：

$\mathbb{P}[\vert\nu-\mu\vert>\epsilon]\le 2\exp{(-2\epsilon^2 N)}$

其中 $N$ 为抽样的样本个数。这个式子的意思是， $\nu$ 和 $\mu$ 相差较远的概率会有一个上限，在大样本下，这个上限会比较小，因此 $\nu=\mu$ 可以叫做概率近似正确（PAC，probably approximately correct）。

2.2 机器学习中的Hoeffding不等式

现在将这个过程类比到机器学习中。罐子中的小球对应于 $\mathcal{X}$ 中的单个数据 $\mathbf{x}$ ，给定假设集中的一个假设 $h$ ，罐子中黄球的比例就对应于 $\mathcal{X}$ 中使得 $h(\mathbf{x})=f(\mathbf{x})$ 的 $\mathbf{x}$ 的比例。现在抽取出一部分样本，这个样本对应于现有的数据集 $\mathcal{D}$ ，我们可以很容易地知道对 $\mathcal{D}$ 中每一个数据 $(\mathbf{x}_n,y_n)$ 是否有 $h(\mathbf{x}_n)=y_n$ ，若相等，对应的小球为黄色，反之为绿色。我们的目的，是要知道在整个 $\mathcal{X}$ 中满足 $h(\mathbf{x})=f(\mathbf{x})$ 的 $\mathbf{x}$ 的比例有多少。

若 $N$ 足够大，且 $\mathbf{x}_n$ 为i.i.d.，对于某个固定的 $h$ 来说，就可以用已知的 $E_{\text{in}}(h)=\dfrac{1}{N}\sum\limits_{n=1}^{N} \mathbf{1}_{[h(\mathbf{x}_n)\ne y_n]}$ 去推断 $E_{\text{out}}(h)=\mathop{\mathcal{E}}\limits_{\mathbf{x}\sim P}\mathbf{1}_{[h(\mathbf{x})\ne f(\mathbf{x})]}$ ，从而判断该 $h$ 的表现如何，如下图：

根据Hoeffding不等式，就是

$\mathbb{P}[\vert E_{\text{in}}(h)-E_{\text{out}}(h)\vert>\epsilon]\le 2\exp{(-2\epsilon^2 N)}$

如果 $E_{\text{in}}(h)$ 和 $E_{\text{out}}(h)$ 足够接近，并且 $E_{\text{in}}(h)$ 足够小，这就能保证 $E_{\text{out}}(h)$ 足够小，也就能判断出对于抽样过程 $P$ ，有 $h\approx f$ 。

但是，这只能用来判断某个 $h$ 是否足够好。如果现在是用算法 $\mathcal{A}$ 从假设集 $\mathcal{H}$ 中选出一个 $h$ ，再套用上面的不等式，就会有问题。试想一下，假设有150个人，每人丢5次硬币，就有超过99%的概率会出现有某个丢5次硬币都是正面的人，这能说明他的丢硬币技术比其他人高吗？如果选择他作为我们的“ $g$ ”，能保证他以后再去丢硬币，得到正面的概率也比其他人更大吗？

同理，如果是从 $\mathcal{H}$ 中选出一个在样本 $\mathcal{D}$ 内误差最小的 $g$ ，能保证它在 $\mathcal{D}$ 外也是更好的吗？想要得到这样的保证，还需对不等式做一些修正。

对每个 $h$ ，都可能会有一些 $\mathcal{D}$ ，使得 $h$ 在它上面的 $E_{\text{in}}(h)$ 和真正的 $E_{\text{out}}(h)$ 相差很大，把这种 $\mathcal{D}$ 称作“坏的”，Hoeffding不等式本质上是保证抽到坏的 $\mathcal{D}$ 的概率有一个上限。记 $\vert\mathcal{H}\vert=M$ ，即共有 $M$ 个 $h$ ，我们想要保证的是不管最后 $\mathcal{A}$ 选出了哪个， $\mathcal{D}$ 是“坏的”的概率都有较小的上限，因此，要计算的应该是对至少一个 $h$ 来说 $\mathcal{D}$ 是“坏的”的概率：

$\begin{aligned} &\mathbb{P}_{\mathcal{D}}[(\textbf{BAD } \mathcal{D} \text{ for } h_1) \textbf{ or } (\textbf{BAD } \mathcal{D} \text{ for } h_2) \textbf{ or } \ldots \textbf{ or } (\textbf{BAD } \mathcal{D} \text{ for } h_M) ]\\ \le& \mathbb{P}_{\mathcal{D}}[\textbf{BAD } \mathcal{D} \text{ for } h_1] + \mathbb{P}_{\mathcal{D}}[\textbf{BAD } \mathcal{D} \text{ for } h_2] +\ldots+\mathbb{P}_{\mathcal{D}}[\textbf{BAD } \mathcal{D} \text{ for } h_M]\\ \le& 2\exp{(-2\epsilon^2 N)}+2\exp{(-2\epsilon^2 N)}+\ldots+2\exp{(-2\epsilon^2 N)}\\ =& 2M\exp{(-2\epsilon^2 N)} \end{aligned}$

这才是 $\mathcal{A}$ 选出来的 $h$ 的 $E_{\text{in}}(h)$ 和 $E_{\text{out}}(h)$ 距离的上限。但在上面的过程中，因为对事件的并集直接用了加的运算，这个上限被放得太大了，由于不同的 $h$ 对应的“坏的” $\mathcal{D}$ 很可能有很大重叠，因此真实的上限应该要小得多。如图：

另外， $M$ 如果是有限的，根据上式，我们还是可以通过增大 $N$ 来保证 $E_{\text{in}}(h)$ 和 $E_{\text{out}}(h)$ 足够接近，但如果 $M$ 是无限的呢？如在PLA中，系数的取值就可以是无限多个，因此PLA的 $M$ 是无穷大的。

2.3 VC维

$M$ 为无穷大时，还是有办法的。尽管PLA的 $M$ 是无穷大，但其实，我们可以对它的 $\mathcal{H}$ 中的元素进行分类，只要样本个数是有限的，它的类别就是有限的。比如在只有一个样本的情况中，二维PLA的 $\mathcal{H}$ 中的元素（就是二维平面上的所有直线）可以简单分为两类，一类是把该样本点分为正的，一类是把该样本点分为负的：

而在两个样本的情况中， $\mathcal{H}$ 中的元素可以分为4类：

三个样本时可分为8类：

但若3个点共线，那么只有6类：

而当有4个样本时， $\mathcal{H}$ 中的元素最多只能分成14类：

这说明，在PLA中，有 $N$ 个样本时，有效的 $M$ 会小于等于 $2^N$ 。

接下来，引入几个概念：

二分（Dichotomies）：对 $N$ 个样本，每个样本都有正负两种可能，将所有样本组成的每一种可能称为一个dichotomy，dichotomies的集合可记为 $\mathcal{H}(\mathbf{x}_1, \mathbf{x}_2, \ldots,\mathbf{x}_N)$ ，显然，集合中元素个数的上限是 $2^N$ ；
成长函数（Growth Function）：定义成长函数 $m_{\mathcal{H}}(N)=\max\limits_{\mathbf{x}_1, \mathbf{x}_2, \ldots,\mathbf{x}_N \in \mathcal{X}} \vert \mathcal{H}(\mathbf{x}_1, \mathbf{x}_2, \ldots,\mathbf{x}_N) \vert$ ，它的上限是 $2^N$ ，对于大多数模型（如二维感知机）的 $\mathcal{H}$ 来说， $m_{\mathcal{H}}(N)$ 比 $2^N$ 小，仅为多项式大小；
打散（Shatter）：如果 $\mathcal{H}$ 可以完全实现 $N$ 个样本的 $2^N$ 种dichotomies，则称 $N$ 个点可被 $\mathcal{H}$ 打散；
突破点（Break Point）：若 $k$ 个点无论如何也无法被 $\mathcal{H}$ 打散，则称 $k$ 为 $\mathcal{H}$ 的break point，根据定义，所有比 $k$ 大的整数也都会成为break points，对于二维感知机来说，从4开始就是它的break point。

接下来就是要找到，break point和 $m_{\mathcal{H}}(N)$ 的关系。

我们继续引入界限函数（Bounding Function）的概念： $B(N,k)$ ，它是当最小的break point为 $k$ 时的最大可能 $m_{\mathcal{H}}(N)$ 。那么，该如何计算它或者它的上限？

首先，当 $k=2$ 时，表示任意两个点都不能被打散，因此当 $N=2$ 时有 $B(2,2)=3$ ，即最多能列举出3种dichotomies（4种就是这两个点被打散了），当 $N=3$ 时有 $B(3,2)=4$ （穷举法可知）。而当 $k=1$ 时，由于任何一个点都不能被打散，因此只能有一种dichotomy，即 $B(N,1)=1$ 。另外，如果 $k>N$ ，由于小于 $k$ 个样本点都能被打散，因此会有 $B(N,k)=2^N$ 。而如果 $N=k$ ，那么只需在 $2^N$ 个被打散的点中拿掉一种dichotomy，就能满足这 $N$ 个点不被打散的概念了，因此有 $B(N,k)=2^N-1$ 。

到目前为止，在下面这张函数表中还有一部分没有计算：

不妨先来看 $B(4,3)$ 该如何计算。如果用穷举法，可以得出 $B(4,3)=11$ ：

观察这11种dichotomies发现，它们可以分成两组，其中一组的前3个点是有重复的，它们成为不同的dichotomies仅仅是因为 $\mathbf{x}_4$ 不同，而另一组的前3个点没有重复。

如果把前3个点有重复的8种dichotomies记为 $2\alpha$ （只看前3个点就是 $\alpha$ 种），后3种记为 $\beta$ ，那么就有 $2\alpha+\beta=11$ 。而其实， $B(4,3)$ 无非就是比 $B(3,\cdot)$ 多了一个点，假设现在把最后一个点去掉，那么前3个点只可能有 $\alpha+\beta$ 种dichotomies（因为第一组 $2\alpha$ 种是前面3个点各重复两次，因此需要剔除一半），由于 $B(4,3)$ 中任意3个点都不能被打散，因此前3个点也必须不能被打散，所以有 $\alpha+\beta\le B(3,3)$ 。

另一方面，由于 $2\alpha$ 组中的4个点中，任意3个点都不能被打散，而第4个点是在每一组前3个点固定的情况下取正/负，因此前3个点中的任意2个点都不能被打散（否则在加入第4个点后就会有3个点被打散）。因此，必须要保证 $\alpha\le B(3,2)$ 。

由此可知， $B(4,3)=2\alpha+\beta \le B(3,3)+B(3,2)$ ，以此类推，有 $B(N,k)\le B(N-1,k)+B(N-1,k-1)$ ，最终结果如图：

用数学归纳法即可证明： $B(N,k)\le \sum\limits_{i=0}^{k-1}\binom{N}{i}$ ，具体过程在此略过。事实上，可以证明得 $B(N,k)=\sum\limits_{i=0}^{k-1}\binom{N}{i}$ ，具体的数学过程较复杂，课程中也略过了。该式说明， $B(N,k)$ 中成长最快的一项最多就是 $N^{k-1}$ 的成长速度。

由 $B(N,k)$ 的定义，只要break point $k$ 存在，那么 $m_{\mathcal{H}}(N)$ 的上限就是 $B(N,k)$ ，也因此， $m_{\mathcal{H}}(N)$ 中成长最快的一项最多就是 $N^{k-1}$ 的成长速度。

在有了 $m_{\mathcal{H}}(N)$ 后，想用它取代 $M$ ，还需要做一些处理，具体在此略过。最后可以得到的是Vapnik-Chervonenkis（VC） bound：
$\mathbb{P}[\exists h \in \mathcal{H} \text{ s.t. }\vert E_{\text{in}}(h)-E_{\text{out}}(h)\vert>\epsilon]\le 4 m_{\mathcal{H}}(2N)\exp{(-\dfrac{1}{8}\epsilon^2 N)}$

定义VC维（VC dimension） $d_{\text{vc}}(\mathcal{H})$ 为满足 $m_{\mathcal{H}}(N)=2^N$ 的最大的 $N$ ，也即 $\mathcal{H}$ 能打散的最大的点的个数，或最小的break point减1。当 $N\ge2$ 且 $d_{\text{vc}}\ge 2$ 时，有 $m_{\mathcal{H}}(N)\le N^{d_{\text{vc}}}$ 。

对于 $d$ 维感知机模型来说，有 $d_{\text{vc}}=d+1$ （证明略）。只要 $d_{\text{vc}}$ 是有限的，就可以完成泛化。 $d_{\text{vc}}(\mathcal{H})$ 就相当于是 $\mathcal{H}$ 的powerfulness。

2.4 VC Bound与模型复杂度惩罚

对于 $g=\mathcal{A}(\mathcal{D})\in \mathcal{H}$ ，如果 $\mathcal{D}$ 在统计上足够大，有
$\mathbb{P}[\vert E_{\text{in}}(g)-E_{\text{out}}(g)\vert>\epsilon]\le 4 (2N)^{d_{\text{vc}}} \exp{(-\dfrac{1}{8}\epsilon^2 N)}$

不等式左侧表示“坏的”的几率。若将不等式右边记为 $\delta$ ，可将 $\epsilon$ 反表示为 $\epsilon=\sqrt{\dfrac{8}{N}\ln{\dfrac{4(2N)^{d_{\text{vc}}}}{\delta}}}=\Omega(N,\mathcal{H},\delta)$ ， $\Omega(N,\mathcal{H},\delta)$ 就代表了对模型复杂度的惩罚。

可以看出，至少有 $1-\delta$ 的概率，能满足
$E_{\text{out}}(g)\le E_{\text{in}}(g)+\Omega(N,\mathcal{H},\delta)$

$d_{\text{vc}}$ 和error的关系如下图：

要找到最优的 $d_{\text{vc}}$ ，才能使error最小。

VC Bound只是一个非常宽松的理论界限。比如设定 $\epsilon=0.1$ ， $\delta=0.1$ ， $d_{\text{vc}}=3$ ，那么根据前式，可得到 $N\approx 10,000 d_{\text{vc}}$ ，但在实践中，往往只需要 $N\approx 10 d_{\text{vc}}$ 的数据量就够了。

2.5 有噪声时的VC Bound

如果标签被打错了，或是同一个人被打了不同标签，又或是 $\mathbf{x}$ 的信息不准确，都会引入噪声。在有噪声时，VC Bound依旧有效吗？

回到之前小球的例子，之前的小球，每个小球的颜色都是确定的，这种情况叫做是“deterministic”的，在有噪声的情况中，可以认为每个小球的颜色服从某种概率，即 $y\sim P(y|\mathbf{x})$ ，这叫做是“probabilistic”的。可以证明如果 $(\mathbf{x},y)\mathop{\sim}^{i.i.d.}P(\mathbf{x},y)$ ，那么VC理论依旧是有效的。

有噪声时，学习的目标是在常见的样本 $P(\mathbf{x})$ 上，学习 $P(y|\mathbf{x})$ 。新的学习流程如下：

VC理论依旧有效，pocket算法就是个很好的例子。

3 误差度量

在这里介绍一种逐点的误差度量（pointwise error measure），可以表达成 $\text{err}(g(\mathbf{x}), f(\mathbf{x}))$ ， $g(\mathbf{x})$ 可记为 $\tilde{y}$ ， $f(\mathbf{x})$ 可记为y。

有两种比较重要的pointwise error measure：

$\text{err}(\tilde{y}, y)=\mathbb{1}_{[\tilde{y} \ne y]}$ ，这一般用在分类问题中；
$\text{err}(\tilde{y}, y)=(\tilde{y} - y)^2$ ，这一般用在回归问题中。

在有了误差度量后，学习流程如下：

在分类问题中，错误可分为两类，如下图所示：

根据这两类错误的重要性不同，可以对它们赋予不同的权重。因此，不同的应用可以有不同的 $\text{err}$ 。在算法中考虑误差度量时（记用在算法中的错误度量为 $\widehat{\text{err}}$ ），最好的情况当然是直接令 $\widehat{\text{err}}=\text{err}$ ，但这可能会导致很难计算，比如会带来NP-hard问题等，一般来说，最好要设计一个对于 $\mathcal{A}$ 来说能比较容易进行最优化的 $\widehat{\text{err}}$ ，最好要有闭式解（closed-form solution）或有凸的目标函数。

在 $\mathcal{A}$ 中加入误差度量的设计后，学习流程如下：

对于两类错误权重不同的情况，可以用“virtual copying”的策略去学习。以pocket算法为例，假设false reject错误的权重为1，false accept错误的权重为1000，在计算时不必真的对每个样本点赋予权重，可以“虚拟地”将 $y=-1$ 的点复制1000份。在实践中，也不必真的复制，可以在随机选择样本点时，让算法随机选出 $y=-1$ 的点的概率增大1000倍即可。