机器学习笔记(十二)计算学习理论

12.计算学习理论

12.1基础知识

计算学习理论（computationallearning theory）研究的是关于通过计算来进行学习的理论，即关于机器学习的理论基础，其目的是分析学习任务的困难本质，为学习算法提供理论保证，并根据分析结果指导算法设计。理论是共性的、抽象的，是基于众多个体总结出来的规律，反过来可以作为个体的理论依据。

12.2PAC学习

计算学习理论中最基本的是概率近似正确（probably approximately correct,pac）学习理论。

令c表示概念（concept），是从样本空间X到标记空间Y的映射，它决定示例x的真实标记y，若对任何样例（x,y）有c(x)=y成立，则称c为目标概念；所有学得的目标概念所构成的集合称为概念类（concept class），用C表示。

给定学习算法A，其所考虑的所有可能概念的集合称为假设空间（hypothesis space），用符号H表示。学习算法事先并不知道概念类的真实存在，因此H和C通常是不同的。学习算法会把自认为可能的目标概念集中起来构成H，对h∈H，由于并不能确定它是否真是目标概念，因此成为假设（hypothesis）。假设h也是从样本空间X到标记空间Y的映射。

若目标概念c∈H，则H中存在假设能将所有示例按与真实标记一致的方式完全分开，称该问题对学习算法A是可分的（separable），也称为一致性（consistent）；若c∉H，则H中不存在任何假设能将所有示例完全正确分开，称该问题对学习算法A是不可分的（non-separable），也称不一致性（non-consistent）。

给定训练集D，期望基于学习算法A学得的模型所对应的假设h尽可能接近目标概念c。由于机器学习过程受到众多因素制约，包括样本数量的有限性、采样的偶然性，因此只能接近目标概念，而不能精确，希望以比较大的把握学得比较好的模型，也就是说，以较大的概率学得误差满足预设上限的模型，也就是PAC定义的来由，使概率上近似正确。

如上，PAC学习给出了一个抽象地刻画机器学习能力的框架，基于这个框架能对很多重要问题进行理论探讨，如研究某任务在什么样的条件下可学得较好的模型？某算法在什么样条件下可进行有效的学习？需多少训练样例才能获得较好的模型？

PAC学习中一个关键因素是假设空间H的复杂度。H包含了学习算法A所有可能输出的假设，若在PAC学习中假设空间与概念类完全相同，即H=C，称为恰PAC可学习（properly PAC Learnable）；直观上理解，意味着学习算法的能力与学习任务恰好匹配。然后，这种让所有候选假设都来自概念类的要求并不切实际，因为现实中对概念类C通常是一无所知。因此，重要的研究假设空间与概念类不同的情形，即H≠C。一般而言，H越大，其包含任意目标概念的可能性越大，但从中找到某个具体目标概念的难度也越大。|H|有限时，称H为有限假设空间，否则称为无限假设空间。

12.3有限假设空间

1）可分情形

可分情形是说目标概念c属于假设空间H，即c∈H。给定包含m个样例的训练集D，如何找出满足误差参数的假设呢？

既然D中样例标记都是由目标概念c赋予的，并且c存在于假设空间H中，那么任何在训练集D上出现标记错误的假设肯定不是目标概念c。如此，只需保留与D一致的假设，剔除与D不一致的假设即可。

如训练集D足够大，则可不断借助D中的样例剔除不一致的假设，直到H中仅剩下一个假设为止，这个假设就是目标概念c。通常情形下，由于训练集规模有限，假设空间H中可能存在不止一个与D一致的等效假设，对这些等效假设，无法根据D来对它们的优劣进行进一步区分。

 

12.4VC维

现实学习任务所面临的通常是无限假设空间，例如实数域中的所有区间、R^d空间中的所有线性超平面。要对这类学习任务的可学习性进行研究，通过考虑假设空间的VC（Vapnik-Chervonenkis dimension）维来度量假设空间的复杂度。先引入增长函数（growth function）、对分（dichotomy）和打散（shattering）。

 

12.5Rademacher复杂度

上文推出基于VC维的泛化误差界是分布无关、数据独立的，即对任何数据分布都成立，使基于VC维的可学习性分析结果具有一定的普适性；但从另一方面来说，由于没有考虑数据自身，基于VC维得到的泛化误差界通常比较松，尤其是与学习问题相差甚远的不好分布。

Rademacher复杂度（Rademachercomplexity）是另一种刻画假设空间复杂度的途径。和VC维不同的是，它在一定程度上考虑了数据分布。

 

12.6稳定性

基于VC维和Rademacher复杂度来推导泛化误差界，所得结果与具体算法无关，对所有学习算法适用，是通用性算法可学习性的刻画。学习理论的意义就在于从个体中总结出一般规律，从而应用于实际。与算法无关的学习理论，固然可以脱离具体学习算法设计而考虑学习问题本身的性质，但若要获得与算法有关的分析结果，则需另辟蹊径；稳定性（stability）分析就是分析算法相关的。

算法的稳定性考察的是算法在输入发生变化时，输出是否也随之发生变化。学习算法的输入是训练集，先定义两种训练集的变化。

给定D={ z₁=(x₁,y₁),z₂= (x₂,y₂),…, z_m= (x_m,y_m)}，x_i∈X是来自分布D的独立同分布示例，y_i∈{-1,+1}。对假设空间H：X->{-1,+1}和学习算法A，令A_D∈H表示基于训练集D从假设空间H中学得的假设，考虑下面两种变化：

1）D^\i表示移除D中第i个样例得到的集合D^\i={z₁, z₂,…, z_i-1, z_i+1,…, z_m}；

2）Dⁱ表示替换D中第i个样例得到的集合Dⁱ={z₁, z₂,…, z_i-1, z*_i ,z_i+1,…,z_m}；

其中z*_i={x*_i, y*_i}，x*_i服从分布D并独立于训练集。

损失函数Loss(A_D(x),y):YxY->R⁺刻画了假设A_D的预测标记A_D(x)与真实标记y之间的差别，记为Loss(A_D,z)。下面定义关于假设A_D的几种损失：

1）泛化损失：Loss(A,D)=E _{x ∈X,z=(x,y)}[ Loss(A _D,z)]。