MLaPP Chapter 6 Frequentist statistics 频率学派统计学

6.1 Introduction

频率学派统计学（frequentist statistics），经典统计学（classical statistics），或者叫正统的统计学（orthodox statistics），设计了一些不把参数当做随机变量的统计推断方法，从而避免了使用贝叶斯法则和先验。

频率学派依赖于抽样分布（sampling distribution），而贝叶斯学派则依赖后验分布（posterior distribution）。

6.2 Sampling distribution of an estimator 估计量的抽样分布

和贝叶斯学派相反，频率学派估计参数时，认为参数是固定的（而不是不确定量，不当做是随机变量，因此也没有先验之说），反而数据是不固定的，可以不断地抽样。比如从总体中抽 S 次，得到样本集 {D(s)}Ss=1，每个样本都有 N 个数据，即 D(s)={x(s)i}Ni=1，注意所有的样例都服从一个固定的分布，即 x(s)i∼p(⋅|θ∗) 对所有的 i,s 都成立。

针对每个样本 D(s) ，可以用 estimator θ^(⋅) 算出一个统计量，如均值，方差等。当 S→∞ 时， {θ^(D(s))} 构成新的分布，就叫做是 estimator θ^(⋅) 的抽样分布（sampling distribution）.

6.2.1 Bootstrap

一般用蒙特卡洛方法来估计抽样分布（sampling distribution），这种方法就叫做 Bootstrap 方法，而这种方法又分有参数和无参数两种。

继续用上一小节的符号，直接计算 estimator 的结果，每个样本都会得到一个随机变量的取值， θ^s=f(xs1:N) ，那么可以把经验分布当做是抽样分布。这种方法叫做 无参数 bootstrap，假如 estimator 中的参数 θ 是未知的，那么可以用最大似然估计出来的结果 θ^ 来计算，这种叫做 参数 bootstrap 方法。

6.2.2 Large sample theory for the MLE *

当样本数量趋向无穷大时，那么似然函数的分布趋向于高斯分布，那么高斯分布的中心就是 MLE 的估计结果 θ^ ，方差则是 MLE 整个曲面的弯曲情况。可以形式化地定义 score function 为似然函数对参数 θ 的偏导，

s(θ^)≜▽logp(D|θ)|θ^

再定义 observed information matrix 为上面负的 score function 的导数，

J(θ^(D))≜−▽s(θ^)=−▽2θlogp(D|θ)|θ^

Fisher information matrix 定义为 observed information matrix 的期望，

IN(θ^|θ∗)=Eθ∗[J(θ^|D)]

6.3 Frequentist decision theory 频率学派决策理论

上一章已经有了 estimator or decision procedure

δ:X→A

的概念，在此基础上定义 风险（risk） 的概念，

R(θ∗,δ)≜Ep(D~|θ∗)[L(θ∗,δ(D~))]=∫L(θ∗,δ(D~))p(D~|θ∗)dD~

然而这个式子是没法直接计算的，所以衍生出下面几种方法。

6.3.1 Bayes risk 贝叶斯风险

第一种方法是加上一个合适的先验，发现会把未知量 θ∗ 约去。定义贝叶斯风险（Baues risk）为

RB(δ)≜Ep(θ∗)[R(θ∗,δ)]=∫R(θ∗,δ)p(θ∗)dθ∗

那么 Bayes estimator 就是

δB≜argminδRB(δ)

6.3.2 Minimax risk 最小最大风险

然而频率学派的数学家并不喜欢加先验，所以有了第二种方法。定义 maximum risk 为

Rmax(δ)≜maxθ∗R(θ∗,δ)

最小化最大风险为

δMM≜argminδRmax(δ)

然而这种风险也很难算。

6.3.3 Admissible estimators

完全不造在讲啥。。。

6.3.3.1 Example

6.3.3.2 Stein’s paradox

6.3.3.3 Admissibility is not enough

6.4 Desirable properties of estimators 想要的估计量性质

将会讲述estimators的一些性质。

6.4.1 Consistent estimators 一致估计量

如果随着样本集的增大，估计量（estimator）会逐渐逼近真实的参数，那么就说这个估计量是一致的（consistent）。即

θ^(D)→θ∗as|D|→∞

可以正面最大似然估计是一致估计量。因为最大化似然函数等价于最小化 KL 混乱度 KL(p(⋅|θ∗)||p(⋅|θ^)) 其中 p(⋅|θ∗) 是真实的分布， p(⋅|θ^) 是我们的估计量。

6.4.2 Unbiased estimators 无偏估计量

估计量的偏置（bias）可以定义为：

bias(θ^(⋅))=Ep(D|θ∗)[θ^(D)−θ∗]

其中 θ∗ 是真实的参数。假如偏置为零，那么就称该估计量是无偏的。通俗点讲，虽然每个样本有的偏大，有的偏小，但是平均来看偏差为零。比如最大似然估计的均值就是无偏的，而方差却是有偏的。

6.4.3 Minimum variance estimators 最小化方差估计量

Crame-Rao lower bound 证明了方差的下限，而极大似然估计是达到了该下限的，所以 MLE 是渐进最优的（asymptotically optimal）。

6.4.4 The bias-variance tradeoff 偏置-方差之间的权衡

如果考虑均方误差，那么可以推导出

MSE=variance+bias2

可以发现方差和偏置都能减少误差，所以即使用无偏估计，只要能减少误差，那么这个估计量可以认为是有效的。

6.4.4.1 Example: estimating a Gaussian mean

MAP 虽然是有偏估计，但是降低了方差。

6.4.4.2 Example: ridge regression 岭回归

岭回归使用高斯先验，

p(w)=N(w|0,λ−1I)

其中 precision term λ 控制了先验的强度，若 λ=0 ，此处的 MAP 等价于 MLE，若 λ>0 ，那么是有偏估计（biased estimate）。

6.4.4.3 Bias-variance tradeoff for classification

对于分类问题而言，bias-variance tradeoff 不是很有用，可以选用交叉验证来估计损失。

6.5 Empirical risk minimization 经验风险最小化

频率决策理论有个很大的问题，就是没办法直接计算风险函数。可以考虑把损失函数 L(θ,δ(D)) 的形式换成 L(y,δ(x)) ，其中 y 指的是真实的标签，而 δ(x) 则是给定输入 x 后得到的预测，那么风险为

R(p∗,δ)≜E(x,y)∼p∗[L(y,δ(x))]=∑x∑yL(y,δ(x))p∗(x,y)

其中 p∗ 表示 nature’s distribution，就是真实的样本分布，显然是未知的。然而可以用经验分布来估计（approximate），即

p∗(x,y)≈pemp(x,y)=1N∑i=1Nδxi(x)δyi(y)

这个式子是经验风险的定义， δ 是 Dirac measure，经验风险基本就是排个序再累加就可以得到积累分布函数了。可以参考书里 P37 经验风险的概念。

那么经验风险（empirical risk）可以定义如下，

Remp(D,δ)≜R(pemp,δ)=1N∑i=1NL(yi,δ(xi))

假如损失是 0-1 损失，那么变成了经验风险就是误分类率；若是平方损失，经验风险就是均值方差。经验风险最小化（empirical risk minimization or ERM）就是寻找这样的 decision procedure 来最小化经验风险函数，

δERM(D)=argminδRemp(D,δ)

如果是非监督问题，可以把所有的 y 换成 x，比如 L(y,δ(x))→L(x,δ(x)) ，具体地，若是均方误差， L(x,δ(x))=∥x−δ(x)∥22 ；若是在 vector quantization or PCA 问题中，又可以定义 δ(x)=decode(encode(x)) .

定义无监督问题的经验风险，

Remp(D,δ)=1N∑i=1NL(xi,δ(xi))

6.5.1 Regularized risk minimization 正则化风险最小化

假如把经验分布当做先验分布，那么经验风险就等价于贝叶斯风险，

E[R(p∗,δ)|p∗=pemp]=Remp(D,δ)

所以最小化经验风险容易过拟合，经常会给目标函数（objective function）增加一个复杂度惩罚（complexity penalty），

R′(D,δ)=Remp(D,δ)+λC(δ)

其中 C(δ) 是衡量了预测函数（predictive function） δ(x) 的复杂性，而 λ 控制了复杂度惩罚的权重。这种方法就是 正则化风险最小化（RRM, Regularized risk minimization）。注意如果考虑 log 似然，那么 RRM 和 MAP 是等价的，对数正则化项就等于先验。

对于函数 C(δ) ，在线性模型中可以定义为自由度（degrees of freedom），更一般的模型中可以用 VC 维（VC dimension）来定义。

6.5.2 Structural risk minimization 结构风险最小化

通过结构风险最小化来找到最优的预测函数，

δ^λ=argminδ[Remp(D,δ)+λC(δ)]

可以通过结构风险最小化（structural risk minimization）来估计 λ 的值，

λ^=argminλR^(δ^λ)

其中 R^(δ^λ) 表示对风险的估计

6.5.3 Estimating the risk using cross validation 用交叉验证估计风险

我们平常把数据分成训练集，验证集的做法，不叫交叉验证，下面讲述交叉验证的做法。定义用来查找最优化参数 θ 的函数 F 为 learning algorithm or fitting function，

θ^m=F(D,m)

其中 m 表示第 m 个模型，因此不同的模型会得出不同的参数。（其实这里不同的参数就表示不同的模型，比如 θ=0.5 和 θ=0.7 的两个伯努利概率算作是不同的模型。）我们的目标就是找出泛化误差最小的模型和对应模型的参数。可以把 F 看做是训练的过程。

定义 P 为预测函数（prediction function），

y^=P(x,θ^)=f(x,θ^)

可以看做是预测的过程，模型已经训练好。

可以把训练和预测两个步骤（书里叫做 fit-predict cycle）合起来表示，

fm(x,D)=P(x,F(D,m))

考虑把原始数据集 D 均匀地分成 K 份，把第 k 份数据集当做验证集，并称为 Dk ， 剩下的数据集当做是训练集，称为 D−k 。那么对预测函数 fm(x,D) 总的 K 重交叉验证（K-fold CV）的风险就是

R(m,D,K)≜1N∑k=1K∑i∈DkL(yi,P(xi,F(D−k,m)))

可以从公式中看到 F 用了 K 次，即要训练 K 次才能算出最后的风险。即第 k 次在训练集 D−k 中训练完了以后，在验证集 Dk 中算一个误差。把这 k=1,...,K 次的结果累加后就是 R(m,D,K) 的结果。

假设第 k 次训练完得到的模型为 fkm(x)=P(x,F(D−k,m))，就可以重写上面的公式为

R(m,D,K)=1N∑k=1K∑i∈DkL(yi,fkm(xi))=1N∑i=1NL(yi,fk(i)m(xi))

后面一个不太好理解，其实仔细想一下， K K 次交叉验证下来，每一个样本都会做一次验证集，所以外循环是遍历一遍数据集。其中 fk(i)m 表示把该样本做验证集，剩下的数据做训练集时对应训练出来的模型。

考虑一种极端的情况，取 K=N ，即每次挑一个样本做验证集，剩下的所有样本做训练集。这种方法叫做留一交叉验证（LOOCV, leave one out cross validation），这种情况又可以把这个式子简写为

R(m,D,K)=1N∑i=1NL(yi,f−im(xi))

其中 f−im(x)=P(x,F(D−i,m)) ，可见模型要训练 N 次。

6.5.3.1 Example: using CV to pick λ for ridge regression

上面的公式是通用的，现在举岭回归的例子来讲解。我们选 ℓ2 正则项来做线性回归的惩罚，

λ^=argminλ∈[λmin,λmax]R(λ,Dtrain,K)

其中 λ^ 是正则化项系数的取值范围， R(λ,Dtrain,K) 是用上面讲的 K 重交叉验证估计的对应 λ 的经验风险，具体是，

R(λ,Dtrain,K)=1|Dtrain|∑k=1K∑i∈DkL(yi,fkλ(xi))

其中 fkλ(xi)=xTw^λ(D−k) 表示对应训练出来的预测函数，而

w^λ(D)=argminwNLL(w,D)+λ∥w∥22

是最大后验估计的参数。

对于分类问题，可以用蛮力搜索参数空间；但是参数过多时，一般会选用经验贝叶斯，可以用一些基于梯度的优化器（optimizer）来搜索解空间。

6.5.3.2 The one standard error rule 标准误差

前面一直在讲怎样估计风险，一直没有给出不确定性度量。可以定义平均标准误差（standard error of the mean）为，

se=σ^N−−√=σ^2N−−−√

其中

σ^2=1N∑i=1N(Li−L¯¯¯)2,Li=L(yi,fk(i)m(xi)),L¯¯¯=1N∑i=1NLi

其实就是在交叉验证的过程，每个样本算一下损失，最后算一下所有样本对应损失的方差，再得到标准误差的值。

6.5.3.3 CV for model selection in non-probabilistic unsupervised learning

路过~

6.5.4 Upper bounding the risk using statistical learning theory * 用统计学习理论来估计风险上界

这一小节可以参考李航的《统计机器学习》第一章和 cs229 公开课的 Part VI Learning Theory

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利用交叉验证的方法来估计经验风险，有个很大的问题就是非常慢，因为要训练好多次。而 统计学习理论（SLT, statistical learning theory）的方法则试图找到 泛化误差上界（Upper Bound）。

假如分布 p∗ 和 假设（hypothesis） h∈H 的风险表示为 R(p∗,h) ，而 Rtemp(D,h) 表示在数据集 D 上的经验风险，假设空间的大小表示为 dim(H)=|H| ，那么有下面的定理成立，

Theorem 6.5.1 经验风险误差上界为

P(maxh∈H|Remp(D,h)−R(p∗,h)|>ϵ)≤2dim(H)e−2Nϵ2

这个上界可以通过 Hoeffding’s inequality 和 union bound 直接得到，具体函数和定理的证明略过。

从误差上界的表达式来看，假设空间 H 越小，或者训练集越大，那么上界误差就会越小。对于实数型参数，假设空间是无限的，可以用 VC 维的概念来解决。

从另一个角度来看，更复杂的模型虽然不会增加训练集上的误差，但是一般会有更多的参数，那么参数空间（也就对应假设空间）也会更大，即 dim(H) 这项会更大，从而造成泛化误差上界很大。这个也是符合常理的。

误差上界的方法确实比交叉验证要快，然而对很多模型， VC 维一般很难计算，且误差上界都会太松（loose）。

6.5.5 Surrogate loss function

这一小节提到的 binary logistic regression 没看懂，先挖个坑；还有怎么 log-loss 就能退出来极大似然估计了？

Log-loss 是一种代理损失函数（surrogate loss functions），另一种注明的代理损失函数就是合页损失（hinge loss），

Lhinge(y,η)=max(0,1−yη)

这个损失函数在 SVM 里会用到，是用来代替 0-1 损失的。

6.6 Pathologies of frequentist statistics * 频率统计的病态

6.6.1 Counter-intuitive behavior of confidence intervals

6.6.2 p-values considered harmful

6.6.3 The likelihood principle

6.6.4 Why isn’t everyone a Bayesian