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Thought this was cool: VC Theory: Vapnik–Chervonenkis Dimension

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上一次我们介绍了通过 Symmetrimization 的方法进行变形,从而得到了如下形式的不等式:

\[
P\left( \sup_{f\in\mathcal{F}} (E(f)- E_N(f)) > \epsilon \right) \leq 2P\left( \sup_{f\in\mathcal{F}} (E^*_N(f)- E_N(f)) > \frac{\epsilon}{2} \right)
\]

其中左边是我们感兴趣(希望 bound 住)的量,我们已经成功地把它转化为右边从某种意义上来说有限的量,本文中我们就要来对右边的部分进行分析,得到它的一个上界,从而回答我们最开始提出的Can we learn?的问题。

于是让我们把注意力集中到不等式的右边。首先我们注意到那个看起来很恐怖的对 \(f\in\mathcal{F}\) 的上确界,其实等价于在一个有限的集合上求上确界,这个集合就是 \(\mathcal{F}\) 到 \(\{z_i\}_{i=1}^N\) 和 \(\{z_i^*\}_{i=1}^N\) 上的投影:

\[
\mathcal{F}(z_1,\ldots,z_N,z_1^*,\ldots,z_N^*) = \{(f(z_1),\ldots,f(z_N),f(z_1^*),\ldots,f(z_N^*)|f\in\mathcal{F}\}
\]

这是由 \(2N\) 维 binary 向量构成的集合,显然它的元素个数不超过 \(2^{2N}\),于是我们可以简单地用 Union Bound 来进行处理。为了符号上的方便,以下我们将 \(\mathcal{F}(z_1,\ldots,z_N,z_1^*,\ldots,z_N^*)\) 简单记作 \(\mathcal{F}^P\) (表示 Project 到数据上的 loss class)。

eq: 1 »

\[
\begin{aligned}
P\left( \sup_{f\in\mathcal{F}} (E^*_N(f)- E_N(f)) > \frac{\epsilon}{2} \right) &\leq \color{red}{|\mathcal{F}^P|} \color{blue}{P(E^*_N(f)- E_N(f) > \frac{\epsilon}{2})} \\
&\leq \color{red}{2^{2N}} \color{blue}{e^{-\epsilon^2 N/2}} \\
&= \exp\left( \left(2\log 2-\frac{\epsilon^2}{2}\right) N \right)
\end{aligned}
\]

其中红色的部分是用 \(\mathcal{F}^P\) 的元素个数的最简单的上界来实现的,而蓝色的部分则是直接套用最普通的(针对单个固定 \(f\) 的)Hoeffding 不等式。最后看起来似乎是得到了一个上界,比起直接在 \(\mathcal{F}\) 上用 Union Bound 得到 \(\infty\) 是进了一步,但是其实这个上界仍然不太有用。

因为 \(2\log 2\approx 1.39\),几乎任何一个合理的(比如说,小于 \(1\) 的)\(\epsilon\) 都会让我们的上界的指数部分是正数,从而随着 \(N\) 的增长迅速膨胀。也就是说,数据点越多我们的上界反而越差。再看一个极端情况,当 \(N=0\) 的时候我们差不多能得到一个最好的上界,那就是 \(e^0=1\),不过,这仍然是毫无意义的,因为任何一个概率值本来就是 \(\leq 1\) 的呀。

1图 1    Positive rays projected on two points.

让我们来稍微做一下反思:首先 Heoffding 不等式给我们带来了一个指数形式的上界,并且指数部分是随着 \(N\) 增大负增长的,这是很好的:只要让 \(N\) 增加,很快就能得到很好的上界数值。但是我们用了 Union Bound 之后,在前面乘上了一个系数,虽然这个系数是有限数,但是比较不幸的是它也是一个指数函数,并且指数部分随着 \(N\) 正增长。这样一来就把 Hoeffding 不等式给我们带来的好处一点不剩地抵消掉了。为了解决这个问题,我们希望前面乘的系数能小一点,这也并不是完全没有希望的,因为我们乘的是 \(2^{2N}\),这是 \(\mathcal{F}^P\) 所可能拥有的最多的元素个数,而如果它所拥有的实际元素个数比这个少的话,我们就有希望了!

接下来我们就来分析 \(\mathcal{F}^P\) 的元素个数。这里我们先抛开之前的种种概念,来将问题抽象一下,顺便重新整理一下记号。首先我们有一个集合 \(\mathcal{Z}\),以及一个 binary 函数的集合 \(\mathcal{F}\subset \{0,1\}^\mathcal{Z}\),在这里的分析中我们不需要 \(\mathcal{Z}\) 上有什么概率测度之类的。为了记号上方便,我们将 \(\{z_i\}_{i=1}^N\) 简记为 \(z_{1:N}\)。\(\mathcal{F}\) 到 \(z_{1:N}\) 上的投影 \(\mathcal{F}(z_{1:N})\) 的定义仍然和原来一样的,是由一些 \(N\) 维 binary 向量组成的集合。

显然 \(\mathcal{F}(z_{1:N})\) 的元素个数同时依赖于 \(\mathcal{F}\) 和 \(z_{1:N}\) 的选取。例如,我们令 \(\mathcal{Z}=\mathbb{R}^2\),并任意选取两个不重合的点 \(z_1\) 和 \(z_2\)。如果 \(\mathcal{F}\) 是所有 Positive Rays 构成的集合11这个在课堂上定义过了,每个 positive ray \(f_\theta\) 由一个参数 \(\theta\in\mathbb{R}\) 确定,其取值为 \(f_\theta(z) = \mathbf{1}\{z \geq \theta\}\)。,那么

\[
\mathcal{F}(z_1,z_2) = \{(0,0), (1,1), (0,1)\}
\]

也就是说,此时 \(|\mathcal{F}(z_1,z_2)|=3\),严格小于 \(2^2=4\),如图 (fig: 1) 所示。但是如果将 \(\mathcal{F}\) 换成 Positive Intervals22同样在课中定义过,每个 positive interval \(f_{a,b}\) 定义为 \(f_{a,b}(z) = \mathbf{1}\{z\in[a,b]\}\)。,很容易知道我们将能够得到所有的四种可能的元素,我就不专门画图了。

像这种对于一个 \(\mathcal{F}\) 和一个数据点集合 \(z_{1:N}\),如果 \(\mathcal{F}\) 投影到 \(z_{1:N}\) 上能参生所有可能的 binary 向量,换句话说,如果 \(|\mathcal{F}(z_{1:N})|=2^N\) 的话,我们称 \(\mathcal{F}\) shatters \(z_{1:N}\)。所以,Positive Intervals 可以 shatter 刚才的两个点,而 Positive Rays 却不行。

直观上来看,Positive Intervals 比 Positive Rays 更复杂(比如说,每个 positive interval 比 positive ray 的参数要多一个),所以投影到同样的两个点上之后,前者能产生更多的 binary 向量。回忆一下我们开始这些分析的初衷:\(2^N\) 这个系数乘到 Hoeffding 不等式的上界前面太大了,因此我们希望找到投影之后的元素(严格)小于 \(2^N\) 的情况。从这里的两个例子我们也可以大概看到一些端倪:如果 \(\mathcal{F}\) 很复杂,能 shatter 给定的数据集的话,情况似乎就很悲观,但是如果我们选用简单一些的 \(\mathcal{F}\),好像就有希望了。所以接下来让我们再接再厉,将这里的简单复杂这两个模糊的概念严格地刻画出来。

刚才我们说过了,\(|\mathcal{F}(z_{1:N})|\) 同时依赖于 \(\mathcal{F}\) 和 \(z_{1:N}\),我们刚才的例子已经说明了在 \(z_{1:N}\) 一样的情况下,不同的 \(\mathcal{F}\) 会得到不同的结果。下面我们再来举例说明一下在固定 \(\mathcal{F}\) 的情况下,不同的数据点选取也会得到不同的结果。这次我们令 \(\mathcal{Z}=\mathbb{R}^2\),而 \(\mathcal{F}\) 则使用 Positive Rectangles,和 Positive Interval 类似的,落在给定的 rectangle 内的点取值为 \(1\),而外面的点取值为 \(0\)。特别地,我们只考虑和坐标轴对齐的那种矩形,因此它可以由左上角和右下角的二维坐标这四个参数来确定。顺带一提,任意一个 \(f\in\mathcal{F}\) 带入 \(z_{1:N}\) 产生的这个 binary vector 通常称为一个 dichotomy。

2图 2    Layout 1 can be shattered by positive rectangles (only one dichotomy is shown), but not layout 2.

在图 (fig: 2) 中我们展示了两种 layout,都取 \(N=4\),Layout 1 是可以被 shatter 的,虽然图中只画出了一种情况,但是剩下的情况也可以很容易给出。但是对于 Layout 2,也就是有某一个点处于其他三个点的 convex hull 内部的时候,就不好办了,当外围三个点都取值 \(1\) 的情况下,内部那个点由于被包围在 rectangle 之内,所以肯定也是取 \(1\) 而无法取到 \(0\),所以至少有一种 dichotomy 是无法实现的,于是在这种 layout 下 Positive Rectangles 无法 shatter 这四个点。

由于在学习问题中我们通常是无法控制训练数据点的选取的,所以为了能应付所有情况,我们必须最悲观地来考虑 \(\mathcal{F}\) 是否能 shatter 某 \(N\) 个点的数据集这件事。

def: 1 »

定义 Growth Function

对于给定的正整数 \(N\) 和函数空间 \(\mathcal{F}\),growth function \(S_\mathcal{F}(N)\) 的值定义为所有 \(N\) 个数据点的 layout 中 \(\mathcal{F}\) 能产生的最多的 dichotomy 数:

\[
S_\mathcal{F}(N) = \sup_{z_{1:N}} |\mathcal{F}(z_{1:N})|
\]

如果 \(\mathcal{F}\) shatters \(z_{1:N}\),那么必定有 \(S_\mathcal{F}(N)=2^N\);反过来,如果 \(S_\mathcal{F}(N)=2^N\),那么肯定至少存在一组 \(N\) 个点的数据 \(z_{1:N}\),使得 \(\mathcal{F}\) 可以 shatter \(z_{1:N}\),但是我们却不能保证所有 \(N\) 个点的数据都能被 shatter。例如,对于刚才的 Positive Rectangles 而言,因为我们给出了 Layout 1 中的 4 个点是可以被 shatter 的33同时还因为对任意的 \(\mathcal{F}\) 和 \(N\),都有一个硬性的上界 \(S_\mathcal{F}(N)\leq 2^N\)。,所以 \(S_\mathcal{F}(4)=2^4\),但是即便如此,仍然存在像 Layout 2 这样的不能被 shatter 的 4 个点的情况。

这里很容易造成混淆,注意仔细理解一下我们悲观的意思:因为我们不希望 \(z_{1:N}\) 被 shatter,那样的话表示 \(\mathcal{F}\) 很复杂,难以得到合理的上界,只要任意的一组 \(z_{1:N}\) 被 shatter 了,那我们就悲剧了。

回到 Positive Rectangles,我们来看一下 \(S_\mathcal{F}(5)\)。如果想要证明 \(S_\mathcal{F}(5)=2^5\) 的话,只要找到任意一组 5 个点的数据能被 shatter 就可以了,但是如果要证明 \(S_\mathcal{F}(5) < 2^5\),则必须证明任意的 5 个点的数据集都无法被 shatter,这一般是要更加困难一些。不过对于 Positive Rectangles 来说也还是比较简单的。对于平面上的任意 5 个点,我们可以分为两种情况来考虑。

第一种情况是其中至少有两个点位于和某一条坐标轴平行的上。记住我们这里处理的是和坐标轴对齐的矩形,所以对于这种情况,如果给共线的这两点分别标上 \(0\) 和 \(1\),那么这种 dichotomy 显然是无法实现的,因为这两点要么同时位于矩形内部,要么同时位于外部。

第二种情况是不存在共线于坐标轴平行线的两点,此时最上面、最下面、最左面和最右面都必定由一个不同的点占据,而剩下的一个点位于他们中间,如果给这个点标上 \(0\),而外围的点标上 \(1\),这种 dichotomy 也无法由 Positive Rectangles 实现。

两种情况合起来,我们就证明了任意 5 个点的数据集都无法被 Positive Rectangles 所 shatter,所以 \(S_\mathcal{F}(5)<2^5\)。此外很容易知道,对于某个 \(\mathcal{F}\),如果存在 \(N_0\),使得 \(S_\mathcal{F}(N_0)<2^{N_0}\),那么对任意的 \(N’>N_0\),肯定也有 \(S_\mathcal{F}(N’)<2^{N’}\)。在课上这些使得 \(S_\mathcal{F}(N)<2^{N}\) 的 \(N\) 被称作 break point,不过我们这里要定义一个更重要(或者至少是更出名^_^bbb)的量,也就是本文的标题。

def: 2 »

定义 Vapnik–Chervonenkis Dimension

\(\mathcal{F}\) 的 Vapnik–Chervonenkis Dimension,简称 VC Dimension,记作 \(d_\mathcal{F}\),是最大的满足如下条件的整数 \(N\)

\[
S_\mathcal{F}(N) = 2^N
\]

如果不存在这样的整数,我们记 \(d_\mathcal{F}=\infty\)。

显然所有大于 \(d_\mathcal{F}\) 的整数都是 \(\mathcal{F}\) 的 break point。VC 维的重要性在于它刻画了 \(\mathcal{F}\) 的复杂度,这一点我们在这个 VC Theory 系列的一开始就提到了:如果 \(\mathcal{F}\) 的 VC 维是有限的,那么在我们的设定下的问题就是 Learnable 的。不过,严格的证明还需要一些工作量,所以我们先来直观地感觉一下。简单来说,我们可以说 \(\mathcal{F}\) 的 shatter 能力止于 \(d_\mathcal{F}\):所有个数多于 \(d_\mathcal{F}\) 的数据集 \(\mathcal{F}\) 都无法将其 shatter,也就是说,当数据点的个数44由于我们使用了 symmetrimization,所以实际上是数据点个数的二倍。大于 \(d_\mathcal{F}\) 的时候,我们就可以在 Hoeffding 不等式的前面乘上一个比 \(2^N\) 更 nice 的系数了。

根据我们刚才的计算,Positive Rectangles 的 VC 维应该是 \(4\),碰巧每个 positive rectangle 也是由 4 个参数所确定,这两者之间是不是有什么联系呢?遗憾的是,两者之间并没有什么必然联系,Yaser 教授55暂且以名字称吧,外国人的姓好难记……^_^bbb在课上举过一个把一堆 perceptron 串起来的例子,冗余参数的个数可以被堆到任意多个,但是它的 VC 维却永远和一个 perceptron 的 VC 维相等的;反过来的例子也有,例如这样的单参数函数集合

\[
\{\text{sign}(\sin(tz))|t\in\mathbb{R}\}
\]

它的 VC 维却是 \(\infty\)。

我们知道当 \(N>d_\mathcal{F}\) 的时候,可以得到比 \(2^N\) 更好的系数,但是具体是多少呢?当然形式上表示就是 \(S_\mathcal{F}(N)\),不过这个具体数值的计算有点略复杂,课堂上 Yaser 教授举过几个例子,我们也见识过了,既然直接计算是不可行的,那么我们就来寻求一个上界吧,当然这个上界必须要比 \(2^N\) 要小,否则就毫无意义了。幸运的是,这里确实存在一个非常好的上界。

thm: 1 »

定理 Vapnik and Chervonenkis, Sauer, Shelah

设 \(\mathcal{F}\) 的 VC 维 \(d_\mathcal{F}<\infty\),则对任意正整数 \(N\),我们有

\[
S_\mathcal{F}(N)\leq \sum_{i=0}^{d_\mathcal{F}}\binom{N}{i}
\]

于是,对于 \(N\leq d_\mathcal{F}\),\(S_\mathcal{F}(N)=2^N\),而当 \(N>d_\mathcal{F}\) 时:

\[
\begin{aligned}
\left(\frac{d_\mathcal{F}}{N}\right)^{d_\mathcal{F}} S_\mathcal{F}(N) &\leq \left(\frac{d_\mathcal{F}}{N}\right)^{d_\mathcal{F}}\sum_{i=0}^{d_\mathcal{F}}\binom{N}{i} & \\
&\leq \sum_{i=0}^{d_\mathcal{F}} \left(\frac{d_\mathcal{F}}{N}\right)^i \binom{N}{i} &\text{coz. } \frac{d_\mathcal{F}}{N}< 1 \\
&\leq \sum_{i=0}^{N} \left(\frac{d_\mathcal{F}}{N}\right)^i \binom{N}{i} & \\
&= \left(1+\frac{d_\mathcal{F}}{N}\right)^N &\\
&\leq e^{d_\mathcal{F}} &
\end{aligned}
\]

将左边的系数除到右边,得到:

eq: 2 »

\[
S_\mathcal{F}(N) \leq \left(\frac{eN}{d_\mathcal{F}}\right)^{d_\mathcal{F}}
\]

也就是说,\(S_\mathcal{F}(N)\) 被一个关于 \(N\) 的 \(d_\mathcal{F}\) 次多项式给 bound 住了。从指数函数到多项式函数不得不说是一次大跃进,因为多项式函数的增长速度和指数函数的增长速度是没法比的。于是我们迫不及待地对 (eq: 1) 进行修正。

注意原来的式子中我们处理的是一份数据加上一份 Ghost Sample,所以总数目是 \(2N\),当 \(d_\mathcal{F}\) 有限并且 \(2N > d_\mathcal{F}\) 时,我们得到:

\[
\begin{aligned}
P\left( \sup_{f\in\mathcal{F}} (E^*_N(f)- E_N(f)) > \frac{\epsilon}{2} \right) &\leq S_\mathcal{F}(2N)e^{-\epsilon^2 N/2} \\
&\leq \left(\frac{2eN}{d_\mathcal{F}}\right)^{d_\mathcal{F}} e^{- \epsilon^2N/2}
\end{aligned}
\]

再结合 Symmetrimization 得到的结论,我们最终得到:

\[
P\left( \sup_{f\in\mathcal{F}} (E(f)- E_N(f)) > \epsilon \right) \leq 2\left(\frac{2eN}{d_\mathcal{F}}\right)^{d_\mathcal{F}} e^{- \epsilon^2N/2}
\]

令不等式右边等于 \(\delta\),反解 \(\epsilon\) 得到

eq: 3 »

\[
\epsilon = \sqrt{\frac{2}{N}\log 2 + \frac{2d}{N}\log\left(\frac{2Ne}{d}\right) + \frac{2}{N}\log\frac{1}{\delta}}
\]

换而言之,不论我们的学习算法给出什么样的 final hypothesis \(f\in\mathcal{F}\),我们总能以不低于 \(1-\delta\) 的概率保证

\[
E(f) \leq E_N(f) + \epsilon(\delta,d_\mathcal{F}, N)
\]

其中 \(\epsilon\) 依赖于 \(\delta\)、\(N\) 以及 \(\mathcal{F}\) 的 VC 维,它的具体定义如 (eq: 3),式子有点复杂,不过如果我们只关注一下 \(N\) 的话,可以看到它是 \(O(\sqrt{\frac{1}{N} \log N})\) 的,随着 \(N\) 的增大,这一项可以被变得任意小。

用人话总结一下的话,就是说,如果 \(\mathcal{F}\) 的 VC 维是有限的,那么对于任意的精确度 \(\epsilon\) 和确信程度 \(\delta\) 的要求,只要我们把数据量 \(N\) 增加到足够大,就总能实现。我们把这称作是 Learnable 的。注意这里我们完全没有考虑用了什么学习算法,例如你可以用一个完全随机地返回任意一个 \(f\) 的算法,仍然能够满足我们这里给的 bound。

但是同时要注意的是我们这里的 bound 指的是 in-sample error 和 out-of-sample error 之间的差异。所以如果 in-sample error 很高的话,最终的结果也是没有多大意思的。而 in-sample error 是我们可以切实计算的,所以是否能做到让 in-sample error 很小就要看算法的好坏与问题本身的难度了(例如 Bayes Error 本身就很高的问题,再怎么都是无济于事的)。

末尾提一下我没有 cover 的一些东西,一个是常见的一些 VC 维,这个在 Yaser 教授的课里举了不少例子,例如 \(\mathbb{R}^d\) 上的 perceptron 的 VC 维是 \(d+1\),我在这里就不多讲了。另外我没有证明定理 (thm: 1),本来也是打算要整理的,但是连写了三篇日志,完全没有力气了 :p,反正 Yaser 教授在课上已经讲得很生动详细了,另外也可以参考 (Kearns & Vazirani, 1994) 中 3.4 节给出的证明,相对比较简洁一点,但是其实本质上是一样的。

然后,这些东西还只是学习理论的冰山一角,就这个特定的问题而言,VC 维并不是刻画 \(\mathcal{F}\) 复杂度的唯一量,我们所得到的 bound 也并不是已知最好的,而且只是处理 binary classification 的情况,而没有考虑 multiclass 的问题,也没有考虑诸如 Active Learning 等的情况。不同的设定下也会导出不同的问题和方法,仅从问题的 formulation 上来看的话,古时候的统计学似乎比较喜欢研究给定数据的模型的情况下的一些问题,而发展到机器学习中时大家开始认为假定已知数据的分布或模型是不科学的,因此发展的理论也主要集中在像这里这样的对 \(\mathcal{Z}\) 上的任意分布都成立的背景下。然后呢,最近开始比较流行的另外一个叫做 Online Learning 或者 Theory of Individual Sequences 或者其他一些的名字的 subfield,他们认为假设数据全部采样自一个概率分布本身就是不科学的,虽然有一些人在研究 Domain Adaptation 之类的问题,通常假设训练数据和测试数据是来着不同的但是相关的概率分布,但是 Sequential Learning 学派更加激进,直接抛弃了任何概率统计的假设,数据不必是从什么概率分布里采样出来的,而可以是任意的,更极端的情况下,数据甚至可以是某个 adversary 蓄意产生的最坏的数据——例如 spammer 和 anti-spam classifier 就是一个很典型的例子。

References

  • Kearns, M. J., & Vazirani, U. V. (1994). {An introduction to computational learning theory}. Cambridge, MA, USA: MIT Press.

from Free Mind: http://freemind.pluskid.org/slt/vc-theory-vapnik-chervonenkis-dimension/

Written by cwyalpha

七月 30, 2012 在 12:38 下午

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