Стабильность (теория обучения) - Википедия - Stability (learning theory)

Стабильность, также известный как алгоритмическая стабильность, это понятие в теория вычислительного обучения о том, как алгоритм машинного обучения возмущается небольшими изменениями его входов. Стабильный алгоритм обучения - это алгоритм, для которого прогноз не сильно меняется при незначительном изменении обучающих данных. Например, рассмотрим алгоритм машинного обучения, который обучается распознавать рукописные буквы алфавита, используя 1000 примеров рукописных букв и их меток (от «A» до «Z») в качестве обучающего набора. Один из способов изменить этот обучающий набор - опустить пример, чтобы было доступно только 999 примеров рукописных букв и их меток. Стабильный алгоритм обучения даст аналогичный классификатор с обучающими наборами из 1000 и 999 элементов.

Стабильность может быть изучена для многих типов учебных задач, начиная с изучение языка к обратные задачи в физике и инженерии, поскольку это свойство процесса обучения, а не тип изучаемой информации. Изучение устойчивости приобрело важное значение в теория вычислительного обучения в 2000-х, когда было показано, что он связан с обобщение^{[нужна цитата ]}. Было показано, что для больших классов алгоритмов обучения, в частности минимизация эмпирического риска алгоритмов, некоторые виды устойчивости обеспечивают хорошее обобщение.

История

Центральная цель в разработке система машинного обучения гарантирует, что алгоритм обучения будет обобщать, или точно работать на новых примерах после обучения на конечном их количестве. В 1990-е годы были достигнуты вехи в получении оценок обобщения для контролируемые алгоритмы обучения. Техника, исторически использовавшаяся для доказательства обобщения, заключалась в том, чтобы показать, что алгоритм последовательный, с использованием равномерное схождение свойства эмпирических величин к их средним значениям. Эта техника была использована для получения обобщающих оценок для большого класса минимизация эмпирического риска (ERM) алгоритмы. Алгоритм ERM - это алгоритм, который выбирает решение из пространства гипотез. ${ displaystyle H}$ таким образом, чтобы минимизировать эмпирическую ошибку на обучающей выборке ${ displaystyle S}$.

Общий результат, доказанный Владимир Вапник для алгоритмов двоичной классификации ERM заключается в том, что для любой целевой функции и входного распределения любое пространство гипотез ${ displaystyle H}$ с VC-измерение ${ displaystyle d}$, и ${ displaystyle n}$ примеры обучения, алгоритм является последовательным и выдаст ошибку обучения, которая не превышает ${ displaystyle O left ({ sqrt { frac {d} {n}}} right)}$ (плюс логарифмические коэффициенты) от истинной ошибки. Позже результат был распространен на почти ERM-алгоритмы с функциональными классами, не имеющими уникальных минимизаторов.

Работа Вапника с использованием того, что стало известно как Теория ВК, установила связь между обобщением алгоритма обучения и свойствами пространства гипотез ${ displaystyle H}$ изучаемых функций. Однако эти результаты не могут быть применены к алгоритмам с пространствами гипотез неограниченной VC-размерности. Другими словами, эти результаты нельзя было применить, когда изучаемая информация имела сложность, слишком большую для измерения. Некоторые из простейших алгоритмов машинного обучения - например, для регрессии - имеют пространства гипотез с неограниченной VC-размерностью. Другой пример - алгоритмы изучения языка, которые могут создавать предложения произвольной длины.

Анализ устойчивости был разработан в 2000-х годах для теория вычислительного обучения и является альтернативным методом получения оценок обобщения. Стабильность алгоритма - это свойство процесса обучения, а не прямое свойство пространства гипотез. ${ displaystyle H}$, и это может быть оценено в алгоритмах, которые имеют пространства гипотез с неограниченной или неопределенной VC-размерностью, например, ближайший сосед. Стабильный алгоритм обучения - это алгоритм, для которого изученная функция не сильно меняется при незначительном изменении обучающей выборки, например, путем исключения примера. Мера Оставьте одну ошибку используется в алгоритме перекрестной проверки Leave One Out (CVloo) для оценки устойчивости алгоритма обучения по отношению к функции потерь. Таким образом, анализ устойчивости - это применение Анализ чувствительности машинному обучению.

Резюме классических результатов

• Начало 1900-х годов - Стабильность в теории обучения впервые описывалась в терминах непрерывности обучающей карты. ${ displaystyle L}$, прослеживается до Андрей Николаевич Тихонов.
• 1979 - Деврой и Вагнер заметили, что поведение алгоритма «исключение по одному» связано с его чувствительностью к небольшим изменениям в выборке.^[1]
• 1999 - Кернс и Рон обнаружили связь между конечной размерностью ВК и стабильностью.^[2]
• 2002 - В исторической статье Буске и Элиссефф предложили понятие единообразная устойчивость гипотез алгоритма обучения и показал, что он предполагает низкую ошибку обобщения. Однако единообразная стабильность гипотез является сильным условием, которое не применяется к большим классам алгоритмов, включая алгоритмы ERM с пространством гипотез только из двух функций.^[3]
• 2002 - Кутин и Нийоги расширили результаты Буске и Элиссеффа, предоставив оценки обобщения для нескольких более слабых форм устойчивости, которые они назвали почти везде стабильность. Более того, они сделали первый шаг в установлении взаимосвязи между стабильностью и согласованностью в алгоритмах ERM в настройке «Вероятно приблизительно правильно» (PAC).^[4]
• 2004 - Poggio et al. доказали общую взаимосвязь между стабильностью и согласованностью ERM. Они предложили статистическую форму стабильности по принципу исключения одного исключения, которую они назвали CVEEEloo стабильностьи показал, что это а) достаточно для обобщения в классах с ограниченными потерями и б) необходимо и достаточно для согласованности (и, следовательно, обобщения) алгоритмов ERM для определенных функций потерь, таких как квадрат потерь, абсолютное значение и потери двоичной классификации. .^[5]
• 2010 - Шалев Шварц заметил проблемы с исходными результатами Vapnik из-за сложных отношений между пространством гипотез и классом потерь. Они обсуждают понятия стабильности, которые охватывают разные классы потерь и разные типы обучения, контролируемого и неконтролируемого.^[6]

Предварительные определения

Мы определяем несколько терминов, связанных с обучающими наборами алгоритмов, чтобы затем мы могли определить стабильность различными способами и представить теоремы с мест.

Алгоритм машинного обучения, также известный как обучающая карта. ${ displaystyle L}$, отображает набор обучающих данных, который представляет собой набор помеченных примеров ${ Displaystyle (х, у)}$на функцию ${ displaystyle f}$ из ${ displaystyle X}$ к ${ displaystyle Y}$, куда ${ displaystyle X}$ и ${ displaystyle Y}$ находятся в том же пространстве обучающих примеров. Функции ${ displaystyle f}$ выбираются из пространства гипотез функций, называемых ${ displaystyle H}$.

Обучающая совокупность, на которой обучается алгоритм, определяется как

${ Displaystyle S = {z_ {1} = (x_ {1}, y_ {1}) , .., z_ {m} = (x_ {m}, y_ {m}) }}$

и имеет размер ${ displaystyle m}$ в ${ Displaystyle Z = X раз Y}$

нарисовано i.i.d. из неизвестного дистрибутива D.

Таким образом, обучающая карта ${ displaystyle L}$ определяется как отображение из ${ displaystyle Z_ {m}}$ в ${ displaystyle H}$, отображение обучающего набора ${ displaystyle S}$ на функцию ${ displaystyle f_ {S}}$ из ${ displaystyle X}$ к ${ displaystyle Y}$. Здесь мы рассматриваем только детерминированные алгоритмы, где ${ displaystyle L}$ симметричен относительно ${ displaystyle S}$, т.е. не зависит от порядка элементов в обучающей выборке. Кроме того, мы предполагаем, что все функции измеримы и все множества счетны.

Утрата ${ displaystyle V}$ гипотезы ${ displaystyle f}$ относительно примера ${ Displaystyle Z = (х, у)}$ тогда определяется как ${ Displaystyle В (е, г) = В (е (х), у)}$.

Эмпирическая ошибка ${ displaystyle f}$ является ${ displaystyle I_ {S} [f] = { frac {1} {n}} sum V (f, z_ {i})}$.

Истинная ошибка ${ displaystyle f}$ является ${ Displaystyle I [е] = mathbb {E} _ {z} V (f, z)}$

Учитывая обучающий набор S размера m, мы построим для всех i = 1 ...., m модифицированные обучающие наборы следующим образом:

• Удалив i-й элемент

${ Displaystyle S ^ {| i} = {z_ {1}, ..., z_ {i-1}, z_ {i + 1}, ..., z_ {m} }}$

• Заменив i-й элемент

${ displaystyle S ^ {i} = {z_ {1}, ..., z_ {i-1}, z_ {i} ^ {'}, z_ {i + 1}, ..., z_ {m} }}$

Определения стабильности

Стабильность гипотез

Алгоритм ${ displaystyle L}$ имеет устойчивость гипотезы β относительно функции потерь V, если выполняется следующее:

${ displaystyle forall i in {1, ..., m }, mathbb {E} _ {S, z} [| V (f_ {S}, z) -V (f_ {S ^ { | i}}, z) |] leq beta.}$

Точечная гипотеза устойчивости

Алгоритм ${ displaystyle L}$ имеет поточечную устойчивость гипотезы β по отношению к функции потерь V, если выполняется следующее:

${ displaystyle forall i in {1, ..., m }, mathbb {E} _ {S} [| V (f_ {S}, z_ {i}) - V (f_ {S ^ {| i}}, z_ {i}) |] leq beta.}$

Устойчивость к ошибкам

Алгоритм ${ displaystyle L}$ имеет устойчивость к ошибкам β по отношению к функции потерь V, если выполняется следующее:

${ displaystyle forall S in Z ^ {m}, forall i in {1, ..., m }, | mathbb {E} _ {z} [V (f_ {S}, z )] - mathbb {E} _ {z} [V (f_ {S ^ {| i}}, z)] | leq beta}$

Равномерная стабильность

Алгоритм ${ displaystyle L}$ имеет равномерную устойчивость β относительно функции потерь V, если выполнено следующее:

${ Displaystyle forall S in Z ^ {m}, forall i in {1, ..., m }, sup _ {z in Z} | V (f_ {S}, z) -V (f_ {S ^ {| i}}, z) | leq beta}$

Вероятностный вариант равномерной устойчивости β:

${ Displaystyle forall S in Z ^ {m}, forall i in {1, ..., m }, mathbb {P} _ {S} { sup _ {z in Z } | V (f_ {S}, z) -V (f_ {S ^ {| i}}, z) | leq beta } geq 1- delta}$

Алгоритм называется стабильный, когда значение ${ displaystyle beta}$ уменьшается как ${ displaystyle O ({ frac {1} {m}})}$.

Перекрестная проверка без исключения (CVloo) Стабильность

Алгоритм ${ displaystyle L}$ имеет CVloo-устойчивость β относительно функции потерь V, если выполняется следующее:

${ displaystyle forall i in {1, ..., m }, mathbb {P} _ {S} {| V (f_ {S}, z_ {i}) - V (f_ {S ^ {| i}}, z_ {i}) | leq beta _ {CV} } geq 1- delta _ {CV}}$

Определение (CVloo) устойчивости таково: эквивалент к Точечно-гипотезе устойчивости видели ранее.

Ожидаемая ошибка исключения (${ displaystyle Eloo_ {err}}$) Стабильность

Алгоритм ${ displaystyle L}$ имеет ${ displaystyle Eloo_ {err}}$ устойчивость, если для каждого n существует ${ displaystyle beta _ {EL} ^ {m}}$ и ${ displaystyle delta _ {EL} ^ {m}}$ такой, что:

${ displaystyle forall i in {1, ..., m }, mathbb {P} _ {S} {| I [f_ {S}] - { frac {1} {m}} sum _ {i = 1} ^ {m} V (f_ {S ^ {| i}}, z_ {i}) | leq beta _ {EL} ^ {m} } geq 1- delta _ {EL} ^ {m}}$, с ${ displaystyle beta _ {EL} ^ {m}}$ и ${ displaystyle delta _ {EL} ^ {m}}$ идет к нулю для ${ Displaystyle м, rightarrow infty}$

Классические теоремы

От Буске и Элиссефф (02):

Для симметричных алгоритмов обучения с ограниченными потерями, если алгоритм имеет равномерную стабильность с вероятностным определением, приведенным выше, алгоритм обобщается.

Равномерная устойчивость - это строгое условие, которое выполняется не всеми алгоритмами, но, как ни странно, выполняется в большом и важном классе алгоритмов регуляризации. В статье дается оценка обобщения.

Из Mukherjee et al. (06):

• Для симметричных алгоритмов обучения с ограниченными потерями, если алгоритм имеет обе Стабильность перекрестной проверки (CVloo) и ожидаемая ошибка исключения одного исключения (${ displaystyle Eloo_ {err}}$) Стабильность, как определено выше, алгоритм обобщает.
• Для обобщения недостаточно ни одного из условий. Однако оба вместе обеспечивают обобщение (в то время как обратное неверно).
• В частности, для алгоритмов ERM (скажем, для квадратичных потерь), перекрестная проверка без исключения (CVloo) Стабильность необходима и достаточна для согласованности и обобщения.

Это важный результат для основ теории обучения, потому что он показывает, что два ранее не связанных свойства алгоритма, стабильность и согласованность, эквивалентны для ERM (и некоторых функций потерь). В статье дается оценка обобщения.

Стабильные алгоритмы

Это список алгоритмов, которые показали свою стабильность, и статья, в которой приводятся связанные с ними границы обобщения.

• Линейная регрессия^[7]
• Классификатор k-NN с функцией потерь {0-1}.^[8]
• Машина опорных векторов (SVM) классификация с ограниченным ядром и где регуляризатор является нормой в гильбертовом пространстве воспроизводящего ядра. Большая константа регуляризации ${ displaystyle C}$ приводит к хорошей стабильности.^[9]
• Классификация Soft margin SVM.^[10]
• Регулярный Регрессия методом наименьших квадратов.^[11]
• Алгоритм минимальной относительной энтропии для классификации.^[12]
• Версия упаковка регуляризаторы с номером ${ displaystyle k}$ регрессоров увеличивается с ${ displaystyle n}$.^[13]
• Мультиклассовая классификация SVM.^[14]
• Все алгоритмы обучения с регуляризацией Тихонова удовлетворяют критериям равномерной устойчивости и, таким образом, являются обобщаемыми.^[15]

Рекомендации

дальнейшее чтение