台湾国立大学机器学习基石.听课笔记（第四讲）： 机器学习的可行性

提纲

机器学习的可行性 & 訓練與測試内容如:

1. 引入计算橙球概率问题

2. 通过用Hoeffding's inequality解决上面的问题，并得出PAC的概念，证明采样数据学习到的h的错误率可以和全局一致是PAC的

3. 将得到的理论应用到机器学习，证明实际机器是可以学习

4. 二元分类的 Effective Number

5. 一般备选函数的 EffectiveNumber

6. break point

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Learning is Impossible机器学习的可行性

假设有如下学习问题：



训练数据D包含了6张3*3的黑白图片，并给出了对应的输出，根据这些信息确定一个近似目标函数g，并用g计算最下方图片的输出。

甲认真看了下发现第一行三张图片左上角都是黑色色块，第二行三张图片左上角都是白色色块，最下面那张左上角是黑色，所以g(x)=-1；乙发现第一行三张图片都不是对称的，第二行三张图片总能找到一个对称轴，而最下面那张图也有一个对称轴，所以g(x)=+1。在这个例子中，你给出一个备选的g函数，总能找到另一个g'函数在D上成立，并且输出与g相反，也即，在D上正确的g，在D以外的数据上不一定正确！更苦逼的是，D以外的计算结果我们无法验证它的正确性！

再举一个相似的例子：

输入集{χ}={0,1}^3;

输出集{η}={○，x}

训练数据D ===>>



由于该问题比较简单，我们可以把所有在D上成立的备选函数 fi 枚举出来：



f1 ~ f8 都有可能是函数g，但是我们确定不了。在上面的两个例子中，在D的基础上都能得出不止一个备选函数 fi，并且无法确定这些备选函数的正确性。对于这样的问题，可以讲机器学习是无能为力的。

Probability to the Rescue概率方法

如果有一个装有很多（数量很大以至于无法通过数数解决）橙色球和绿色球的罐子，我们能不能推断橙色球的比例？根据上一节，用有限的数据D，去推测D超集上的目标函数f有可能会失败。这种用已知推测未知的问题在概率论中同样存在：



很明显的思路是利用统计中抽样的方法，既然我们无法穷尽数遍所有罐子中的球，不如随机取出几个球，算出其中两种颜色球的比例去近似得到我们要的答案，

在一个罐子里，放着很多小球，他们分两种颜色{橘色，绿色}。有什么办法能够推测橘色小球所占的比例？从罐中随机抓一把小球，有N个。假设：罐中橘色球的比例为μ（未知），抓出来的样本中橘色球的比例为ν（已知）。ν能代表μ吗？
根据概率论中的霍夫丁不等式（Hoeffding’s Inequality），若N足够大，ν就很可能接近μ。



这里v 是样本概率；u 是总体概率。

Connection to Learning概率方法与学习问题的联系

映射中最关键的点是讲抽样中橙球的概率理解为样本数据集D上h(x)错误的概率，以此推算出在所有数据上h(x)错误的概率，这也是机器学习能够工作的本质，即我们为啥在采样数据上得到了一个假设，就可以推到全局呢？因为两者的错误率是PAC的，只要我们保证前者小，后者也就小了。

橘色球的比例μ --》备选函数h(x)的正确性（是否接近f(x)），h∈H

罐子中的小球 --》 输入集{χ}

作为样本的N个小球 --》 训练集D={ xi, yi } ( i=1, ... ,N) D∈{χ}

橘色小球 --》h(xi)错误，或h(xi)≠f(xi)

绿色小球 --》h(xi)正确，或h(xi)=f(xi)

这里假设小球与数据x都是独立同分布的。

显然，N足够大的时候可以用D上的 [h(x)≠f(x)] 来推测{χ}上的 [h(x)≠f(x)]。就是说，如果样本足够大，那么备选函数h在D上犯错误的比例接近其在{χ}上犯错误的比例。

设某一备选函数h在D上的犯错比例为E-in(h)，在整个输入集上的犯错比例为E-out(h)，则有：



这意味着我们可以根据备选函数h在D上的表现来衡量它的正确性，并最终从备选函数集H中选出最优的那个h作为g，且g≈f



请注意，以上都是对某个特定的假设，其在全局的表现可以和其在DataSet的表现PAC，保证DataSet表现好，就能够推断其能泛化。可是我们往往有很多假设，我们实际上是从很多假设中挑一个表现最好（Ein最小）的作为最终的假设，那么这样挑的过程中，最小的Ein其泛化能力一定是最好么？肯定不是。

对于一个固定的假设h， 我们需要验证它的错误率；然后根据验证的结果选择最好的h。

Connection to Real Learning真实的机器学习

到此为止万无一失了吗？No，因为概率论喜欢与人开玩笑。举个例子，150个人，每人抛一个硬币5次，至少有一个人5次皆为人头向上的概率为：

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1 - (31/32)^150 = 99.15%

所以一个小概率事件如果重复多次，他发生的概率就会变得很大。

同理，如下情形是有可能的：

学习算法A在备选函数集H中（含有很多h）孜孜不倦地挑选着h，突然找到一个hi，发现它在D上没犯错误或只犯了很少错误，A高兴大喊：我找到g了，就是这个hi！但实际上这个hi在{χ}上却犯了很多错误（E-in(hi)与E-out(hi)差很远）。对于这个hi来说，D是一个坏样本（Bad
Sample）。



H中可能提取若干样本Di，{ i= 1, 2，3 . . . }，对于某一个h来说，其中一些样本是Bad Sample。那么对于任意样本D和给定的h，有：



面对多个h 做选择时，容易出现问题。比如，某个不好的h 刚好最初的”准确“ 的假象。在整个备选函数集H（有M个元素）上，以下4个命题等价：

---》D是H的Bad Sample
---》D是某些h的Bad Sample
---》学习算法A不能在H中做自由筛选
---》存在某些h使得E-in(h)与E-out(h)差很远

随着h 的增加，出现这种假象的概率会增加。发生这种现象的原因是训练数据质量太差。



所以，D-1126这样的训练数据集是比较优质的。对于某个假设h， 当训练数据对于h 是BAD sample 时， 就可能出现问题。因此，我们希望对于我们面对的假设空间，训练数据对于其中的任何假设h 都不是BAD sample。给定任意D，它是某些H的Bad Sample的概率为：



所以，当假设空间有限时（大小为M）时， 当N 足够大，发生BAD sample 的概率非常小。此时学习是有效的。当假设空间无穷大时,例如感知机空间. 即H中备选函数的数量M越少，样本数据量N越大，则样本成为坏样本的概率越小。在一个可接受的概率水平上，学习算法A只需要挑选那个表现最好的h作为g就行了。

以上推论成立的必要条件是M有限，当M→∞时怎么办？ 接下来我们讨论。