聽課筆記（第五講）： 學習的可行性分析（一些概念和思想） (臺灣國立大學機器學習基石）
阿新 • • 發佈：2019-02-15
Training versus Testing
1，回顧：學習的可行性？
最重要的是公式：
（1） 假設空間H有限（M），且訓練資料足夠大，則可以保證測試錯誤率Eout 約等於訓練錯誤率Ein；
（2）如果能得到Ein 接近於零，根據（1），Eout 趨向於零。
以上兩條保證的學習的可能性。
可知，假設空間H 的大小M 至關重要，我們接下來會力求找一個H 大小的上界。
M存在重要的trade-off 思想：
（1）當M 很小，那麼壞資料出現的概率非常小（見第四講分析），學習是有效的；但是由於假設空間過小，我們不一定能找到一個方案，可以使訓練誤差接近零；
（2）反之，若M 很大，壞資料出現的概率會變大。
若假設空間無限大（比如感知機），學習一定是無效的嗎？這門在下面力圖回答這個問題。
2， 假設空間H 大小：M
根據上面的公式，當M 無限大時是無法有效學習的；主要是我們在計算M 是通過UNION BOUND 的方式，這樣得到的上界太寬鬆了；實際上，由於不同假設下發生壞事情是有很多重疊的，其實我們可以得到比M小得多的上界。
我們希望將這麼多的假設進行分組，根據組數來考慮假設空間大小。
接下來的討論需要腦子轉個彎兒，去看臺大林軒田的視訊和講義應該更清楚些，我這裡解釋的看不懂沒關係~
後面的討論都是針對批量的二值分類問題。
這個思想的關鍵是，我們從有限個輸入資料的角度來看待假設的種類。
（1）最簡單的情形，只有一個輸入資料時，我們最多隻有兩種假設：h1(x) = +1 or h2(x) = -1 。
（2）輸入資料增加到兩個，最多可以有四種假設：
h1(x1)=1, h1(x2)=1;
h2(x1)=-1, h2(x2)=1;
h3(x1)=1, h3(x2)=-1;
h4(x1)=-1, h4(x2)=-1.
依次類推， 對於k 個輸入資料，最多有2^k 種假設。
上面闡述的是理想、極端情況，實際上，在實際學習中我們得不到如此之多的假設。例如，對於2維感知機（輸入為平面上的點），輸入資料為3個時，下面這種假設是不存在的：
（圓圈和叉代表兩種不同分類，這種情形也就是線性不可分）。
我們嘗試猜測，當k 很大時，有效假設的數量遠小於 2^k ?
定義"dichotomy": hypothesis 'limited' to the eyes if x1, x2, ..., xn
也就是相當於我們前面描述的，從輸入資料的角度看，有效假設的種類。
輸入規模為N時，dichotomies 的一個寬的上界是 2^N.
後面這部分內容，如果想理解清楚，還是建議看林軒田的講解。:-)
定義關於資料規模N 的生長函式(growth function)：資料規模為N 時，可能的dichotomy 的數量，記為m(N)。
下面列舉幾種生長函式：
（1）X=R（一維實數空間），h(x) = sign(x-a)， a 是引數。
它的生長函式： m(N) = N + 1 ； 當N > 1時，m(N) < 2^N
（2）X=R， h(x) = 1 iff x>=a or x<b, -1 otherwise. 有兩個引數 a, b.
它的生長函式：m(N) = 0.5N^2 + 0.5N + 1； 當 N>2 時， m(N) < 2^N
（3）X=R^2（二維實數空間），h是一個任意凸多邊形，多邊形內部的為1，外部的為-1。
它的生長函式：m(N) = 2^N
我們引入一個重要概念：突破點(break point)：對於某種假設空間H，如果m(k)<2^k， 則k 是它的突破點。
對於上面提到的三個例子，（1）的突破點是2,3,4... （2）的圖破點是3,4,... （3）沒有突破點。
注意：如果k 是突破點，那麼k+1, k+2, ... 都是突破點。
對於感知機，我們不知道它的生長函式，但是我們知道它的第一個突破點是4， m(4)=14 < 16
對於後面的證明，突破點是一個很重要的概念。
我寫的過於簡略，不清楚的地方大家還是去看林軒田的原版課程吧。
歡迎交流~
1，回顧：學習的可行性？
最重要的是公式：
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（1） 假設空間H有限（M），且訓練資料足夠大，則可以保證測試錯誤率Eout 約等於訓練錯誤率Ein；
（2）如果能得到Ein 接近於零，根據（1），Eout 趨向於零。
以上兩條保證的學習的可能性。
可知，假設空間H 的大小M 至關重要，我們接下來會力求找一個H 大小的上界。
M存在重要的trade-off 思想：
（1）當M 很小，那麼壞資料出現的概率非常小（見第四講分析），學習是有效的；但是由於假設空間過小，我們不一定能找到一個方案，可以使訓練誤差接近零；
（2）反之，若M 很大，壞資料出現的概率會變大。
若假設空間無限大（比如感知機），學習一定是無效的嗎？這門在下面力圖回答這個問題。
2， 假設空間H 大小：M
根據上面的公式，當M 無限大時是無法有效學習的；主要是我們在計算M 是通過UNION BOUND 的方式，這樣得到的上界太寬鬆了；實際上，由於不同假設下發生壞事情是有很多重疊的，其實我們可以得到比M小得多的上界。
我們希望將這麼多的假設進行分組，根據組數來考慮假設空間大小。
接下來的討論需要腦子轉個彎兒，去看臺大林軒田的視訊和講義應該更清楚些，我這裡解釋的看不懂沒關係~
後面的討論都是針對批量的二值分類問題。
這個思想的關鍵是，我們從有限個輸入資料的角度來看待假設的種類。
（1）最簡單的情形，只有一個輸入資料時，我們最多隻有兩種假設：h1(x) = +1 or h2(x) = -1 。
（2）輸入資料增加到兩個，最多可以有四種假設：
h1(x1)=1, h1(x2)=1;
h2(x1)=-1, h2(x2)=1;
h3(x1)=1, h3(x2)=-1;
h4(x1)=-1, h4(x2)=-1.
依次類推， 對於k 個輸入資料，最多有2^k 種假設。
上面闡述的是理想、極端情況，實際上，在實際學習中我們得不到如此之多的假設。例如，對於2維感知機（輸入為平面上的點），輸入資料為3個時，下面這種假設是不存在的：
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我們嘗試猜測，當k 很大時，有效假設的數量遠小於 2^k ?
定義"dichotomy": hypothesis 'limited' to the eyes if x1, x2, ..., xn
也就是相當於我們前面描述的，從輸入資料的角度看，有效假設的種類。
輸入規模為N時，dichotomies 的一個寬的上界是 2^N.
後面這部分內容，如果想理解清楚，還是建議看林軒田的講解。:-)
定義關於資料規模N 的生長函式(growth function)：資料規模為N 時，可能的dichotomy 的數量，記為m(N)。
下面列舉幾種生長函式：
（1）X=R（一維實數空間），h(x) = sign(x-a)， a 是引數。
它的生長函式： m(N) = N + 1 ； 當N > 1時，m(N) < 2^N
（2）X=R， h(x) = 1 iff x>=a or x<b, -1 otherwise. 有兩個引數 a, b.
它的生長函式：m(N) = 0.5N^2 + 0.5N + 1； 當 N>2 時， m(N) < 2^N
（3）X=R^2（二維實數空間），h是一個任意凸多邊形，多邊形內部的為1，外部的為-1。
它的生長函式：m(N) = 2^N
我們引入一個重要概念：突破點(break point)：對於某種假設空間H，如果m(k)<2^k， 則k 是它的突破點。
對於上面提到的三個例子，（1）的突破點是2,3,4... （2）的圖破點是3,4,... （3）沒有突破點。
注意：如果k 是突破點，那麼k+1, k+2, ... 都是突破點。
對於感知機，我們不知道它的生長函式，但是我們知道它的第一個突破點是4， m(4)=14 < 16
對於後面的證明，突破點是一個很重要的概念。
我寫的過於簡略，不清楚的地方大家還是去看林軒田的原版課程吧。
歡迎交流~