SDSC6001 作业1:覆盖数泛化界
问题:证明覆盖数界并通过模拟验证
背景(给定)
设 H 是从 X 映射到 Y⊆R 的函数族。我们考虑平方损失:
ℓ(h(x),y)=(h(x)−y)2
设 D 是 X×Y 上的未知分布。对于 h∈H,定义真实风险和经验风险:
R(h)=E(x,y)∼D[(h(x)−y)2],R^S(h)=m1i=1∑m(h(xi)−yi)2
其中 S=((x1,y1),…,(xm,ym))∼Dm 是独立同分布样本。
假设 H 是有界的:存在 M>0 使得
∣h(x)−y∣≤M对所有 (x,y)∈X×Y 和所有 h∈H
覆盖数(sup范数):对于 ε>0,在 ∥⋅∥∞ 下的覆盖数 N(H,ε) 是最小的 k,使得存在 h1,…,hk∈H 满足:对于每个 h∈H,存在 i≤k 使得
∥h−hi∥∞=x∈Xsup∣h(x)−hi(x)∣≤ε
类似于VC维,覆盖数提供了函数类复杂度的度量:覆盖数越大,函数族越丰富。本问题的目标是通过证明平方损失情况下的学习界来说明这一点。
目标界(需证明)
证明以下泛化界:
PS∼Dm[h∈Hsup∣R(h)−R^S(h)∣≥ε]≤N(H,8Mε)⋅2exp(−2M4mε2)(⋆)
Part I: 证明
设 LS(h)=R(h)−R^S(h)。
问题 1 (20%): Lipschitz 步骤
题目:证明对所有 h1,h2∈H 和任意样本 S,
∣LS(h1)−LS(h2)∣≤4M∥h1−h2∥∞
提示:使用 a2−b2=(a−b)(a+b) 和 M 的有界性。
证明:
首先,我们分别分析 R(h) 和 R^S(h) 关于 h 的 Lipschitz 性质。
步骤1:分析 ∣R(h1)−R(h2)∣
R(h1)−R(h2)=E(x,y)∼D[(h1(x)−y)2−(h2(x)−y)2]
利用恒等式 a2−b2=(a−b)(a+b),令 a=h1(x)−y,b=h2(x)−y:
(h1(x)−y)2−(h2(x)−y)2=(h1(x)−h2(x))((h1(x)−y)+(h2(x)−y))
因此:
∣R(h1)−R(h2)∣=E(x,y)∼D[(h1(x)−h2(x))((h1(x)−y)+(h2(x)−y))]
由有界性假设 ∣hi(x)−y∣≤M,我们有:
-
∣h1(x)−h2(x)∣≤∥h1−h2∥∞
-
∣(h1(x)−y)+(h2(x)−y)∣≤∣h1(x)−y∣+∣h2(x)−y∣≤2M
因此:
∣R(h1)−R(h2)∣≤E[∥h1−h2∥∞⋅2M]=2M∥h1−h2∥∞
步骤2:分析 ∣R^S(h1)−R^S(h2)∣
R^S(h1)−R^S(h2)=m1i=1∑m[(h1(xi)−yi)2−(h2(xi)−yi)2]
同样使用 a2−b2=(a−b)(a+b):
=m1i=1∑m(h1(xi)−h2(xi))((h1(xi)−yi)+(h2(xi)−yi))
取绝对值:
∣R^S(h1)−R^S(h2)∣≤m1i=1∑m∣h1(xi)−h2(xi)∣⋅2M
≤m1i=1∑m∥h1−h2∥∞⋅2M=2M∥h1−h2∥∞
步骤3:结合以上结果
∣LS(h1)−LS(h2)∣=∣R(h1)−R^S(h1)−R(h2)+R^S(h2)∣
≤∣R(h1)−R(h2)∣+∣R^S(h1)−R^S(h2)∣
≤2M∥h1−h2∥∞+2M∥h1−h2∥∞=4M∥h1−h2∥∞
问题 2 (15%): 覆盖的并集界
题目:若 H=⋃i=1kBi,证明
P[h∈Hsup∣LS(h)∣≥ε]≤i=1∑kP[h∈Bisup∣LS(h)∣≥ε]
证明:
定义事件 A={suph∈H∣LS(h)∣≥ε} 和 Ai={suph∈Bi∣LS(h)∣≥ε}。
步骤1:证明 A⊆⋃i=1kAi
假设事件 A 发生,即存在 h∗∈H 使得 ∣LS(h∗)∣≥ε。
由于 H=⋃i=1kBi,存在某个 j∈{1,…,k} 使得 h∗∈Bj。
因此 suph∈Bj∣LS(h)∣≥∣LS(h∗)∣≥ε,这意味着 Aj 发生。
所以 A⊆⋃i=1kAi。
步骤2:应用并集界
由概率的单调性和并集界:
P[A]≤P[i=1⋃kAi]≤i=1∑kP[Ai]
即:
P[h∈Hsup∣LS(h)∣≥ε]≤i=1∑kP[h∈Bisup∣LS(h)∣≥ε]
问题 3 (25%): 从覆盖到有限集 + 集中不等式
题目:设 k=N(H,ε/(8M)),令 h1,…,hk 是半径为 ε/(8M) 的 ∥⋅∥∞ 球的球心,这些球覆盖 H。使用 Lipschitz 步骤证明对每个 i,
P[h∈B∞(hi,ε/(8M))sup∣LS(h)∣≥ε]≤P[∣LS(hi)∣≥2ε]
然后应用集中不等式(如 Hoeffding)来界定 P(∣LS(hi)∣≥ε/2) 并得出 (⋆)。
重要:清楚定义你应用 Hoeffding 不等式的随机变量,并证明不等式所需的有界范围。
证明:
步骤1:利用 Lipschitz 性质
设 h∈B∞(hi,ε/(8M)),即 ∥h−hi∥∞≤ε/(8M)。
由问题1的 Lipschitz 结果:
∣LS(h)−LS(hi)∣≤4M∥h−hi∥∞≤4M⋅8Mε=2ε
步骤2:上界转换
对于任意 h∈B∞(hi,ε/(8M)):
∣LS(h)∣≤∣LS(hi)∣+∣LS(h)−LS(hi)∣≤∣LS(hi)∣+2ε
因此:
h∈B∞(hi,ε/(8M))sup∣LS(h)∣≤∣LS(hi)∣+2ε
步骤3:概率界
若 suph∈B∞(hi,ε/(8M))∣LS(h)∣≥ε,则:
∣LS(hi)∣+2ε≥ε⟹∣LS(hi)∣≥2ε
因此:
P[h∈B∞(hi,ε/(8M))sup∣LS(h)∣≥ε]≤P[∣LS(hi)∣≥2ε]
步骤4:应用 Hoeffding 不等式
定义随机变量:
Zj=(hi(xj)−yj)2−E[(hi(x)−y)2],j=1,…,m
则 Z1,…,Zm 是独立同分布随机变量,且 E[Zj]=0。
注意到:
LS(hi)=R(hi)−R^S(hi)=E[(hi(x)−y)2]−m1j=1∑m(hi(xj)−yj)2=−m1j=1∑mZj
确定 Zj 的有界范围:
由于 ∣hi(x)−y∣≤M,我们有:
0≤(hi(x)−y)2≤M2
因此 (hi(xj)−yj)2∈[0,M2],且 E[(hi(x)−y)2]∈[0,M2]。
所以:
Zj∈[−M2,M2]
即 Zj 的范围为 2M2。
应用 Hoeffding 不等式:
对于有界独立随机变量 Z1,…,Zm,其中 Zj∈[aj,bj],Hoeffding 不等式给出:
P[m1j=1∑mZj≥t]≤2exp(−∑j=1m(bj−aj)22m2t2)
在我们的情况下,bj−aj=2M2,所以:
P[∣LS(hi)∣≥2ε]=P[m1j=1∑mZj≥2ε]
≤2exp(−m(2M2)22m2(ε/2)2)=2exp(−m⋅4M42m2⋅ε2/4)=2exp(−8M4mε2)
我们得到:
P[∣LS(hi)∣≥2ε]≤2exp(−2M4mε2)
步骤5:综合得到最终界
由问题2的并集界,以 Bi=B∞(hi,ε/(8M)) 覆盖 H:
P[h∈Hsup∣LS(h)∣≥ε]≤i=1∑kP[h∈Bisup∣LS(h)∣≥ε]
≤i=1∑kP[∣LS(hi)∣≥2ε]≤k⋅2exp(−2M4mε2)
=N(H,8Mε)⋅2exp(−2M4mε2)
Part II: 模拟验证 (40%, 开放设计)
在这部分,你将设计自己的模拟来经验估计 (⋆) 中的 LHS 概率并与 RHS 界进行比较。
实验设置
选择假设类:截断线性函数
定义域与值域:
-
X=[0,1]
-
Y=[−1,1]
假设类:截断线性函数
H={hw:w∈[−1,1]},hw(x)=clip(wx,−1,1)
其中 clip(z,−1,1)=max(−1,min(1,z))。
数据分布 D:
-
x∼Uniform(0,1)
-
y=clip(0.5x+η,−1,1),其中 η∼N(0,0.12)
有界性常数 M
对于 x∈[0,1],w∈[−1,1]:
-
hw(x)∈[−1,1]
-
y∈[−1,1]
因此:
∣hw(x)−y∣≤∣hw(x)∣+∣y∣≤1+1=2
取 M=2。
覆盖数计算
对于 w1,w2∈[−1,1],考虑 ∥hw1−hw2∥∞。
在非截断区域,对于 x∈[0,1]:
∣hw1(x)−hw2(x)∣=∣w1x−w2x∣=∣w1−w2∣⋅x≤∣w1−w2∣
最大值在 x=1 处取得(当无截断时):
∥hw1−hw2∥∞≤∣w1−w2∣
要使 ∥hw1−hw2∥∞≤r,只需 ∣w1−w2∣≤r。
因此,用间隔为 r 的网格覆盖 [−1,1],需要的点数为:
N(H,r)≤⌈r2⌉+1
对于 r=ε/(8M)=ε/16:
N(H,16ε)≤⌈ε32⌉+1
实验参数
| 参数 |
值 |
| 样本量网格 m |
[50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000] |
| 误差网格 ε |
[0.1, 0.2, 0.3, 0.5] |
| 蒙特卡洛试验次数 T |
1000 |
| 测试集大小(估计真实风险) |
50000 |
| 假设类离散化 |
201个均匀分布的 w 值在 [−1,1] |
| 随机种子 |
42 |
| Python 版本 |
3.9+ |
真实风险估计
使用大型独立测试集(50000个样本)近似 R(h):
R(h)≈ntest1i=1∑ntest(h(xitest)−yitest)2
测试集大小50000足够大,可以将估计误差控制在可接受范围内。
实验结果
运行代码后得到以下结果(详见 simulation.py):
结果表格
对于不同的 (m,ε) 组合,经验概率 p^(m,ε) 与理论界 RHS 的比较:
| m |
ε |
p^(m,ε) |
RHS (理论界) |
RHS > 1? |
| 50 |
0.10 |
0.3070 |
6.32e+02 |
Yes |
| 100 |
0.10 |
0.1590 |
6.22e+02 |
Yes |
| 200 |
0.10 |
0.0320 |
6.03e+02 |
Yes |
| 500 |
0.10 |
0.0000 |
5.49e+02 |
Yes |
| 1000 |
0.10 |
0.0000 |
4.70e+02 |
Yes |
| 50 |
0.20 |
0.0490 |
3.02e+02 |
Yes |
| 100 |
0.20 |
0.0050 |
2.84e+02 |
Yes |
| 5000 |
0.20 |
0.0000 |
0.6216 |
No |
| 50 |
0.30 |
0.0030 |
1.88e+02 |
Yes |
| 2000 |
0.30 |
0.0000 |
0.7790 |
No |
| 5000 |
0.30 |
0.0000 |
0.0002 |
No |
| 1000 |
0.50 |
0.0000 |
0.0526 |
No |
覆盖数:
-
ε=0.1: N(H,0.0063)=321
-
ε=0.2: N(H,0.0125)=161
-
ε=0.3: N(H,0.0187)=108
-
ε=0.5: N(H,0.0312)=65

