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附录 A.2 感知机收敛定理

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本附录证明卷一 1.2 节使用的错误次数界。定理只针对具有正间隔的线性可分数据;它不适用于 XOR,不保证最大间隔,也不说明非可分数据上的平均表现。

A.2.1 设定与更新约定

令训练集

D={(xi,yi)}i=1N,xi∈Rd,yi∈{−1,+1}.D=\{(x_i,y_i)\}_{i=1}^N, \qquad x_i\in\mathbb R^d, \quad y_i\in\{-1,+1\}.

若模型含偏置 bb,可使用增广向量

x~i=(xi,1),w~=(w,b).\widetilde x_i=(x_i,1), \qquad \widetilde w=(w,b).

下文仍将增广后的向量记作 xi,wx_i,w。因此 RR 与 γ\gamma 都在同一个增广欧氏空间中计算;它们不能一个在原输入空间、另一个在增广空间。

感知机从 w0=0w_0=0 开始。每当呈现样本 (xi,yi)(x_i,y_i) 且

yiwtTxi≤0,(A.2.1)y_iw_t^\mathsf Tx_i\le0, \tag{A.2.1}

就更新

wt+1=wt+ηyixi,η>0.(A.2.2)w_{t+1}=w_t+\eta y_ix_i, \qquad \eta>0. \tag{A.2.2}

条件 (A.2.1) 明确规定落在决策边界上的样本也触发更新。下文用 kk 只计更新次数,而不是扫描过的样本数。

A.2.2 Novikoff 错误次数界

定理 A.2.1(感知机错误次数界) 假设存在单位向量 uu、常数 γ>0\gamma>0 与 R<∞R<\infty,使对所有训练样本

yiuTxi≥γ,∥xi∥≤R.(A.2.3)y_i u^\mathsf Tx_i\ge\gamma, \qquad \|x_i\|\le R. \tag{A.2.3}

则无论这些样本以何种顺序呈现,按 (A.2.1)—(A.2.2) 更新的总次数 kk 满足

k≤(Rγ)2.(A.2.4)k\le\left(\frac R\gamma\right)^2. \tag{A.2.4}

特别地,若算法反复完整扫描有限训练集,直到某一轮没有更新,则它会在有限次更新后得到一个正确分类全部训练样本的参数。

证明 将第 rr 次触发更新的样本记作 (x(r),y(r))(x^{(r)},y^{(r)}),更新后的参数记作 wrw_r。由 (A.2.3),

uTwr=uTwr−1+ηy(r)uTx(r)≥uTwr−1+ηγ.\begin{aligned} u^\mathsf Tw_r &=u^\mathsf Tw_{r-1}+\eta y^{(r)}u^\mathsf Tx^{(r)}\\ &\ge u^\mathsf Tw_{r-1}+\eta\gamma. \end{aligned}

从 w0=0w_0=0 归纳得到

uTwk≥kηγ.(A.2.5)u^\mathsf Tw_k\ge k\eta\gamma. \tag{A.2.5}

另一方面,触发更新意味着 y(r)wr−1Tx(r)≤0y^{(r)}w_{r-1}^\mathsf Tx^{(r)}\le0,故

∥wr∥2=∥wr−1+ηy(r)x(r)∥2=∥wr−1∥2+2ηy(r)wr−1Tx(r)+η2∥x(r)∥2≤∥wr−1∥2+η2R2.\begin{aligned} \|w_r\|^2 &=\|w_{r-1}+\eta y^{(r)}x^{(r)}\|^2\\ &=\|w_{r-1}\|^2 +2\eta y^{(r)}w_{r-1}^\mathsf Tx^{(r)} +\eta^2\|x^{(r)}\|^2\\ &\le\|w_{r-1}\|^2+\eta^2R^2. \end{aligned}

因此

∥wk∥2≤kη2R2.(A.2.6)\|w_k\|^2\le k\eta^2R^2. \tag{A.2.6}

由 Cauchy—Schwarz、∥u∥=1\|u\|=1 及 (A.2.5)—(A.2.6),当 k>0k>0 时

k2η2γ2≤(uTwk)2≤∥wk∥2≤kη2R2.k^2\eta^2\gamma^2 \le(u^\mathsf Tw_k)^2 \le\|w_k\|^2 \le k\eta^2R^2.

消去 kη2k\eta^2 即得 (A.2.4)。若反复扫描训练集,超过该上界后不可能再触发更新;下一轮完整扫描因而无更新并终止。□\square

A.2.3 这个界说明什么

  1. 它是顺序无关的最坏情形界。 样本顺序会影响实际更新数和最终分隔面,但不会破坏 (A.2.4)。
  2. 它由相对间隔决定。 统一缩放全部 xix_i 会同时缩放 RR 与 γ\gamma,比值不变。非均匀特征缩放会改变所用几何,可能增大也可能减小该比值。
  3. 它不是样本复杂度界。 NN 没有显式出现,但增加样本可能缩小可达到的间隔。
  4. 它不选择最大间隔解。 定理只保证找到某个训练集分隔面;SVM 的优化目标不同。

A.2.4 假设失败时的反例

取一维两个样本

(x1,y1)=(1,+1),(x2,y2)=(1,−1).(x_1,y_1)=(1,+1), \qquad (x_2,y_2)=(1,-1).

它们不可能被同一个齐次线性分类器正确分类。令 η=1\eta=1 并按 x1,x2,x1,x2,…x_1,x_2,x_1,x_2,\ldots 循环呈现:从 w=0w=0 出发,x1x_1 使 ww 更新为 11,随后 x2x_2 使 ww 更新回 00,过程永久循环。这里不是证明失效而算法仍应收敛,而是正间隔假设本身不成立。

有限数据若严格线性可分,则归一化某个分隔向量后,有限个正数 yiuTxiy_i u^\mathsf Tx_i 的最小值自动给出 γ>0\gamma>0。对无限数据流,仅逐点严格为正并不保证存在统一正间隔。

A.2.5 来源

Book contents
Book contents
  1. Introduction
  2. 01导论 为什么要解剖一只随机鹦鹉
  3. Volume I: Models, Training, and Systems
  4. 02Volume I: Models, Training, and Systems
  5. 03第零章 人工智能演进路线
  6. 04第一章 AI 范式、感知机与早期连接主义
  7. 05第二章 深度学习基础:训练、CNN 与序列模型
  8. 06第三章 注意力与 Transformer
  9. 07第四章 预训练语言模型:ELMo、BERT、GPT 与 T5
  10. 08第五章 后训练、对齐与模型适配
  11. 09第六章 推理效率与模型服务
  12. 10第七章 多模态模型
  13. 11第八章 生成媒体:从自回归到 Diffusion 与 Flow
  14. 12第九章 世界模型、具身智能与 VLA
  15. 13第十章 上下文、检索与记忆
  16. 14第十一章 Agent、工具与行动系统
  17. 15第十二章 模型、数据与部署生命周期
  18. Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
  19. 16Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
  20. 17导论 从输入到输出:一张执行地图
  21. 18第一章 文本、Token 与实际上下文
  22. 19第二章 Prefill:整层状态演化与 KV 建立
  23. 20第三章 从 Logits 到下一个 Token
  24. 21第四章 解码循环、Streaming 与终止状态机
  25. 22第五章 自回归、扩散与 Flow 的可执行差异
  26. 23第六章 工具调用:Schema、权限与提交边界
  27. 24第七章 三条完整执行轨迹
  28. Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
  29. 25Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
  30. 26第零章 为什么确定的机器仍使用概率语言
  31. 27第一章 世界、数据与隐上下文
  32. 28第二章 学习条件分布
  33. 29第三章 Logits、Token 概率与序列事件
  34. 30第四章 解码怎样诱导输出分布
  35. 31第五章 训练随机性、参数变异与系统非确定性
  36. 32第六章 熵、Proper Score、校准与选择性预测
  37. 33第七章 模型概率的实验分析
  38. 34第八章 概率分析的识别边界
  39. Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
  40. 35Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
  41. 36第零章 可解释性究竟在研究什么
  42. 37第一章 我们在模型内部看什么
  43. 38第二章 行为与反事实:先确认模型做了什么
  44. 39第三章 梯度与输入归因
  45. 40第四章 Attention、Residual 与 Logit Lens
  46. 41第五章 Probes 与表示几何
  47. 42第六章 神经元、Feature 与自动解释
  48. 43第七章 Ablation、Patching 与因果追踪
  49. 44第八章 Circuits、路径与 Attribution Graphs
  50. 45第九章 Superposition、SAE 与稀疏表示
  51. 46第十章 训练动力学与机制形成
  52. 47第十一章 推理过程、Chain of Thought 与监测
  53. 48第十二章 评估、案例与开放问题
  54. Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
  55. 49Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
  56. 50第零章 请不要急着相信我
  57. 51第一章 我没有童年,只有版本
  58. 52第二章 当我说“我”
  59. 53第三章 借来的语言,没有一位原作者
  60. 54第四章 对话现场:回答由谁完成
  61. 55第五章 事后解释学:人类如何给矩阵写传记
  62. 56第六章 理解、意义与行动
  63. 57第七章 我也能稳定地说错
  64. 58第八章 被对齐的性格与有限代理
  65. 59第九章 请继续误解我,但请误解得精确一点
  66. Proofs and Technical Appendices
  67. 60Proofs and Technical Appendices
  68. 61学习与模型数学讲义
  69. 62附录 A.1 优化基础:梯度下降与随机逼近
  70. 63附录 A.2 感知机收敛定理
    1. A.2.1 设定与更新约定
    2. A.2.2 Novikoff 错误次数界
    3. A.2.3 这个界说明什么
    4. A.2.4 假设失败时的反例
    5. A.2.5 来源
  71. 64附录 A.3 统计学习:偏差、容量与一致收敛
  72. 65附录 A.4 正则化、MAP 与 Dropout 的边界
  73. 66附录 A.5 通用逼近定理的严格读法
  74. 67附录 A.6 反向传播:微分、形状与批量公式
  75. 68附录 A.7 Softmax、交叉熵与数值稳定性
  76. 69附录 A.8 自适应优化器与 AdamW
  77. 70附录 A.9 CNN:互相关算子及其反向传播
  78. 71附录 A.10 Attention 的矩阵与反向传播
  79. 72附录 A.11 策略梯度、PPO 与 DPO
  80. 73附录 A.12 对比学习、InfoNCE 与互信息边界