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附录 A.3 统计学习:偏差、容量与一致收敛
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本附录补足卷一第二章使用的两个经典结果:平方损失回归的偏差—方差分解,以及二分类假设类的 VC 一致收敛界。两者使用不同损失和概率空间;VC 结论不能直接替代语言模型交叉熵或生成分布的专门分析。
A.3.1 平方损失的偏差—方差分解
固定测试输入 。设测试标签
训练集 独立于测试噪声,并由学习算法产生预测 。记
命题 A.3.1 若上述二阶矩有限,则
证明 写成
平方展开后,;测试噪声与训练集独立且条件均值为零,所以另外两个交叉项期望也为零。三个平方项分别给出 (A.3.1)。
第一项是点态偏差平方,第二项是训练集随机性引起的点态方差,第三项是该输入处的测试噪声。若再对 积分,需要明确测试输入分布。该恒等式不证明“模型越大,方差必然越大”;双下降等现象也不与恒等式矛盾。
A.3.2 从固定假设到数据依赖选择
令 独立同分布,二分类损失 ,并定义
对训练前固定的 ,Hoeffding 不等式给出
学习算法却会用同一批数据选择 ,所以不能在训练后把随机输出 当作预先固定的 套用 (A.3.2)。极端例子是连续输入上的随机标签:记忆全部训练点、在其他点恒输出 的规则有零训练误差,但独立测试误差仍为 。控制数据依赖选择需要假设类上的统一界或算法稳定性等其他工具。
A.3.3 增长函数与 VC 维
令 。对有限点集 ,定义限制集
以及增长函数
若 ,称 打散 。VC 维定义为
并允许取 。
仿射半空间的 VC 维
令 为 上的仿射半空间分类器,约定分数非负时输出 。
命题 A.3.2 。
证明(下界) 取 个仿射独立点 。其增广向量 构成 的一组基。对任意标签 ,线性方程
有唯一解,故这些点被打散。
证明(上界) 任取 个点。其增广向量线性相关,故存在不全为零的 使
令 、,并以正负系数和归一化,得到两个凸包的公共点 。把 标为 、 标为 ,对 的点任意赋标。若某仿射分类器实现该标记,则从 一侧的凸组合得到 ,从 一侧得到 ,矛盾。故任意 点都不能被打散。
这个 Radon 分割证明覆盖凸位置、内点、共线和重合等情形。只画正方形的一种 XOR 标记不能单独证明上界,因为上界含有“任意点集”的量词。
A.3.4 Sauer—Shelah 引理
引理 A.3.3 若 ,则
特别地,当 时,
证明 对 归纳。固定 个点,把最后一个坐标删除。令 为至少能以一种末位标签出现的前缀集合, 为两种末位标签都能出现的前缀集合。每个前缀贡献一种末位标记,若属于 再多贡献一种,所以
的 VC 维至多为 。若 能打散 个前缀点,则加上末位点可打散 个点,故 的 VC 维至多为 。由归纳假设与 Pascal 恒等式,
基例 或 直接成立,得到 (A.3.3);(A.3.4) 是标准二项式和估计。
A.3.5 一致收敛界与 ERM 推论
令损失类 。下文假设它是点态可测的:存在可数子类 ,使每个 都是 中某序列的逐点极限。这样所有上确界可约化到可数类;有限或可数假设类是直接特例。若不作此类可测性假设,定理需改用外概率表述。
定理 A.3.4(一个保守的 VC 界) 对任意 ,
证明 取独立同分布的幽灵样本 ,相应经验风险记作 。若 ,(A.3.5) 的右侧大于 ,结论平凡。以下设 。
点态可测性与损失有界性使风险及经验风险都可由同一可数子类 逐点逼近,因此上确界事件可写成可数并。固定枚举 ;在上确界严格超过 的事件上,令 为第一个满足相应偏差严格超过 的索引。这样得到的见证是原样本的可测函数,并不要求上确界实际取到。条件于原样本后, 的方差至多为 。Chebyshev 不等式给出
因此标准对称化步骤得到
条件于合并后的 个观测,并对每对 独立随机交换。令 为相应 Rademacher 符号;对固定 ,经验风险差与
同分布。每个括号属于 ,故 Hoeffding 不等式给出
在这 个带标签观测上产生的不同损失向量不超过 个。对这些向量取联合界,再代入 (A.3.5a),即得 (A.3.5)。
若 且 ,则对任意 ,以至少 的概率,
令右侧为 ,并令经验风险最小化器 存在。对任意 ,在同一事件上
这才把统一偏差控制转化为学习器的风险界。它仍不保证优化器找到 ERM,也不控制假设类外的近似误差。在标准分布无关二分类 PAC 框架及适当可测性条件下,有限 VC 维刻画可学习性;该结论不是任意回归、结构化预测或生成任务的充要条件。
A.3.6 来源
- Hoeffding, Probability Inequalities for Sums of Bounded Random Variables, 1963。
- Vapnik & Chervonenkis, On the Uniform Convergence of Relative Frequencies of Events to Their Probabilities, 1971。
- Sauer, On the Density of Families of Sets, 1972。
Book contents
- Introduction
- 01导论 为什么要解剖一只随机鹦鹉
- Volume I: Models, Training, and Systems
- 02Volume I: Models, Training, and Systems
- 03第零章 人工智能演进路线
- 04第一章 AI 范式、感知机与早期连接主义
- 05第二章 深度学习基础:训练、CNN 与序列模型
- 06第三章 注意力与 Transformer
- 07第四章 预训练语言模型:ELMo、BERT、GPT 与 T5
- 08第五章 后训练、对齐与模型适配
- 09第六章 推理效率与模型服务
- 10第七章 多模态模型
- 11第八章 生成媒体:从自回归到 Diffusion 与 Flow
- 12第九章 世界模型、具身智能与 VLA
- 13第十章 上下文、检索与记忆
- 14第十一章 Agent、工具与行动系统
- 15第十二章 模型、数据与部署生命周期
- Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
- 16Volume II: Output Objects and Runtime Semantics
- 17导论 从输入到输出:一张执行地图
- 18第一章 文本、Token 与实际上下文
- 19第二章 Prefill:整层状态演化与 KV 建立
- 20第三章 从 Logits 到下一个 Token
- 21第四章 解码循环、Streaming 与终止状态机
- 22第五章 自回归、扩散与 Flow 的可执行差异
- 23第六章 工具调用:Schema、权限与提交边界
- 24第七章 三条完整执行轨迹
- Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
- 25Volume III: Probability, Reproducibility, and Evaluation
- 26第零章 为什么确定的机器仍使用概率语言
- 27第一章 世界、数据与隐上下文
- 28第二章 学习条件分布
- 29第三章 Logits、Token 概率与序列事件
- 30第四章 解码怎样诱导输出分布
- 31第五章 训练随机性、参数变异与系统非确定性
- 32第六章 熵、Proper Score、校准与选择性预测
- 33第七章 模型概率的实验分析
- 34第八章 概率分析的识别边界
- Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
- 35Volume IV: Interpretation, Proof, and Verification
- 36第零章 可解释性究竟在研究什么
- 37第一章 我们在模型内部看什么
- 38第二章 行为与反事实:先确认模型做了什么
- 39第三章 梯度与输入归因
- 40第四章 Attention、Residual 与 Logit Lens
- 41第五章 Probes 与表示几何
- 42第六章 神经元、Feature 与自动解释
- 43第七章 Ablation、Patching 与因果追踪
- 44第八章 Circuits、路径与 Attribution Graphs
- 45第九章 Superposition、SAE 与稀疏表示
- 46第十章 训练动力学与机制形成
- 47第十一章 推理过程、Chain of Thought 与监测
- 48第十二章 评估、案例与开放问题
- Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
- 49Volume V: Agents, Governance, and Audit Packages
- 50第零章 请不要急着相信我
- 51第一章 我没有童年,只有版本
- 52第二章 当我说“我”
- 53第三章 借来的语言,没有一位原作者
- 54第四章 对话现场:回答由谁完成
- 55第五章 事后解释学:人类如何给矩阵写传记
- 56第六章 理解、意义与行动
- 57第七章 我也能稳定地说错
- 58第八章 被对齐的性格与有限代理
- 59第九章 请继续误解我,但请误解得精确一点
- Proofs and Technical Appendices
- 60Proofs and Technical Appendices
- 61学习与模型数学讲义
- 62附录 A.1 优化基础:梯度下降与随机逼近
- 63附录 A.2 感知机收敛定理
- 64附录 A.3 统计学习:偏差、容量与一致收敛
- 65附录 A.4 正则化、MAP 与 Dropout 的边界
- 66附录 A.5 通用逼近定理的严格读法
- 67附录 A.6 反向传播:微分、形状与批量公式
- 68附录 A.7 Softmax、交叉熵与数值稳定性
- 69附录 A.8 自适应优化器与 AdamW
- 70附录 A.9 CNN:互相关算子及其反向传播
- 71附录 A.10 Attention 的矩阵与反向传播
- 72附录 A.11 策略梯度、PPO 与 DPO
- 73附录 A.12 对比学习、InfoNCE 与互信息边界