
为什么机器学习真的可以学到东西
开始跟《机器学习基石》这门课,相对于Stanford那门课,这门明显难度大很多,我跟到第10个Lecture,才刚刚讲到Logistic Regression。前面费了很大力气在讲机器什么时候可以学习,以及证明为什么能学习。
此文主要是基于《机器学习基石》的学习笔记。Topic是为什么机器可以学习?
机器学习最开始也是最终的目的是获得一个target function,喂进去数据能直接得到正确结论的函数。为了得到这个函数,我们需要一大堆的训练数据。然后通过一个好的机器学习算法,从一大堆可能的function(也就是H)中挑选一个比较好的function(也就是g),这个g和target function长得越像越好。
大家有没有想过,为什么这样就能学到东西。我们的算法只是在训练数据上跑,从训练数据跑出来的g,我们怎么能确定它也能在测试数据上跑的很好呢?这个就是问题的关键。其实接下来内容主要就是论证这个问题。
先来考虑一个简单的问题。比如说我们现在有一个黑罐子,里面有很多弹珠,只有两种颜色,黄的和绿的。好现在问你,你怎么能知道黄色弹珠大概有多少颗?
大家肯定都会说抽样。没错,我们抽出10个弹珠,很容易能知道黄色弹珠在sample中的比例。但是这个比例真的能代表罐子中的比例吗?也许能,也许不能。而且能的记录会随着我们sample数目的增大而增大。但是也有可能你抓出一把全绿。但这种情况发生的记录很小。这里我们有一个定理保证这种偏差发生的记录很小。
Hoeffding's inequality可以保证偏差很大发生的几率很小,并且随着N的增大很减小。公式如下,v代表sample中黄色弹珠的比例,μ表示罐子中黄色弹珠的比例。ϵ也就是偏差。
现在我们称v为Ein,μ为Eout,现在我们已经证明了Ein和Eout不会差的太远,更重要的事情是保重Ein越小越好,这就需要一个好的算法。
还记得上面的学习流程吗,我们的算法是从很多个h中去挑选一个Ein最小的h让它成为g。但是这里会有坏事情发生。
所谓的坏事情就是bad sample,就是说我们抽出了十个全是绿的弹珠。现在有一个好的h称之为h1,和坏的h叫h2,h1对于这个bad sample的表现当然是糟糕的,而恰好h2表现很好,那h2就被选成g了。
当出现坏事的时候,我们学习就会困难,可以直接说不能学习。所以这个坏事出现的概率是多少呢?把所有h中发生坏事的几率加起来。
从上图的式子中可以看到,坏事发生的几率和M有关。M也就是h的个数。
从现在的条件来看,如果M很大甚至无线的话那么Learning是不可行的。
真实的情况是M一般不会很大,请再仔细看看上一张图的推导,M是通过把所有的h坏事发生的概率加起来的,但是其实这些h不是互相独立的。所以这些h是有重复的,如下图。
比如说,我们想学习的target function是一条把x1分类成正负的线。现在h就有无数个,因为任意一条线都能分类,但是实际有意义的只有两种,分成正的和负的。
如果是两个点的话,实际有效的h就有4种,但是3个点就有可能不到8种了,因为会出现三点共线的情况。4个点的话按理说有16种,但是同样有一种情况不会发生,请看下图。
所以现在我们的公式就变成了这样,大大减小M的个数
现在我们给上面effective(N)一个称呼,叫做成长函数。也就是说,对于某一个输入D,H最多能够产生的多少种方程。注意是种类的数量。
这个所谓的种类我们也给一个定义叫做dichotomy,用来表示H对与D的二元分类情况。
好,现在问题的关键,就是H到底能把D分成多少个dichotomy。也就是它的成长函数到底是多少?
但是我们很难确定它的成长函数。但是好在我们拥有一个叫做break point的东西,这就是成长函数的上限。我们再看回上面分类的例子。
这里的输入为三个点就是一个break point。也就是说当输入N个点,H不能够把这个N个点的排列组合全部表示出来时(2^N),N就是一个break point。
当H能把N的全部组合表示出来时,说明这N个点被H给shatter掉了
我们用B(N,k)来表示当输入N个点时,H可以最多产生多少个dichotomy。
通过数学归纳法我们可以证明到
现在到了最后一步,除了把上边那个成长函数的上限代入进去之外,还需要进行一系列的变形,这些变形需要很强的数学能力和概率上面的知识,我自己都不太懂,况且我觉得大部分人都不需要了解。这里我就略过,有兴趣的强人自己google咯。
最终的式子如下
好了,现在我们终于能说机器学习确实可以学到东西了。但是需要满足三个条件。
这三者的关系如下图。
dvc = k - 1,大致上可以把它看出theta的维度加1
上图很清晰的说明,并不是说你的模型搞得很复杂,算法弄得很好,就能学好,反而是取到一个折中的点,这样的学习才最有效。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
DSGE 模型中的 Et:理性预期算子的内涵、作用与应用解析 动态随机一般均衡(Dynamic Stochastic General Equilibrium, DSGE)模 ...
2025-09-17Python 提取 TIF 中地名的完整指南 一、先明确:TIF 中的地名有哪两种存在形式? 在开始提取前,需先判断 TIF 文件的类型 —— ...
2025-09-17CDA 数据分析师:解锁表结构数据特征价值的专业核心 表结构数据(以 “行 - 列” 规范存储的结构化数据,如数据库表、Excel 表、 ...
2025-09-17Excel 导入数据含缺失值?详解 dropna 函数的功能与实战应用 在用 Python(如 pandas 库)处理 Excel 数据时,“缺失值” 是高频 ...
2025-09-16深入解析卡方检验与 t 检验:差异、适用场景与实践应用 在数据分析与统计学领域,假设检验是验证研究假设、判断数据差异是否 “ ...
2025-09-16CDA 数据分析师:掌控表格结构数据全功能周期的专业操盘手 表格结构数据(以 “行 - 列” 存储的结构化数据,如 Excel 表、数据 ...
2025-09-16MySQL 执行计划中 rows 数量的准确性解析:原理、影响因素与优化 在 MySQL SQL 调优中,EXPLAIN执行计划是核心工具,而其中的row ...
2025-09-15解析 Python 中 Response 对象的 text 与 content:区别、场景与实践指南 在 Python 进行 HTTP 网络请求开发时(如使用requests ...
2025-09-15CDA 数据分析师:激活表格结构数据价值的核心操盘手 表格结构数据(如 Excel 表格、数据库表)是企业最基础、最核心的数据形态 ...
2025-09-15Python HTTP 请求工具对比:urllib.request 与 requests 的核心差异与选择指南 在 Python 处理 HTTP 请求(如接口调用、数据爬取 ...
2025-09-12解决 pd.read_csv 读取长浮点数据的科学计数法问题 为帮助 Python 数据从业者解决pd.read_csv读取长浮点数据时的科学计数法问题 ...
2025-09-12CDA 数据分析师:业务数据分析步骤的落地者与价值优化者 业务数据分析是企业解决日常运营问题、提升执行效率的核心手段,其价值 ...
2025-09-12用 SQL 验证业务逻辑:从规则拆解到数据把关的实战指南 在业务系统落地过程中,“业务逻辑” 是连接 “需求设计” 与 “用户体验 ...
2025-09-11塔吉特百货孕妇营销案例:数据驱动下的精准零售革命与启示 在零售行业 “流量红利见顶” 的当下,精准营销成为企业突围的核心方 ...
2025-09-11CDA 数据分析师与战略 / 业务数据分析:概念辨析与协同价值 在数据驱动决策的体系中,“战略数据分析”“业务数据分析” 是企业 ...
2025-09-11Excel 数据聚类分析:从操作实践到业务价值挖掘 在数据分析场景中,聚类分析作为 “无监督分组” 的核心工具,能从杂乱数据中挖 ...
2025-09-10统计模型的核心目的:从数据解读到决策支撑的价值导向 统计模型作为数据分析的核心工具,并非简单的 “公式堆砌”,而是围绕特定 ...
2025-09-10CDA 数据分析师:商业数据分析实践的落地者与价值创造者 商业数据分析的价值,最终要在 “实践” 中体现 —— 脱离业务场景的分 ...
2025-09-10机器学习解决实际问题的核心关键:从业务到落地的全流程解析 在人工智能技术落地的浪潮中,机器学习作为核心工具,已广泛应用于 ...
2025-09-09SPSS 编码状态区域中 Unicode 的功能与价值解析 在 SPSS(Statistical Product and Service Solutions,统计产品与服务解决方案 ...
2025-09-09