2026-08-28·von Sijie Wang#idea#math

sauer-shelah

Sauer–Shelah 引理

父节点:vc-dimension 前置:learning-theory —— H;以及 vc-dimension —— 打散(shattering)、VCdim。

这条引理把"有限 VC"变成一个可用的界:一个 VC 有限的假设类在 n 个点上只能实现多项式个数的标注(labeling),而不是 2ⁿ 个。它是 fundamental-theorem 的引擎。

把

h 看作一个集合,以及限制 h ∩ S 把每个假设等同于它的+ 区域——即它标注为 + 的输入集合:

h  ≡  { x∈X:h(x)=+ }.h \;\equiv\; \{\, x \in X : h(x) = + \,\}.

在这一等同下,h ∩ S 就是一次普通的集合求交,挑出 S 中被标为 + 的点:

h∩S  =  { s∈S:h(s)=+ }  ⊆  S.h \cap S \;=\; \{\, s \in S : h(s) = + \,\} \;\subseteq\; S.

因为标签是二元的,这个子集本身就是那个标注:s ∈ h∩S 意味着 s 是 +,s ∉ h∩S 意味着 −。所以 S 的一个子集和 S 的一个标注是同一件事,不同的 h ∩ S = 不同的标注。

增长函数(growth function)

设 S ⊆ X 是输入空间中的一个 n 点集合。把 H 限制到 S 上得到 H∣S={h∩S:h∈H}H|_S = \{ h \cap S : h \in H \}——即 H 在 S 上产生的所有不同标注(把每个 h 看作它的 + 点集合)。增长函数是这一计数在所有 n 点集合上取到的最大值:

ΠH(n)  =  max⁡S⊆X, ∣S∣=n∣H∣S∣.\Pi_H(n) \;=\; \max_{S \subseteq X,\ |S| = n} \bigl| H|_S \bigr|.

总有 ΠH(n)≤2n\Pi_H(n) \le 2^n,等号成立当且仅当存在 n 个点被打散(shattered)。

它数的是不同的标注模式,和预测是否正确毫无关系(这里根本没有目标可言)。

从定义出发计算

Π_threshold(n) 回忆 hₜ ≡ [t, ∞),所以 hₜ ∩ S = {pᵢ ∈ S : pᵢ ≥ t}——即 t 右边的那些点。

n = 2,S = {p₁, p₂}(p₁<p₂)。让 t 在数轴上扫过,逐段读出交集:

t 所在位置hₜ ∩ S标注
t ≤ p₁{p₁, p₂}(+,+)
p₁ < t ≤ p₂{p₂}(−,+)
t > p₂∅(−,−)

3 个不同的交集({p₁},即 (+,−),永远不会出现)→ |H|_S| = 3。对任意 2 个点都是如此,所以 Π(2) = 3。

一般的 n,p₁ < … < pₙ。因为 hₜ ∩ S 总是那些 ≥ t 的点,它始终是一个后缀 {pᵢ, …, pₙ}。当 t 扫过 ℝ 时,它落在 n+1 个间隙之一(p₁ 之前、相邻两点之间、或 pₙ 之后),而这个后缀每次缩短一个点:

{p1,…,pn}→{p2,…,pn}→⋯→{pn}→∅.\{p_1,\dots,p_n\} \to \{p_2,\dots,p_n\} \to \cdots \to \{p_n\} \to \varnothing.

这就是 n+1 个不同的交集,所以 |H|_S| = n+1。对任何 n 个点的选取都是如此,因此最大值是

Πthreshold(n)=max⁡∣S∣=n∣H∣S∣=n+1.\Pi_{\text{threshold}}(n) = \max_{|S|=n} |H|_S| = n+1.

无穷多个阈值,在 n 个点上却只有 n+1 种行为——线性的 O(n),与 VC = 1 相符。(验证:Sauer–Shelah 给出 C(n,0)+C(n,1) = 1 + n。)一个无限的假设类坍缩为一个多项式计数,这正是增长函数所度量的东西。

Sauer–Shelah

若 VCdim(H) = d,则对所有 n

ΠH(n)  ≤  ∑i=0d(ni)  ≤  (end)d=O(nd)(n≥d).\Pi_H(n) \;\le\; \sum_{i=0}^{d} \binom{n}{i} \;\le\; \left(\frac{en}{d}\right)^{d} = O(n^{d}) \quad (n \ge d).

所以在超过 VC 维之后,增长函数从指数级 2ⁿ 切换为多项式级 nᵈ——这一跳变正是"VC 有限 ⟹ 可学习"成立的全部原因。

证明(对 n 归纳)

记 Φ(n,d)=∑i=0d(ni)\Phi(n,d) = \sum_{i=0}^{d}\binom{n}{i};我们要证明对每个满足 |S| = n 的 S,都有 ∣H∣S∣≤Φ(n,d)|H|_S| \le \Phi(n,d),其中 H∣S={ h∩S:h∈H }H|_S = \{\, h \cap S : h \in H \,\}。

基础情形。 n = 0:只有一种(空)标注,且 Φ(0,d)=1\Phi(0,d) = 1。d = 0:H 打散不了任何单个点,所以所有假设在每个点上都一致,从而 ∣H∣S∣=1=Φ(n,0)|H|_S| = 1 = \Phi(n,0)。

归纳步。 固定一点 x ∈ S,令 S′=S∖{x}S' = S \setminus \{x\}。按每个 S' 的标注如何延伸到 x 上,把 H∣SH|_S 拆分为:

  • H′:=H∣S′H' := H|_{S'} —— S' 上的标注(S 上两个在 S' 上一致的标注会坍缩为同一个);
  • H′′H'' —— 那些在 H∣SH|_S 中以 x 的两种取值都出现过的 S' 标注。

数一数延伸方式即得 ∣H∣S∣=∣H′∣+∣H′′∣|H|_S| = |H'| + |H''|(每个 S' 标注有一种或两种延伸方式;有两种延伸方式的那些恰好就是 H′′H'')。

  • H' 是 H 的一个限制,所以 VCdim(H') ≤ d,由归纳假设得 ∣H′∣≤Φ(n−1,d)|H'| \le \Phi(n-1,d)。
  • VCdim(H'') ≤ d − 1:若 H'' 打散了某个集合 A ⊆ S',那么 A 的每个标注都会以 x 的两种取值出现,于是 H 打散了 A ∪ {x};因此 |A| + 1 ≤ d。由归纳假设得 ∣H′′∣≤Φ(n−1,d−1)|H''| \le \Phi(n-1,d-1)。

两式相加,∣H∣S∣≤Φ(n−1,d)+Φ(n−1,d−1)=Φ(n,d)|H|_S| \le \Phi(n-1,d) + \Phi(n-1,d-1) = \Phi(n,d)——最后一个等号是帕斯卡恒等式(Pascal's identity)(n−1i)+(n−1i−1)=(ni)\binom{n-1}{i} + \binom{n-1}{i-1} = \binom{n}{i}。∎

由此,界 Φ(n,d)≤(en/d)d\Phi(n,d) \le (en/d)^d 便可通过一个标准的二项式估计得到。

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