2026-08-28·by Sijie Wang#node#math

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学习理论——从数据中能学到什么

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计算学习理论与统计学习理论:泛化(generalization)的数学——有限多个样本,什么时候才能确定一条在未见过的数据上也成立的规则?

让这件事不平凡的陷阱。 对任何一份有限样本,都有无穷多条规则同样吻合——你总能拟合住见过的那些点,却在其余地方全错。所以学习本来是不可能的,除非你事先限制自己的假设空间(一种归纳偏置,inductive bias)。这个领域画出的,正是这样一条精确的边界:一个受限的假设类,究竟能学到什么、学不到什么。

设定(以下每篇笔记都使用这套符号)

对象

  • 输入(inputs)存在于一个空间 X 中(点、邮件、图像);每个输入都有一个真实的标签,记作 +
  • 目标(target)c 是那条未知的真实规则 c: X → {+,−}——也就是你要学习的东西。
  • 输入来自一个未知分布 D;你的样本是从 D 中独立抽出的 m 个带标签样例 (x₁,y₁), …, (xₘ,yₘ)
  • 事先固定一个假设类 H——也就是你愿意考虑的候选规则菜单(这正是你的偏置所在):例如所有直线边界、所有轴对齐矩形、或所有深度不超过 5 的决策树。假设(hypothesis)h ∈ H 是这份菜单里的一条规则,一个函数 h: X → {+,−}(输入→预测标签)。学习 = 从菜单 H 中挑出最好的 h
  • 泛化误差 err(h) = 对一个从 D 中新抽出的 xh(x) ≠ c(x) 的概率(即 h 在未见数据上与真相不符的频率)。
  • ε = 你要求的精度(err ≤ ε);δ = 置信度(允许失败的概率);m = 样本量。

目标: 仅凭样本,挑出一个 err(h) 很小的 h ∈ H——并且要能够保证这一点

假设类

固定一个实例空间 XX 和二元标签集合 Y={+,}Y = \{+,-\}假设是一个函数 h:XYh : X \to Y假设类是函数空间的一个子集

H    YX  :=  {ff:XY},H \;\subseteq\; Y^X \;:=\; \{\, f \mid f : X \to Y \,\},

所以 h ∈ H 就是普通的集合归属关系。等价地,把每个 hh 等同于集合 h1(+)={xX:h(x)=+}h^{-1}(+) = \{\, x \in X : h(x) = + \,\},一个类就是一个子集族 H2XH \subseteq 2^X;而这一对 (X,H)(X, H),正是 Vapnik–Chervonenkis 理论中的范围空间(range space)/集合系统(set system)。

这里的"类"(class)只是对那个集合/族的宽松称呼——不是集合论意义上的真类(proper class)。H 可以是无穷的(所有阈值、所有直线),但仍然是一个普通集合;有限的 VC dimension 会让它在有效意义上保持"小"(Sauer–Shelah:在 n 个点上只有 O(nᵈ) 种标注方式,而不是 2ⁿ 种)。

笔记

  • pac ——Valiant 的框架:以近似(误差 ≤ ε)、大概率(概率 ≥ 1−δ)的方式,从多项式数量的样本中完成学习。
  • vc-dimension ——假设类的容量;基本定理:PAC 可学 ⟺ VC 维有限
  • no-free-lunch ——不存在万能学习器;学习必须依赖先验偏置——而这个偏置本身无法被学到。

唯一要记住的边界

可学 ⟺ 容量(VC)有限。 灵活性太少,拟合不了真相;灵活性太多,则无法泛化(它能拟合任何标注,包括噪声)。学习存在于两者之间,而你所需要的数据量,随你允许的容量增长。

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