台大林轩田·机器学习基石记要

Posted 2020-07-19 qiusuoxiaozi

台大林轩田·机器学习基石记要

昨天开始看林轩田的机器学习基石，从今天起开始去粗取精

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第一讲比较基础，一些概念自己早已经理解了，所以不再做笔记，有点印象的是讲到了ML、DL、AI的一些联系与区别，ML主要是想从数据中学习/逼近一个理想的函数f(x)

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第二讲讲到了PLA，感知器学习算法，并且证明了线性可分时感知器收敛定理（与Haykin的Neural Networks and Learning Machines证明相同，另外补充的是学习速率不一定为1，只要非负即可，但是这个地方还有一些疑问，在Haykin的pdf中也标出来了，具体是Michelle的机器学习一书中又说学习速率不能太大。。），另外说道了线性不可分时的Pocket Algorithm，是一种贪心算法。

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第三讲讲的还有多种机器学习问题，二分类（是非题），多分类，回归（已经有许多统计学知识可以使用到），结构学习（可以理解成复杂的多分类问题，比如自然语言处理中的词性标注问题，由于句子长度不定，类别可能有无穷多种），第三讲还没看完，后面又讲了：

batch learning V.S online learning V.S active learning(当label is expensives)
RL is often done online

5/19/2016 11:46:44 PM

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第四讲

learning is doomed if any f can happen. 换句话说，如果想要是机器获得学习，获得训练数据集之外的泛化能力的话，必须对f施加约束
这些思想挺不错的。由此过渡到PAC学习理论
利用sample from the whole来学习，讲到了霍夫丁不等式（怎么证明，好像是统计中的一个很基本的不等式，比大数定律都基本）
然后将marble bin 问题和learning 的connection,经典！总的来说就是基于霍夫丁不等式和IID，由已见推未见

从而有

形式化描述：

注意，以上讨论仅限于一个固定的假设集（见下图）

上面这张幻灯片的末尾说，就像perceptron learning一样，它会做选择，喂给它不同的数据就会得到不同的线而不会每次都得到同一条线。。。这句话不甚理解。所以我们现在做到的事情不是learning，我们现在做到的事情是verification(如下图)

一个题目：

学得有点迷迷糊糊的。。。

connection to real learning
这一节课讲与真正学习问题的联系（上一节课只是将marble bin与单个的假设函数联系起来了，充其量算verification，而这里就要与多个假设函数联系起来）
下面这张图的意思是，如果出现了一个hM，在samples的上面表现完美，那么要不要选择它呢？

事实上，当假设集变大时，bad samples（或者我觉得可以理解成误选择的几率会变大，课上举得例子是丢5次硬币出现全正面的几率，当硬币数目是150个时，会大于99%，也就是会选择一个普普通通的硬币误以为是偏向于正面的硬币）的几率会恶化，这只是一种intuition上的理解，具体应该看math formulation.

注意，这是出现bad samples，也就是说如果你做的实验次数越多，那么越容易出现bad samples，并不是自己先前的那种理解，也就是只做一次sample。 但是实际当中，我们也只会做一次sample吧，也就是说训练集是固定的，而假设函数是多样的，这么来看的话，讨论bad sample意义似乎不大啊？？

不对，确实是有意义的，上面那段的理解并没有抓到本质，应该参考上面那张图来看，意思是：确实，只做了一次sample，但是如果有多个hypothesis的时候，很有可能会出现一种情况刚好在手头的这个sample上（注意，确实只有一个sample）表现perfectly。 这就像是抛硬币一样，抛硬币这个例子确实举的好！不过，需要说道的是，硬币这个例子还是比较狭义的，因为多个hypothesis可能不一定要相同的Eout，允许Eout不同，但是仍然会出现bad sample,硬币这个例子对应的其实是所有的hypothesis都有相同的Eout，不过作为一个范例，足以反驳“多hypothesis情况下，盲目选择best performance hypothesis”的策略！

所以说

当选择多了，出现bad sample的概率会变大！！！

接着看bad data for many h

下图确实应该是使用联合界定理（而不是自己脑海中想的1-(1-p(…))^M），因为如前所述，只做了一次sample，而bin中的dirty data或者说bad data的概率应该用联合界定理计算。

(看到这里，不得不插叙感叹一句，这套课程在学习理论上讲的太好了，比CS229细致，深入！期待更多惊喜。后面要花时间证明霍夫丁不等式！)
所以讲到这里就可以说，当假设函数集是有限（等于Ｍ）的时候，机器是可以学习的！

但是，当M时无穷的时候怎么办呢（比如说感知器，很明显，分隔超平面的个数是无穷多个），后面会花两到三次课讲无穷假设集的情况。
一个不错的问题：

上图最后一句，下一次，我们会利用这些性质（重叠的情况）来探索无穷假设集的情况。

一个小结：

用林的话来说：先是“耸人听闻”，说机器不可以学习，举的那些公务员似的学习问题；然后说当sample和总的data满足一些特定情况（IID）并且对假设函数施加约束后，机器是PAC可学习的，具体地用了一个固定的hypothesis时的霍夫丁不等式来说明；再然后讲到了当hypothesis有有限多个时，仍然是可学习的；最后将无限假设集的情况留到以后讨论。
经典！！！

简略地概括来说，第四讲利用marble bin结合霍夫丁不等式的思想讲了single hypothesis和finite hypothesis的可学习！

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5/20/2016 11:44:51 PM

开始证明霍夫丁不等式！参考张驰远简书博客
http://freemind.pluskid.org/slt/vc-theory-hoeffding-inequality/
博客首讲到有限VC维则是learnable（来自caltech ML课程） ，而非林轩田前边课程中提到的hypothesis的个数，这一点林后面应该会讲到。
大致浏览了一下，细节还没有吸收，但是基本感觉能看懂了，讲得很好，主要是有了林轩田课程的一些知识，嗯，nice，明天车上可以看！等到把林轩田关于无穷hypothesis的learning问题讲完后，还可以回过头再看看，甚至不嫌麻烦的话把caltech的那部分课程看看。

5/21/2016 12:20:10 AM 晚安future

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再看张驰远的简书，证明过程已经看懂了(要吸收它的证明思想，大致来说就是放缩)，留下的问题是

1. 切比雪夫不等式和霍夫丁不等式的关系
2. 霍夫丁不等式原始论文
3. 博客评论中的CMU推荐学习材料（天啊，这个资料太赞了！！！链接）
4. 完成林轩田的课程后再复看一遍

开始看霍夫丁原始论文，，太难看了。。。转看CMU的那个统计资料（36-705 CMU Intermediate Statistics notes2），超赞！看完了前两部分，第三部分The Bounded Difference Inequality还没看。前面从马尔科夫到切比雪夫到霍夫丁的推导非常小清新而顺畅。

5/21/2016 11:20:08 PM

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36-705 CMU Intermediate Statistics

Course description

This course will cover the fundamentals of theoretical statistics.
We will cover Chapters 1 – 12 from the text plus
some supplementary material.
This course is excellent preparation for advanced work
in statistics and machine learning.

天啊，看这个课程描述，作为ML的高端入门必看啊！！！！！
考虑把36-705与林轩田的课程同步学习！！

林轩田第四讲告一段落。

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第五讲 （recap:第四讲利用霍夫丁不等式和marble bin的思想论证了如果sample与总体数据是IID的并且对假设函数施加约束（单个hypothesis和有限hypothesis）那么问题是learnable的）今天讲无限hypothesis

下图简述了过去四堂课的脉络

hypothesis小或者大各有利弊：

下面的任务可能要花三节课（3 hours）的时间来讲清楚（论证PLA确实是可学习的）

当M趋向无穷时，使用union bound去计算显然会fail,因为事实上，许多的hypothesis的bad data会有重合：

可以试着把无限多的hypothesis按类分，而不是按个数分：
一个点时，这个世界上只有2条线

两个点时，只有4种线

三个点时，8种线

但是一定会有八种吗（上图末句），共线时只有6种

四个点时，14种线（比较general，不考虑共线）

So

说得好！感觉慢慢地与VC维扯上关系了！一个题：

说future lectures会正式证明为什么是22条先，有点意思。。。期待

一个新概念（就是前面讲到的考虑了重叠之后的hypothesis），考虑用dichotomies来换掉霍夫丁不等式中的M

由于dichotomies的大小与输入有关，于是定义一个生长函数

先考虑比较简单的growth function（perceptron的比较麻烦）

或者这个

上面两个dichotomies的数量级都是满意的，因为都不及霍夫丁不等式的指数衰减的作用。

考虑下面这种情况，大意似乎是把+1用凸集包起来吧

可以发现，它可以shatter 2^n个点

前面一共讲了四种growth function，到底perceptron是多项式还是指数的，下节课才去严格地证明。

先对成长函数再做一个简单的小定义 break point

那么有如下关于break point与growth function的成长的速度的猜想
（conjecture），下节课会证明。

？？下面这道题的答案岂不是与上一张图的结论矛盾，growth function
的成长速度并非平方啊

第五讲小结：

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第六讲 roadmap

k若为break point，则k+1…都是。那么break point有没有为到底产生多少dichotomies加上更强的限制呢？

如果break point为2，那么N=3时最多只能产生4种dichotomies。wait,关于这个似乎有些数学规律在里面，可以想想。。。？

So

题目

bounding function

可以很容易地填完一半的表，但是剩下的一半才是重头戏所在，因为牵涉到N>k的情形。

我勒个去，下题的目的用来说明 bouding function 原来很松，等号不一定会取到，还是要具体问题具体分析，原本还以为mH(4)就是15呢。。。

下面来填 bounding function 表的剩下部分，oh my god,这让我想到了动态规划。。。：

后面的证明确实相当精彩，就是使用了动态规划的思想。

以求B(4,3)为例，先分类：

于是

一般化：

所以得到，最后说到其实小于等于可以是等号，自己课下可以去证明。。？？自己有时间证明一下

第三个perceptron的mH(N)写不出来，但是没关系，因为mH(N)总可以只被
一个break point bound住

下题，虽然选项4没给出严格的数学证明，但是我就这么认为了吧。。

……

第六讲的最后一个视频说到，有了上面的基础，后面并不是简单的把N替换成mH(N)，当N很大时，事实上变成了

这个证明非常的technical，所以只讲一下大概的各个参数（2，2，1/16等）是怎么来的。。有兴趣课下自己详细证明一下？？

可是自己连sketch of proof都没看懂，Andrew N.g说他看了一周的VC维证明莫非就是这个地方（一番折腾发现，36705中lecture3中说到36702中有证明，而36705是36702的先修课程，看来想要完全搞懂确实不是简单的
事啊）。。。下面有三步，分别解释2,2，1/16的来由：

至此，就证明了二维的perceptron是可学习的！

本讲末的一个题，从中可以看出这个bound并不是很小，也就是说坏事发生的几率不小，原因是我们在推导VC bound时用了很多近似在里面。下节课我们再来探讨VC bound既然不是那么紧，为什么我们还要花这么多力气去推导它，请期待下一节课。

小结，总结得很好，通过break point用B(N,k)bound住mH(N)，再证明B(N,k)是polynomial，然后用一个pictorial(因为理论太艰深，所以只能不严格的讲)proof用mH(N)替代M，推出了经典的VC bound，证明了2D PLA可学习，最后通过一个题发现VC bound并不是很紧，VC bound的意义悬念留到下一讲：

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第六讲听完后发现了许多supplement materials:

1. 36705
2. 36702
3. Statistical Inference(36705 textbook)
4. 绽老师推荐的Vapnik的Statistical Learning Theory(SLT)

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第七讲 讲VC 维

最后的不等式利用了上上张图的结论

无论选择什么算法或者分布或者目标函数，都能在概率上保证Eout接近Ein（即使Ein很大）

题目，存在N个点能被shatter即可。

下面这部分证明了d维线性分类器的VC维是d+1,证明很巧妙，通过证明dvc>=d+1且dvc<=d+1 通过构造矩阵证明（在绽老师的组会上探讨过）

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下面是vc维的物理意义

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更深入了解VC维

为模型复杂度付出的代价：

powerful H not always is good:

sample complexity,理论上要10000倍的vc维 实际只需要10倍，说明VC bound很宽松

宽松的原因是因为：

但是，VC bound的宽松对所有模型都是同等的宽松，因此有可比性，再者，VC bound背后的哲学意义对于ML意义重大（不要盲目追求高的VC维）

题：恭喜初步掌握了VC bound

小结：

图末，下一讲将VC bound延伸到更广的学习问题上，more than noiseless binary classification

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第八讲 noise and error

下图说，即使是含有噪声，给定一个固定的x对应的y可能不同，同样使用先前marble bin的思想（只是这里球的颜色相当于会变，是变色龙），复写VC bound的推导过程，同样可以得到这种含有噪声模型（probabilistic marbles）下VC bound仍然成立。细想确实如此！

看到这里睡着了，中午没睡的。。下面接着看。
含噪声模型下（概率模型），学习的目的不再只是为了接近f(x),而是下图末：

VC bound仍然会工作，那么pocket algorithm也会工作，意思是只要学
习算法能够让Ein尽量小，那么Eout也会小。

题：

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error measure

因为不同的error measure下，算法得到的最佳的g也是不同的，因此要把error measure加入learning flow中

VC bound still works for different problem(classification or regression) and different error measure，具体的数学证明比较繁复，所以就不细说了。

下面是一个题：

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那么应该选择error measure呢，先从指纹辨识说起：

在具体的应用场景中，比如说超市购物打折中，false reject和false
accept对超市影响的严重程度不同，所以作为一种改进，对二者赋以不同的惩罚：

而换成CIA来说，又变成了：

但是在实际应用中，要用户（超市、CIA）量化的给出true error是几乎不可能的（因为超市和CIA也不知道到底应该用多少倍来表示不同的严重程度），所以实际中常常使用plausible或者friendly（对算法来说容易求解）的方法，这样得到的是err^，而非err，是对err的估计或者逼近。见下图。

因此，在评估g和f的相似度时，使用的是err，但是真正对于算法来说，我
们给的是err^

一个题:

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pocket仍然work吗？

虚拟的复制1000次（实际中对应到（1000倍概率）更频繁地访问）

小结

未来会学到更多的ML算法

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第九讲 linear regression

如果Eout变好了，那么learning就发生了。

一个比VC维更好的关于Eout会很小的解释

下面最后的trace怎么证明？？

下面这个没看懂？？

线性回归的学习曲线，与VC bound有相似之处

题目：

感觉林的线性回归讲的比较深入，以后还要回顾。

可以用Linear regression来做binary classification吗，下面讨论

从VC bound来看，如果减小regression的Ein，那么classification Eout也会变小，所以，可以用regression来做classification

题：

以上几种error measure以后都会用到
小结：

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第十讲 logistic regression

顿悟的有：

1. logistic regression和binary classification的区别在于logistic regression想知道的不是“有没有得癌症”而是“得癌症的几率是多少”。
2. 使用logistic function的目的很单纯，其实就是想把原先的WTX映射到0,1之间以表示概率。
3. 另一个很重要的思想史：logistic regression之所以是“learnable”是有前边VC bound的理论支撑的（将VC bound推广到含有noise的probablistic target的情形，当时使用probabilistic marble来解释的）

事实上，第八讲的前两个视频中分别进行了VC bound推广。第一个视频就是上一个第三点说道的，考虑了如果有noise下的probablistic target情形，vc bound仍然work.第二个视频则说到了error measure，意思是不限于0/1错误衡量（PLA时的），使用许多更广的hypothesis和error measure时VC Bound仍然会work.

那么，同样是线性模型，logistic regression的error怎么定义呢？

一番修整，得到：

题目：

接下来是最小化目标函数了：

求导

不像linear regression，没有closed-form solution

so

选择不同的n,v就会得到不同的迭代优化算法

题目：

使用泰勒逼近

怎么选择n

改进后：

题目：

小结：

前面讲的三种都是线性的方法（linear classification,linear
regression,logistic regression），下一次把他们整合起来用到更加复杂的分类问题（多分类）上面。

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第十一讲 Linear models for classification

讨论了将前面讲到的几个线性模型PLA，linear regression, logistic regression都用于classification的可能性，PLA就不用说了，主要是linear regression和logistic regression, 通过使用VC bound可以证明用linear regression和logistic regression实现的classifier是learnable的，因为他们的error比较大，所以他们构成的bound都比PLA的要loose.所以…这一讲比较简单，ppt我就一次放了

题目：

用随机过程来替代平均

题目：

多分类：
使用one aganist all的方法，可能会有区域无法判别

解决方法是使用soft的方法，用概率（logistic）而不是非零即一的硬二分类

会有unbalanced data的问题，另外有专门的multinomial logistic regression（与使用logistic regression通过one aganist all构造
出来的多分类器的区别是后者概率和不一定为1）

题目:

继续讨论OVA的unbalance的问题，可以使用OVO然后投票：

问题，easy：

小结：

以后讲非线性

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第十二讲 Nonlinear Transformation

广义说是feature transformation，这里狭义地理解成非线性分类器，其实就是kernel的思想，直接上图：

其实就是课程一开始说到的feature transformation的思想，这么强大的方法，真的管用吗？（下一个视频会讲代价）

题：

付出计算和储存的代价：

模型复杂度的代价

泛化问题，靠“人眼看”可以吗？

人眼看其实是在“作弊”（人脑潜意识有一个很大的VC维）

题目：

随着nonlinear transformation的次数增加，VC维会增加，而且假设空间是逐级包含的（有点张志华统计机器学习第二节课随机变量1中讲到的递增可测空间的意思。。。）

这种structured hypothesis sets，下面的结论顺理成章，高的次数（VC维）未必好，即使Ein小，但是VC bound宽松，Eout反而大了。

选择模型从线性模型开始，此处又体现出奥卡姆剃刀原理，林轩田的这门课程中关于VC维,Ein,Eout的思想讲得很好。

题目：

小结：

下一讲会接着讲dark side of the force(也即是powerful nonlinear transformation)

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第十三讲 Hazard of overfitting

“以退为进” 即使先前知道数据是由十次多项式+noise产生的

解释的原因是：当数据量处于灰色区域时，H10的Eout不如H2

即使是在五十次多项式并且无noise产生的数据上时，H2仍然更好，解释的原因是，模型复杂度扮演了noise的角色（不理解，后面会讲）

题目：

那么什么时候overfitting会发生？继续做些detailed experiment

noise和complexity对overfit的影响引出了课程Logo

题目：

怎么deal with overfitting,一个形象的比喻

data cleaning/pruning

data hinting

题目：

小结：
overfitting产生的原因：noise,data不够，power太多，另外如果target太复杂也可以视为一种noise(deterministic noise).然后讲了几种应对的方法，对data的cleaning/pruning,hinting，下一讲会讲regularization

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第十四讲 regularization

easy 直接上图

题目：

解释不错

可以求出解析解（线性回归时），称为ridge regression

下面引出正则化项的方法很有新意，是亮点！

引出了Legendre polynomials，原因不太懂？？

题目：

正则化后VC维问题：

Eaug是更好地proxy

感觉通过正则化后的Eaug扮演了障眼法似得角色，最小化Eaug的过程中似乎考虑了整个dcv(H)，但是事实上只考虑了dEFF(h,A)，即有效的VC维。

题目：

更广义的regularizers，选择好的regularizer的一些思想，类似的思想在选择err measure时也出现过：

重点解释了为什么L1会施加sparsity,原因是Ein的梯度与regularizer不平行时，会把最佳解“拉”到顶点上去

从下面两个图可以看出，当noise越大时，最好的lambda也会偏大，就像是路况不平时，刹车（regularizer）要多一点。另外，从右图要能看出，ideal function应该是15次的，所以15次时没有deterministic noise.可是noise不是提前知道的，如何选择最好的lambda呢，卖个关子，下一讲再讲（估计就是validation）

题目：

小结：

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第十五讲 Validation

so many models to learn

模型选择很重要，可能是ML中最重要的问题。不能用“眼睛”去选，原因是1，高维数据没法“看” 2，人脑潜意识很高的VC维

不能用best Ein选

用best Etest是作弊

但是可以用Eval 留一些训练数据作为test,legal cheating :-)

题目:

Eout(gm*)是选出gm*-之后再在整个D上训练出的模型

K的困境，通常会选择N/5作为验证集

题目，看起来validation未必费时（没花25N^2的时间）：

留一交叉验证：

理论保证：没看懂？？

题目：

留一交叉验证的缺点：难算，unstable

V重交叉验证

题目：

小结：

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第十六讲 三条锦囊妙计

奥卡姆剃刀

下面这个用概率解释的思想很新颖

题目：

抽样偏差 sampling bias：

课程刚开始时的银行贷款问题，数据其实也是存在偏差的

题目：

偷看数据（data snooping）,应该尽量避免，

有时不限于用眼睛看，间接地求统计数据的“偷看”也不行，比如放缩时，不应用到validation的数据

拷问犯人越久，他就越容易招供

应对data snooping（提高警惕，谨防偷看）

题目：

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基石总结：power of three

validation相当于模型的复赛

未来的三个方向

题目：

小结：

基石结束

6/1/2016 7:37:45 PM

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