Lecture 2:Learning to Yes/No

Perceptron Learning Algorithm (PLA)

現(xiàn)在我們把H看作是所有可能的感知機(jī)(Perceptron),把g看作其中的一個(gè)感知機(jī)假設(shè)弃酌。
那么氨菇,我們想要做的就是讓g盡可能的接近target functionf,理論上講在數(shù)據(jù)集D上矢腻,g(x_n) = f(x_n) = y_n是成立的门驾,也是必要的。
但是H(感知機(jī)假設(shè))是無(wú)限的多柑,那要怎么做呢奶是?

idea: start from some g_0(represent by its weight vector w_0),and 'correct' its mistakes on D

以下是PLA流程:
For t = 0,1竣灌,...

  1. 找到被w_t^T劃分錯(cuò)誤的一個(gè)錯(cuò)誤點(diǎn)(x_{n(t)} ,y_{n(t)})聂沙,使得sign(w_t^T x_{n(t)}) \neq y_{n(t)}
  2. w_{t+1} \leftarrow w_t + y_{n(t)}x_{n(t)},嘗試去修正這個(gè)錯(cuò)誤初嘹。

    ... 直到?jīng)]有分錯(cuò)的點(diǎn)為止及汉。此時(shí)令g = w( w_{PLA})
    舉例說(shuō)明:

Guarantee of PLA

首先講一下線性可分(Linear Separability)的概念:

  • if PLA halts(意味著沒(méi)有錯(cuò)誤點(diǎn)了,這是必要條件)屯烦,Dallows some w to make no mistakes
  • call such D Linear Separability
    也就是說(shuō)坷随,Linear Separable D \Leftrightarrow exits perfect w_f such that y_n = sign(w_f^T x_n)
    假設(shè)D總是線性可分,但是PLA一定會(huì)停下來(lái)嗎驻龟?
    實(shí)際上温眉,w_tGets More Aligned with w_f
    我們可以簡(jiǎn)單證明一下:
  • w_f perfect hence every x_n correctly away from line:
    ??y_{n(t)}w_f^T x_{n(t)} \geq min y_n w_f^Tx_n > 0
  • w_f^Tw_t \uparrowupdate by any (x_{n(t)},y_{n(t)})
    ??w_f^T w_{t+1} = w_f^T(w_t + y_{n(t)}x_{n(t)})
    ???????\geq w_f^Tw_t + miny_nw_f^Tx_n
    ???????>w_f^T w_t+0

并且,w_t does not grow too fast
Because w_tchanged only when mistake \Leftrightarrow sign(w_t^Tx_{n(t)}) \neq y_{n(t)} \Leftrightarrow y_{n(t)}w_f^T x_{n(t)} \leq0
mistakes 'limits' ||w_t||^2 growth,even when updating which 'longest' x_n
||w_{t+1}||^2 = ||w_t+y_{n(t)}x_{n(t)}||^2
?????=||w_t||^2+2w_ty_{n(t)}x_{n(t)}+||y_{n(t)}x_{n(t)}||^2
?????\leq||w_t||^2+0+||y_{n(t)}x_{n(t)}||^2
?????<||w_t||^2+max||y_nx_n||^2

Note:start from w_0 = 0,after T mistake corrections:\frac{w_f^T}{||w_f||}\frac {w_t}{||w_t||} \leq \sqrt{T} \cdot constant


Non-Separable Data

上面講述了PLA基于線性可分?jǐn)?shù)據(jù)的過(guò)程翁狐,而在現(xiàn)實(shí)生活中类溢,D并不總是separable的。那么露懒,我們要怎么做才能使得g \approx f成立呢闯冷?
如果數(shù)據(jù)集如下圖所示,我們永遠(yuǎn)不可能畫(huà)一條直線完全分開(kāi)\circ\times樣本懈词。


但是蛇耀,顯然,noise數(shù)據(jù)不會(huì)太多(太多了就沒(méi)意義了坎弯,對(duì)這份數(shù)據(jù)集而言)蒂窒,那么我們可以假設(shè)
y_n = f(x_n)
在一般情況下是成立的,即忽略噪點(diǎn)荞怒。那么,在這份數(shù)據(jù)集
D
上秧秉,
g\approx f \Leftrightarrow y_n = g
也是成立的褐桌。
所以,現(xiàn)在我們要做的象迎,就是找一條線荧嵌,使得錯(cuò)誤點(diǎn)數(shù)量盡可能少呛踊。
w_g \leftarrow argmin \sum_{n=1}^{N}[|y_n \neq sign(w_n^T x_n)|]

不幸的是,這是一個(gè)NP難題啦撮。我們只能去找一個(gè)近似的符合條件的g谭网。
這里我們引入Pocket算法
\Rightarrow
modify PLA by keep best weights in Pocket。
initialize pocket weights in
\hat{w}
,
For t = 0赃春,1愉择,...

  1. 找到被w_t^T劃分錯(cuò)誤的一個(gè)錯(cuò)誤點(diǎn)(x_{n(t)} ,y_{n(t)}),使得sign(w_t^T x_{n(t)}) \neq y_{n(t)}
  2. w_{t+1} \leftarrow w_t + y_{n(t)}x_{n(t)}织中,嘗試去修正這個(gè)錯(cuò)誤锥涕。
  3. 如果w_{t+1}劃分的錯(cuò)誤點(diǎn)比\hat{w}少,那么replace \hat{w}byw_{t+1}
    ... 直到迭代到足夠次數(shù)為止狭吼。
    此時(shí)令g = \hat{w}( w_{POCKET})
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