La PizarraMatemática.

Máster y doctorado

Garantías matemáticas del aprendizaje estadístico

Un modelo puede acertar los datos que vio y fallar en datos nuevos. La teoría de aprendizaje pregunta cuánto puede diferir ese rendimiento y con qué probabilidad. Empezaremos con pérdidas de ceros y unos, construiremos una cota para un modelo fijo y después veremos cómo permite elegir entre varios.

1. El riesgo de la muestra y el de la distribución son cantidades distintas

Suponemos observaciones z₁,…,zₙ independientes y con la misma distribución D: IID. Fijamos de antemano una clase H finita, no vacía, y pérdidas medibles 0≤ℓ(h,z)≤1. En clasificación, la pérdida cero–uno vale uno al fallar y cero al acertar.

El riesgo poblacional R(h)=\mathbb E_D[\ell(h,Z)] promedia sobre un dato nuevo de D. El empírico \widehat R_n(h)=n^{-1}\sum_i\ell(h,z_i) promedia la muestra. Entrenar suele reducir el segundo; el primero es la cantidad que queremos controlar.

Contar errores de una muestra

Un clasificador falla una de cuatro observaciones.

  1. Pérdidas

    Podrían ser (0,0,1,0).

  2. Media

    R̂=1/4.
  3. Alcance

    No sabemos todavía la tasa de fallo en toda la distribución.

Resultado

El número observado es riesgo empírico.

Lo comprobamos

El tamaño cuatro y la hipótesis de muestreo influyen en cuánta confianza merece.

Una pérdida no tiene que ser solo cero o uno

Valores observados 0,1/5,3/10,1/2.

  1. Sumar

    0+0,2+0,3+0,5=1.
  2. Dividir

    R̂=1/4.
  3. Hipótesis

    Todos están en [0,1], así que este rango sigue siendo compatible con la cota elemental.

Resultado

La garantía controla una media de pérdidas acotadas.

Lo comprobamos

Una pérdida cuadrática sin cota no cumple automáticamente esa misma hipótesis.

2. La confianza se refiere a repetir la extracción de muestras

Antes de observar datos, R̂ es aleatorio porque depende de la muestra. Para h fijo, su esperanza es R(h), pero una muestra concreta puede quedar por encima o debajo. Una ley asintótica no da sola un margen a tamaño finito.

Una muestra sin errores es compatible con riesgo positivo
Un riesgo; distintas muestrasMuestra A00000R̂=0Muestra B00100R̂=1/5Para este predictor: R=1/5R̂ cambia con la muestra.R se define sobre datos nuevos de D.
Dos secuencias posibles de cinco pérdidas de un predictor fijado de antemano, con pérdida uno al fallar y cero al acertar. La primera tiene cinco ceros y riesgo empírico cero; la segunda tiene un uno y riesgo empírico un quinto. En el ejemplo la probabilidad poblacional de fallo del predictor es un quinto y los datos son IID. La probabilidad de cinco aciertos es cuatro quintos elevado a cinco, igual cero coma tres dos siete seis ocho. El riesgo empírico cambia entre muestras y el poblacional pertenece a la distribución; no se deduce que sea cero a partir de una muestra perfecta.

Una garantía de confianza 1−δ significa que el evento indicado ocurre con al menos esa probabilidad sobre las muestras. No significa que cada predicción nueva tenga error menor que el margen ni transforma el evento en certeza después de entrenar.

Cero errores no prueba riesgo cero

Un predictor fijo tiene riesgo 1/5 y evaluamos cinco datos IID.

  1. Acertar cada uno

    Probabilidad 4/5.

  2. Todos correctos

    Probabilidad (4/5)⁵=0,32768.
  3. Resultado observado

    En esas muestras R̂=0, aunque R=1/5.
Resultado

Un historial corto perfecto puede ocurrir con un riesgo real positivo.

Lo comprobamos

El ejemplo supone el predictor fijo antes de extraer esos datos.

Ver la variabilidad de una media

Dos pérdidas independientes, cada una Bernoulli de probabilidad 1/2.

  1. R̂=0

    Ambas cero: probabilidad 1/4.

  2. R̂=1/2

    Una de cada: probabilidad 1/2.

  3. R̂=1

    Ambas uno: probabilidad 1/4; la media de R̂ sigue siendo 1/2.

Resultado

Insesgado no significa exacto en cada muestra.

Lo comprobamos

Aquí la desviación supera 1/4 en la mitad de las muestras.

3. Hoeffding controla un modelo fijado antes de ver la muestra

Para un h fijo y las hipótesis anteriores, \Pr(|R(h)-\widehat R_n(h)|>\varepsilon)\le2e^{-2n\varepsilon^2}. El factor dos controla ambas direcciones. Para un margen fijo, aumentar n reduce esta cota.

Elegir después el modelo más favorable entre muchos requiere algo más: la garantía de un h prefijado no se aplica automáticamente a una selección que usó esos mismos datos. Primero construiremos un evento simultáneo.

Una cota informativa

n=200 y ε=1/10, para h fijo.

  1. Exponente

    −2·200·(1/10)²=−4.
  2. Fallo de la cota

    Probabilidad de desviación mayor que 0,1 como máximo 2e⁻⁴≈0,03663.

  3. Confianza

    El evento |R−R̂|≤0,1 tiene probabilidad al menos 0,96337.
Resultado

Es una desigualdad probabilística, no la probabilidad exacta del problema.

Lo comprobamos

El riesgo de una predicción individual no es 0,1 por esta cuenta.

Una cota puede ser vacía

n=25 y ε=1/10.

  1. Evaluar

    2e⁻¹ᐟ²≈1,213.
  2. Probabilidad

    Ya sabemos que cualquier probabilidad es como máximo uno.

  3. Interpretar

    Esta elección no da un control útil adicional; no informamos confianza negativa.

Resultado

Una cota correcta puede ser poco informativa con pocos datos.

Lo comprobamos

No se fuerza una interpretación numérica que la desigualdad no da.

4. La unión controla toda la clase sin independencia entre modelos

El evento uniforme falla si falla para alguno de los M=|H| modelos. La probabilidad de una unión no supera la suma: \Pr(\exists h:\,|R(h)-\widehat R_n(h)|>\varepsilon)\le2M e^{-2n\varepsilon^2}.

Para 0<δ<1 elegimos \varepsilon=\sqrt{\log(2M/\delta)/(2n)}, con log natural. Con probabilidad al menos 1−δ, todos los modelos de H cumplen el margen a la vez. No se exige que sus eventos de error sean independientes.

Calcular un margen uniforme

M=100, δ=1/20 y n=1000.

  1. Logaritmo

    2M/δ=4000.
  2. Margen

    ε=√(log4000/2000)≈0,0644.
  3. Evento

    Con probabilidad al menos 0,95, el margen vale simultáneamente para los cien modelos.

Resultado

Ahora podemos seleccionar entre ellos usando la muestra dentro de ese evento.

Lo comprobamos

La clase se fijó independientemente de esos datos.

Los eventos pueden coincidir

Dos clasificadores constantes predicen cero y uno ante etiquetas binarias.

  1. Pérdidas

    Para cada observación sus pérdidas son complementarias.

  2. Desviaciones

    La desviación absoluta de uno respecto a su riesgo coincide con la del otro.

  3. Unión

    Sumar sus probabilidades puede contar dos veces el mismo fallo; sigue siendo una cota superior válida.

Resultado

La unión es segura aunque sea poco ajustada.

Lo comprobamos

La independencia requerida por Hoeffding es entre observaciones, no entre estos dos modelos.

5. El evento simultáneo permite elegir y acotar el riesgo excesivo

Sea ĥ un minimizador exacto del riesgo empírico en H. En el evento uniforme, para cualquier h∈H, R(\widehat h)\le\widehat R_n(\widehat h)+\varepsilon\le\widehat R_n(h)+\varepsilon\le R(h)+2\varepsilon. Cada desigualdad tiene una razón: garantía, mínimo empírico y garantía otra vez.

Elegir el mínimo empírico no ordena los riesgos verdaderos
Un evento para toda la claseMargen ε=0,0500,10,20,3ABCAzul: riesgo empíricoRojo: riesgo poblacionalMínimo empírico ≠ mínimo real.
Tres modelos A B C con riesgos empíricos cero coma uno, cero coma quince y cero coma tres, en azul. Cada intervalo vertical de radio cero coma cero cinco corresponde a un mismo evento uniforme para toda la clase. Los riesgos poblacionales ilustrativos, en rojo, son cero coma quince, cero coma uno y cero coma veintiocho; todos están en sus intervalos. El mínimo empírico elige A, aunque B tenga menor riesgo real. La diferencia cero coma cero cinco está acotada por dos veces el margen, cero coma uno. Se muestran riesgos verdaderos conocidos para explicar la garantía; al entrenar normalmente no se conocen. Los intervalos ilustran un evento simultáneo, no confianza independiente asignada después a cada selección.

La comparación es con el mejor modelo de esa clase, no con cualquier predictor imaginable. Si el algoritmo aproxima el mínimo empírico con error η≥0, se añade η a 2ε. Error de optimización, elección de clase y generalización son cuestiones distintas.

El mejor entrenamiento puede no tener el mejor riesgo real

Dos modelos con R̂_A=0,10, R̂_B=0,12 y margen uniforme ε=0,03.

  1. Seleccionar

    ERM elige A.

  2. Riesgos compatibles

    Podrían ser R_{A}=0,13 y R_{B}=0,09: ambos respetan el margen.
  3. Comparar

    El exceso de A es 0,04, inferior a 2ε=0,06.
Resultado

La garantía limita la diferencia sin asegurar que el orden observado sea el real.

Lo comprobamos

Estos riesgos ilustran un evento compatible; normalmente no los conocemos.

Añadir error del algoritmo

Margen ε=0,03 y optimización empírica con η=0,02.

  1. Mínimo aproximado

    R̂(ĥ)≤min R̂+0,02.
  2. Generalización

    Se añaden los dos márgenes de 0,03.

  3. Resultado

    R(ĥ)≤min_H R+0,08 en el evento uniforme.
Resultado

Reducir error de optimización no elimina la incertidumbre estadística.

Lo comprobamos

La cota no incluye automáticamente modelos ajenos a H.

6. Más datos, más modelos y más confianza comparten la fórmula

Para M y δ fijos, ε escala como n⁻¹ᐟ². Cuadruplicar n lo divide por dos. Para un margen deseado ε basta n\ge\log(2M/\delta)/(2\varepsilon^2), redondeando al entero superior.

Aumentar M sube la cota; puede mejorar la aproximación de la clase y aumentar su complejidad a la vez. Reducir δ pide más confianza y también sube el margen a n fijo. Estas son condiciones suficientes de peor caso, no un número exacto de datos que necesite toda tarea.

Un tamaño suficiente

M=100, δ=1/20 y margen uniforme deseado 1/20.

  1. Sustituir

    n≥log4000/[2·(1/20)²]=200log4000.
  2. Evaluar

    200log4000≈1658,81.
  3. Entero

    Bastan n≥1659 según esta cota.
Resultado

Este objetivo es controlar desviación uniforme por 0,05.

Lo comprobamos

Un exceso ERM de 0,05 exigiría controlar cada desviación por 0,025 y otro tamaño.

Comparar cuatro veces más datos

M y δ se mantienen.

  1. Antes

    ε_n=√(log(2M/δ)/(2n)).
  2. Después

    ε_4n=√(log(2M/δ)/(8n)).
  3. Cociente

    ε_4n=ε_n/2.
Resultado

La ganancia de esta fórmula es de raíz cuadrada.

Lo comprobamos

No se cambia simultáneamente M o δ al hacer esta comparación.

7. Una clase infinita puede tener una complejidad controlada

Con infinitos modelos no se introduce M=∞ en la misma cota esperando un número finito. En clasificación binaria, herramientas como dimensión VC y funciones de crecimiento controlan cuántos patrones de etiquetas puede producir una clase.

La dimensión VC es el máximo número de puntos que puede etiquetarse de todas las formas mediante la clase. Otros problemas requieren otras complejidades y condiciones de medibilidad. Contar parámetros no reemplaza automáticamente ese análisis.

Umbrales en la recta

h_{t}(x)=1 si x≥t y cero en otro caso, con t real.

  1. Un punto

    Se puede etiquetar cero o uno moviendo t.

  2. Dos ordenados

    Para x₁<x₂ se obtienen 00,01,11, pero no 10.
  3. VC

    La dimensión es uno, aunque haya infinitos umbrales.

Resultado

Cardinalidad infinita no equivale a complejidad infinita en todos los sentidos.

Lo comprobamos

La conclusión usa esta familia de umbrales concretos.

Todas las etiquetas en un conjunto finito

Dominio con d puntos y todos sus 2ᵈ clasificadores binarios.

  1. Realizar

    Cada patrón de etiquetas está incluido.

  2. Separar

    Los d puntos se pueden fragmentar de todas las formas.

  3. Dimensión

    VC=d; no hay d+1 puntos distintos en ese dominio.
Resultado

La riqueza de la clase depende de qué decisiones permite realizar.

Lo comprobamos

Esto no certifica la dimensión VC de una red arbitraria contando solo pesos.

8. Repetición y cambio de distribución pueden romper las hipótesis

IID pide independencia y la misma distribución que se usará al definir el riesgo nuevo. Datos repetidos, dependencia temporal o cambios de población necesitan otro análisis. No se arreglan poniendo un n mayor en la fórmula original.

La evaluación práctica complementa la garantía con separación de datos y controles de selección. Probar modelos indefinidamente sobre la misma prueba introduce adaptación. Se comunica el evento, las hipótesis y su alcance junto al número calculado.

Copiar un dato no crea observaciones independientes

Todas las pérdidas observadas son la misma variable Y, Bernoulli de probabilidad 1/2.

  1. Marginal

    Cada posición por separado tiene media 1/2.

  2. Promedio

    R̂_n=Y para cualquier n.
  3. Desviación

    |R̂_n−1/2|=1/2 siempre, sin disminuir con las copias.

Resultado

La independencia no se sustituye por contar filas repetidas.

Lo comprobamos

El ejemplo conserva la distribución marginal y cambia su dependencia.

Entrenar y evaluar en poblaciones distintas

Entrenamiento: siempre etiqueta cero. Evaluación: siempre etiqueta uno. Predictor: constante cero.

  1. Entrenamiento

    R̂=0 y el riesgo bajo esa misma distribución es cero.

  2. Evaluación nueva

    El riesgo en la otra distribución es uno.

  3. Hipótesis

    No hay contradicción con la garantía IID para una única D.

Resultado

La fórmula no prometía transferir a cualquier población distinta.

Lo comprobamos

Bajo la misma D, el tamaño de muestra y la complejidad seguirían importando.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Error de entrenamiento y margen

Si R̂=1/10 y una garantía da |R−R̂|≤1/5, acota R por arriba.

  1. Dato empírico

    R̂=1/10.
  2. Evento

    La garantía indicada es |R−R̂|≤1/5.
  3. Una dirección

    R−R̂≤1/5.
  4. Sumar

    R≤1/10+1/5=3/10.
  5. Alcance

    Es una cota superior en el evento de la garantía.

  6. Comprobar

    No es una igualdad ni una certeza fuera de ese evento.

Resultado

R≤3/10 en el evento de la garantía.

Lo comprobamos

No es igualdad ni una certeza fuera de ese evento.

EJEMPLO RESUELTO 2

Aumentar la muestra

Con clase y confianza fijas, ¿cómo cambia ε si n se multiplica por 4?

  1. Fórmula

    Con clase y confianza fijas, ε_n=c/√n para una constante c.

  2. Nuevo tamaño

    Pasamos de n a 4n.

  3. Raíz

    √(4n)=2√n.
  4. Dividir

    ε_4n=c/(2√n)=ε_n/2.
  5. Resultado

    El margen se reduce a la mitad.

  6. Comprobar

    No se ha alterado el término de complejidad ni la confianza.

Resultado

El margen se reduce a la mitad.

Lo comprobamos

Este cálculo no cambia el término de complejidad.

Los símbolos que hemos usado

H
Clase de hipótesis o modelos candidatos.
ℓ(h,z)
Pérdida del modelo h en una observación z.
R(h)
Esperanza poblacional de la pérdida.
R̂ₙ(h)
Promedio de pérdida en la muestra de entrenamiento.
δ
Cota de probabilidad de fallo de una garantía.
ε
Margen que acota la diferencia entre riesgos.
Convergencia uniforme
Control simultáneo de la desviación para todos los modelos de la clase.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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