La PizarraMatemática.

Máster y doctorado

Inferencia en dimensión alta

Tener más variables que observaciones cambia el problema: distintos coeficientes pueden explicar exactamente los mismos datos. Veremos qué restricción añade Lasso, por qué crea ceros y qué condiciones hacen falta para pasar de un buen ajuste a una afirmación estadística.

1. Más coeficientes que datos deja direcciones que no se observan

En y=Xβ+ε, X tiene n filas y p columnas.
Si p>n, rango X≤n<p, así que existe h≠0 con Xh=0.

Los coeficientes β y β+h producen la misma predicción. Sin otra restricción, ni siquiera datos sin ruido distinguen todas las coordenadas.

Dispersión significa que β tiene pocas entradas no nulas. También necesitamos un diseño que distinga esas direcciones relevantes. Alta dimensión no hace imposible toda predicción; obliga a precisar qué objeto está identificado y qué estructura asumimos.

Una observación y dos coeficientes

X=(1,1), y=3 y ruido cero.

  1. Una ecuación

    β₁+β₂=3.
  2. Varias respuestas

    (3,0), (0,3) y (1,2) producen el mismo dato.

  3. Núcleo

    h=(1,−1) deja Xβ sin cambio.
Resultado

El dato identifica la suma, no cada coeficiente.

Lo comprobamos

Incluso las dos soluciones con una sola entrada no nula son indistinguibles.

Una señal dispersa necesita columnas distinguibles

Dos columnas son idénticas a un vector x no nulo.

  1. Señales

    β=(a,0) y γ=(0,a) son ambas dispersas.
  2. Predicciones

    Xβ=ax=Xγ.
  3. Conclusión

    La dispersión sola no identifica cuál variable porta el coeficiente.

Resultado

Hace falta una condición del diseño además de contar ceros.

Lo comprobamos

Una predicción puede ser igual con soportes diferentes.

2. Lasso fija una convención de pérdida y penaliza la suma de módulos

Usamos \widehat\beta\in\arg\min_\beta\left\{\frac1{2n}\|y-X\beta\|_2^2+\lambda\|\beta\|_1\right\}, con λ>0. La norma L¹ suma |βⱼ|. La penalización tiene esquinas que permiten ceros exactos. En dimensión finita hay un mínimo por continuidad y coercividad de la penalización.

Los coeficientes no siempre son únicos con columnas degeneradas, aunque la predicción ajustada sí es única para esta pérdida cuadrática convexa: dos predicciones distintas promediarían a una pérdida estrictamente menor. Cambiar la escala 1/(2n) o las unidades de columnas cambia el significado numérico de λ; se declara la estandarización.

Calcular una penalización

β=(3,−4,0), λ=2.

  1. Módulos

    |3|+|−4|+|0|=7.
  2. Penalización

    λ||β||₁=2·7=14.
  3. Distinción

    El coste total también incluye el ajuste cuadrático a los datos.

Resultado

La norma L¹ no permite que el signo menos cancele el tres.

Lo comprobamos

La suma algebraica sería −1 y no es la penalización.

Las unidades alteran qué coeficiente se penaliza

Una columna x se sustituye por 10x para mantener la misma predicción.

  1. Coeficiente

    El coeficiente equivalente pasa de β a β/10.

  2. Mismo ajuste

    xβ=(10x)(β/10).
  3. Otro coste

    Su contribución L¹ se divide por diez con λ fijo.

Resultado

Escalar columnas puede cambiar la preferencia de Lasso.

Lo comprobamos

Estandarizar debe formar parte del procedimiento, no quedar oculto.

3. El problema escalar se resuelve en tres regiones

Minimizamos Q(b)=(b−z)²/2+λ|b|.
Si b>0, Q′=b−z+λ y el candidato b=z−λ exige z>λ.
Si b<0, Q′=b−z−λ y b=z+λ exige z<−λ.
El umbral suave encoge valores y crea una zona exactamente nula
soft(z,1)−11z|z|≤1: coeficiente ceroFuera: reducir el módulo en uno.
Gráfica exacta de soft z uno. Fuera del intervalo menos uno a uno, la salida conserva el signo y reduce el módulo en uno. Dentro del intervalo cerrado la salida es cero, incluidos los dos extremos. Se usa la misma escala para el valor de entrada z y el coeficiente de salida; la diagonal gris muestra dejar el dato sin penalizar. La banda sombreada identifica el intervalo de anulación y no representa una probabilidad. La solución es continua en ambos umbrales, aunque cambia su pendiente.
En b=0, el subgradiente de |b| es [−1,1].
La condición 0∈−z+λ[−1,1] equivale a |z|≤λ.

Juntando: \operatorname{soft}(z,\lambda)=\operatorname{sign}(z)\max(|z|-\lambda,0). La pérdida total es estrictamente convexa, así que el óptimo escalar es único, también en el umbral.

Un dato por encima del umbral

z=6 y λ=2.

  1. Región

    6>2, así el óptimo es positivo.
  2. Despejar

    b=6−2=4.
  3. Verificar

    Q′(4)=4−6+2=0.
Resultado

La penalización reduce el módulo en dos.

Lo comprobamos

No divide el dato por dos.

Un dato dentro de la zona nula

z=−1 y λ=2.

  1. Región

    |z|=1≤2.
  2. Subgradiente

    −z=1 puede cancelarse con 2s tomando s=−1/2∈[−1,1].
  3. Óptimo

    b=0.
Resultado

La esquina permite anular exactamente el coeficiente.

Lo comprobamos

En z=−2 el óptimo también es cero.

4. La solución coordenada a coordenada exige ortogonalidad

Si XᵀX/n=I, expandir la pérdida deja, salvo constante, Σ[(βⱼ−zⱼ)²/2+λ|βⱼ|], con z=Xᵀy/n.

Por tanto β̂ⱼ=soft(zⱼ,λ).

Es una simplificación por diseño, no una fórmula general para columnas correlacionadas.

La esquina de la bola L uno permite un coeficiente cero
z=(3,1/2); λ=1dato z(2,0)||β||₁≤2soft(z,1)=(2,0)Un componente queda en la esquina.
Ejemplo bidimensional separable con dato z igual tres y un medio, y penalización lambda uno. El óptimo es dos y cero. Se dibuja la bola L uno de radio dos como un rombo y un contorno circular del error cuadrático centrado en z que la toca en el vértice dos cero. La escala es común en los dos ejes: el radio del círculo es raíz de cinco cuartos. Es una ilustración de geometría ortogonal, no una afirmación de que cualquier diseño correlacionado se resuelva aplicando soft directamente a cada coordenada. El radio de la restricción se ha elegido para corresponder a este óptimo penalizado.

Con p>n, todas las p columnas no pueden ser ortonormales. En un diseño general se usan residuos parciales, métodos de coordenadas o pasos proximales. La geometría de la bola L¹ ayuda a entender los ceros, pero no elimina los términos cruzados de la pérdida.

Un caso ortogonal con dos entradas

z=(3,1/2), λ=1 y XᵀX/n=I.

  1. Primera

    soft(3,1)=2.
  2. Segunda

    soft(1/2,1)=0.
  3. Resultado

    β̂=(2,0), con norma L¹ dos.
Resultado

La figura muestra ese óptimo en una esquina.

Lo comprobamos

La correspondencia con una restricción L¹ de radio dos pertenece a este ejemplo concreto.

Detectar que una fórmula separada ya no es válida

La matriz de Gram tiene filas (1,ρ) y (ρ,1), con ρ≠0.

  1. Pérdida

    El término cuadrático incluye ρβ₁β₂.

  2. Dependencia

    Cambiar β₁ altera la ecuación óptima de β₂.

  3. Conclusión

    No se minimizan dos problemas independientes con los z originales.

Resultado

Una actualización por coordenadas debe usar el residuo que dejan las otras.

Lo comprobamos

Si ρ=0, el acoplamiento desaparece.

5. El residuo óptimo satisface una correlación que podemos comprobar

Sea r=y−Xβ̂.

Las condiciones convexas necesarias y suficientes son X^\mathsf T r/n=\lambda s, con sⱼ=sign β̂ⱼ si β̂ⱼ≠0 y |sⱼ|≤1 si β̂ⱼ=0. Una coordenada nula puede ser óptima porque su correlación residual queda dentro de ese intervalo.

Un cero seleccionado no demuestra irrelevancia causal ni coeficiente verdadero cero. Con columnas idénticas, repartir una suma positiva entre ellas puede dejar la misma predicción y el mismo coste L¹. Las condiciones óptimas explican ese empate sin exigir una unicidad inexistente.

Comprobar dos coordenadas en el caso ortogonal

z=(3,1/2), λ=1 y β̂=(2,0).

  1. Correlación residual

    Como Gram=I, z−β̂=(1,1/2).
  2. Activa

    La primera coordenada cumple uno=λsign(2).
  3. Nula

    La segunda cumple |1/2|≤λ.
Resultado

Ambas condiciones certifican el óptimo.

Lo comprobamos

No se obliga a que una coordenada nula tenga correlación residual exactamente cero.

Un continuo de coeficientes óptimos

X=(1,1), n=1, y=3 y λ=1.

  1. Suma

    Para una suma c≥0, el coste mínimo L¹ posible es c.

  2. Óptimo de c

    soft(3,1)=2.
  3. Repartos

    Cualquier β₁,β₂≥0 con β₁+β₂=2 es óptimo.
Resultado

La predicción dos es única; los dos coeficientes no lo son.

Lo comprobamos

El mismo residuo uno satisface ambas condiciones con subgradientes admisibles.

6. Una cota estadística necesita controlar el ruido y un cono de direcciones

Sea β* disperso, S su soporte de tamaño s y Δ=β̂−β*.

La desigualdad básica de optimalidad y λ≥2||Xᵀε/n||∞ dan \|X\Delta\|_2^2/n+\lambda\|\Delta_{S^c}\|_1\le3\lambda\|\Delta_S\|_1. Como el primer término es no negativo, el error pertenece al cono ||ΔSc||₁≤3||ΔS||₁.

Supongamos además el autovalor restringido ||XΔ||²/n≥κ||Δ||² para ese cono, con κ>0.

Cauchy–Schwarz da ||Δ||₂≤3λ√s/κ y error de predicción en el diseño ||XΔ||²/n≤9sλ²/κ.

Son cotas bajo un evento de ruido y una geometría especificados; no garantizan recuperación en cualquier matriz.

Saber por qué falla la geometría con columnas duplicadas

S={1}, h=(1,−1) y columnas uno y dos idénticas.

  1. Cono

    ||hSc||₁=1≤3||hS||₁=3.
  2. Diseño

    Xh=0 aunque ||h||₂²=2.
  3. Fallo

    No existe κ>0 que dé 0≥κ·2 en esa dirección.
Resultado

La hipótesis restringida excluye precisamente una ambigüedad relevante.

Lo comprobamos

No basta que cada columna tenga norma positiva.

Una escala de ruido con hipótesis explícitas

Diseño fijo con ||Xⱼ||²/n≤1 y ε∼N(0,σ²I).

  1. Una coordenada

    Xⱼᵀε/n es normal de varianza como máximo σ²/n.

  2. Muchas coordenadas

    Una cota de colas normal y unión sobre p columnas controla su máximo por σ√(2log(2p/δ)/n), con probabilidad al menos 1−δ.

  3. Elegir

    Dos veces esa cota es una elección suficiente de λ para el evento usado arriba.

Resultado

La regla depende de σ, normalización, p y tolerancia δ∈(0,1).

Lo comprobamos

No equivale automáticamente al λ elegido por validación predictiva.

7. Predecir, seleccionar e inferir tienen criterios de éxito diferentes

Predecir compara respuestas o Xβ; seleccionar busca qué coeficientes son no nulos; inferir pretende intervalos o pruebas para un objetivo declarado. Una predicción buena no garantiza soporte exacto ni cobertura correcta de un intervalo.

Recuperación exacta del soporte suele necesitar señal mínima y condiciones adicionales de diseño. La penalización introduce sesgo. Seleccionar y luego aplicar fórmulas ordinarias como si el modelo estuviera fijado de antemano puede invalidar la inferencia. El error dentro del diseño tampoco garantiza por sí solo buen rendimiento en una población nueva.

Predecir igual con soportes opuestos

Dos columnas duplicadas y soluciones (2,0) y (0,2).

  1. Predicción

    Las dos dan la misma respuesta ajustada.

  2. Selección

    Una elige la primera variable y otra la segunda.

  3. Interpretación

    La igualdad predictiva no decide cuál soporte es verdadero.

Resultado

La diferencia entre objetivos no es una cuestión de presentación.

Lo comprobamos

Tampoco se deduce causalidad de cuál columna haya elegido un algoritmo.

Un cero no prueba una hipótesis estadística

Una señal escalar observada z=0,9 y umbral λ=1.

  1. Algoritmo

    soft(0,9;1)=0.
  2. Estadística

    Para probar un coeficiente verdadero necesitamos la ley del dato y un nivel de error.

  3. Fallo de inferencia automática

    El cálculo del umbral no proporciona por sí solo un valor p ni un intervalo.

Resultado

La selección es una decisión de estimación, no una prueba ya calibrada.

Lo comprobamos

La ley bajo hipótesis nula debe formar parte de la justificación.

8. Desesgar requiere controlar el resto de una identidad exacta

Con Gram G=XᵀX/n y una matriz auxiliar M, definimos β̃=β̂+MXᵀ(y−Xβ̂)/n. La descomposición exacta es \widetilde\beta-\beta^*=(I-MG)(\widehat\beta-\beta^*)+MX^\mathsf T\varepsilon/n. El segundo término es gaussiano condicionado en un diseño fijo si M depende solo de X y el ruido es gaussiano.

El resto de la coordenada j se acota por ||(I−MG)ⱼ·||∞||β̂−β*||₁. Con ε∼N(0,σ²I) y M dependiente solo de X, la varianza condicional del término de ruido j es \sigma^2(MGM^{\mathsf T})_{jj}/n. Para inferir, el resto debe ser despreciable respecto de esa escala de ruido, no solo pequeño sin escala.

Con M aleatoria dependiente también de y, la normalidad condicional no se afirma mediante el mismo argumento. Inferencia selectiva o separación de muestras tienen otros marcos propios.

Una comprobación en el caso ortogonal

G=I y M=I.

  1. Resto

    I−MG=0.
  2. Corregir

    β̃=β̂+Xᵀy/n−β̂=Xᵀy/n.
  3. Resultado

    Se recupera el estimador no penalizado z, eliminando el sesgo del umbral en este diseño.

Resultado

La corrección puede perder ceros y aumentar variación.

Lo comprobamos

No se ha demostrado que M=I funcione en un diseño general.

Un resto pequeño necesita compararse con su error estándar

Error estándar de orden n⁻¹ᐟ²; resto de orden n⁻¹ᐟ⁴.

  1. Sin escala

    El resto tiende a cero.

  2. Comparar

    Su cociente con n⁻¹ᐟ² tiene orden n¹ᐟ⁴.

  3. Inferencia

    No es despreciable a la escala requerida para una normal centrada.

Resultado

Corregir algo de sesgo no demuestra una expansión inferencial válida.

Lo comprobamos

También hacen falta control de la varianza y sus estimaciones.

9. La multiplicidad y la población de destino se declaran antes de interpretar resultados

Probar muchas coordenadas añade el problema de falsos positivos múltiples. Incluso intervalos marginales válidos no forman automáticamente una cobertura simultánea para todos los coeficientes. La selección, el nivel y el conjunto de hipótesis evaluadas deben quedar definidos.

Al predecir fuera de la muestra, importa la relación entre diseño observado y distribución futura. Una dirección que no varía en entrenamiento puede variar después. La calidad de un ajuste, la identificación de un coeficiente y el comportamiento fuera de muestra requieren comprobaciones distintas.

Muchas pruebas de nivel marginal

Cien pruebas, cada una con probabilidad de falso positivo como máximo 0,05 bajo su nula.

  1. Cota global

    La unión da una cota máxima cien por 0,05, que se trunca en uno y no asegura un 5 % global.

  2. Bonferroni

    Un nivel 0,05/100=0,0005 por prueba controla la probabilidad de al menos un falso positivo por 0,05.

  3. Alcance

    No se exige independencia para esa cota de unión.

Resultado

La calibración marginal y la familiar son diferentes.

Lo comprobamos

La selección previa también debe incorporarse al procedimiento usado.

Iguales en entrenamiento, distintas fuera

Dos columnas fueron idénticas en los datos observados y difieren en la nueva población.

  1. Dentro

    No se distinguían β=(2,0) y γ=(0,2).
  2. Fuera

    Si las nuevas covariables son (1,0), las predicciones son dos y cero.

  3. Conclusión

    La equivalencia del ajuste observado no garantiza equivalencia predictiva en ese cambio de población.

Resultado

El contexto de uso forma parte de la evaluación.

Lo comprobamos

La penalización no crea los datos faltantes en una dirección nunca observada.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Umbral positivo

Calcula soft(5,2).

  1. Definición

    soft(z,λ)=sign(z)max(|z|−λ,0).
  2. Datos

    z=5 y λ=2.
  3. Módulo

    |5|−2=3.
  4. Máximo

    max(3,0)=3.
  5. Signo

    sign(5)=1, así el resultado es tres.
  6. Comprobar

    El óptimo positivo cumple b−5+2=0, que da b=3.
Resultado

El coeficiente es 3.

Lo comprobamos

La penalización reduce el valor original en 2.

EJEMPLO RESUELTO 2

Anulación

Calcula soft(−1,3).

  1. Datos

    z=−1 y λ=3.
  2. Tamaño

    |−1|=1, menor que tres.
  3. Restar

    |z|−λ=1−3=−2.
  4. Máximo

    max(−2,0)=0.
  5. Resultado

    El coeficiente queda en cero.

  6. Comprobar

    La correlación escalar |z|≤λ cumple la condición subgradiente en cero.

Resultado

El coeficiente queda anulado.

Lo comprobamos

El umbral supera el tamaño observado.

Los símbolos que hemos usado

n / p
Número de observaciones / número de coeficientes del modelo.
X
Matriz de diseño de tamaño n×p.
β
Vector de coeficientes; β* denota un valor verdadero cuando se supone ese modelo.
Dispersión s
Número de coeficientes no nulos, o estructura aproximadamente dispersa declarada.
‖β‖₁
Suma de los valores absolutos de sus componentes.
λ≥0
Intensidad de la penalización, dependiente de la normalización de la pérdida.
Subgradiente
Pendiente generalizada de una función convexa; para |b| en cero es [−1,1].
Soporte
Conjunto de índices de coeficientes no nulos.

Ahora te toca a ti.

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

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