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184 / APPROXIMATION AND KERNEL LAB
먼저 알아두면 좋아요 · 연결된 선수 단원의 함수 공간·확률·행렬과 손실 정의
단원 목록 (600) · 근사·추정·최적화 오차의 정확한 구분
이해하는 속도로 읽으세요.개념도이론실험확인 문제
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먼저 그림으로 이해하기

한 번에 한 단계씩 살펴보세요.

모집단·경험 위험을 구분하고 잘못된 세 비음수 항의 합을 피합니다.

Population X uniform on {−1,+1}, Y=X. Constant hypothesis class; 16 training observations with K=12 positives. Blue: population MSE; orange: empirical MSE. The population difference to ERM is signed; empirical optimization excess is nonnegative.

-113.150
가로 상수 가설 c · 세로 MSE · 파랑 모집단 위험 · 주황 경험 위험 · 점 현재 모집단 위험
componentvalue
approximation1
realized estimation0.25
signed population optimization difference-0.25
sum of the three signed components1
actual population risk1
empirical optimization excess0.25

approximation excess risk = 1

고정 기준 예제의 그림과 수치입니다. 각 단계에서 같은 그림의 의미를 차례로 살펴보세요. 고정된 기준 예제이며 아래 실험의 설정과 독립적입니다.
1 / 4

가설 제약

참 함수 Y=X를 상수만으로 근사하면 최소 위험은 1입니다.

inf_c R(c)=1

실험에서 확인하기 →
이 단원 목차

세 종류의 오차가 서로 다른 비교 대상을 가진다

모집단은 X∈{−1,+1}에 같은 확률을 주고 Y=X입니다. 참 함수는 위험 0을 갖지만 가설을 상수 c로 제한하면 모집단 MSE가 R(c)=1+c²입니다. 최선 상수는 0이므로 근사 초과 위험은 1입니다.

R(c)=E(c−X)2=1+c2,inf⁡cR(c)=1.R(c)=E(c-X)^2=1+c^2,\qquad\inf_cR(c)=1.

16개 훈련 관측 중 K개가 +1이면 표본 평균은 μ=2K/16−1입니다. 경험 위험 Rₙ(c)=1+c²−2μc의 ERM은 μ이고 그 모집단 추정 초과 위험은 μ²입니다. 독립 공정 표본 아래 Eμ²=1/16이지만 한 실현의 값은 다릅니다.

경험 위험을 실제로 최적화하기

손실 Rₙ/2를 사용하면 gradient는 c−μ입니다. 초기 c₀에서 고정 학습률 η로 t번 갱신한 값은 다음과 같습니다.

ct=μ+(c0−μ)(1−η)t.c_t=\mu+(c_0-\mu)(1-\eta)^t.

경험 최적화 초과량은 Rₙ(cₜ)−Rₙ(μ)=(cₜ−μ)²로 항상 비음수입니다. 하지만 모집단의 ERM 대비 차이 R(cₜ)−R(μ)=cₜ²−μ²는 음수일 수 있습니다. 두 양을 같은 “최적화 오차”로 부르면 틀린 항등식을 만들게 됩니다.

정확한 수치 반례

K=12이면 μ=.5입니다. c₀=0,t=0에서는 근사 1, ERM 추정 .25, ERM 대비 부호 있는 모집단 차이 −.25여서 현재 위험은 1입니다. 반면 경험 최적화 초과량은 .25입니다.

R(ct)=1+μ2+(ct2−μ2).R(c_t)=1+\mu^2+(c_t^2-\mu^2).

η=.5,t=8이면 경험 최적화 초과량은 약 3.81×10⁻⁶으로 줄지만 모집단 위험은 약 1.248이 됩니다. 이 한 자료에서는 ERM으로 더 잘 최적화할수록 참 모집단 최선에서 멀어질 수 있습니다. 이는 조기 종료가 항상 좋다는 일반 정리도 아닙니다.

비음수 경계와 정확한 분해를 구분하기

일반 학습 이론에서는 경험 최적화 오차와 uniform deviation을 사용해 모집단 위험을 상계할 수 있습니다. 현재 가설 c∈[−1,1]에서 다음 전형적 형태를 생각할 수 있습니다.

R(ct)−inf⁡HR≤2sup⁡c∈H∣R(c)−Rn(c)∣+ϵopt.R(c_t)-\inf_HR\le2\sup_{c\in H}|R(c)-R_n(c)|+\epsilon_{\rm opt}.

이 경계를 근사 초과 위험에 더하면 총 위험의 비음수 상계가 되지만 세 양의 정확한 합 항등식은 아닙니다. 파랑은 모집단, 주황은 경험 위험, 점은 현재 cₜ의 모집단 위험입니다. 표는 정확한 부호 있는 합과 비음수 경험 최적화 초과량을 따로 보여 줍니다.

확인 문제와 해설

  1. K=8이면 ERM 추정 초과 위험은? 0입니다. 표본 평균이 모집단 최선과 같습니다.
  2. 경험 최적화 초과량이 0이면 총 위험도 0인가요? 아니요. 근사 제한 1과 표본 효과가 남습니다.
  3. Eμ²=1/16은 현재 K 하나의 값인가요? 아니요. 독립 공정 표본의 모든 가능한 훈련 실현에 대한 평균입니다.

추가 읽기: MIT 9.520, Statistical Learning Theory.

CHECK YOUR UNDERSTANDING

설명할 수 있나요?

실험 설정과 무관한 기준 예제를 묻습니다. 답을 고르고 설명을 확인해보세요.

1. ERM에 가까워지면 모집단 위험도 항상 감소하나요?
2. 경험 최적화 초과량이 음수가 될 수 있나요?

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