第六章

1 感知器（perceptron）和大型边界分类器（large margin classifiers）

本章是讲义中关于学习理论的最后一部分，我们来介绍另外机器学习模式。在之前的内容中，我们考虑的都是批量学习的情况，即给了我们训练样本集合用于学习，然后用学习得到的假设 $h$ 来评估和判别测试数据。在本章，我们要讲一种新的机器学习模式：在线学习，这种情况下，我们的学习算法要在进行学习的同时给出预测。

学习算法会获得一个样本序列，其中内容为有次序的学习样本，$(x^{(1)},y^{(1)}), (x^{(2)},y^{(2)}), ...(x^{(m)},y^{(m)})$。最开始获得的就是$x^{(1)}$，然后需要预测$y^{(1)}$。在完成了这个预测之后，再把$y^{(1)}$的真实值告诉给算法（然后算法就利用这个信息来进行某种学习了）。接下来给算法提供$x^{(2)}$，再让算法对$y^{(2)}$进行预测，然后再把$y^{(2)}$ 的真实值告诉给算法，这样算法就又能学习到一些信息了。这样的过程一直持续到最末尾的样本$(x^{(m)},y^{(m)})$。在这种在线学习的背景下，我们关心的是算法在此过程中出错的总次数。因此，这适合需要一边学习一边给出预测的应用情景。

接下来，我们将对感知器学习算法（perceptron algorithm）的在线学习误差给出一个约束。为了让后续的推导（subsequent derivations）更容易，我们就用正负号来表征分类标签，即设 $y =\in {-1, 1}$。

回忆一下感知器算法（在第二章中有讲到），其参数 $\theta \in R^{n+1}$，该算法据下面的方程来给出预测：

$$ h_\theta(x)=g(\theta^T x)\qquad (1) $$

其中：

$$ g(z)= \begin{cases} 1 & if\quad z\ge 0 \ -1 & if\quad z<0 \end{cases} $$

然后，给定一个训练样本 $(x, y)$，感知器学习规则（perceptron learning rule）就按照如下所示来进行更新。如果 $h_\theta(x) = y$，那么不改变参数。若二者相等关系不成立，则进行更新$^1$:

$$ \theta :=\theta+yx $$

1 这和之前我们看到的更新规则（update rule）的写法稍微有一点点不一样，因为这里我们把分类标签（labels）改成了 $y \in {-1, 1}$。另外学习速率参数（learning rate parameter） $\alpha$ 也被省去了。这个速率参数的效果只是使用某些固定的常数来对参数 $\theta$ 进行缩放，并不会影响生成器的行为效果。

当感知器算法作为在线学习算法运行的时候，每次对样本给出错误判断的时候，则更新参数，下面的定理给出了这种情况下的在线学习误差的约束边界。要注意，下面的错误次数的约束边界与整个序列中样本的个数 $m$ 不具有特定的依赖关系（explicit dependence），和输入特征的维度 $n$ 也无关。

定理 (Block, 1962, and Novikoff, 1962)。 设有一个样本序列：$(x^{(1)},y^{(1)}), (x^{(2)},y^{(2)}), ...(x^{(m)},y^{(m)})$。假设对于所有的 $i$ ，都有 $||x^{(i)}|| \le D$，更进一步存在一个单位长度向量 $u (||u||_2 = 1)$ 对序列中的所有样本都满足 $y(i) \cdot (u^T x^{(i)}) \ge \gamma$（例如，如果$y^{(i)} = 1$，则$u^T x^{(i)} \ge \gamma$, 而如果 $y^{(i)} = -1$，则 $u^T x^{(i)} \le -\gamma$，以便 $u$ 就以一个宽度至少为 $\gamma$ 的边界分开了样本数据）。而此感知器算法针对这个序列给出错误预测的总数的上限为 $(D/\gamma)^2$ 。

证明: 感知器算法每次只针对出错的样本进行权重更新。设 $\theta(k)$ 为犯了第 $k$ 个错误（k-th mistake）的时候的权重。则 $\theta^{(1)} = -\theta$（因为初始权重为零），若第 $k$ 个错误发生在样本 $(x^{(i)},y^{(i)})$，则$g((x(i))^T \theta^{(k)}) \ne y^{(i)}$，也就意味着：

$$ (x^{(i)})^T\theta^{(k)}y^{(i)}\le 0\qquad(2) $$

另外根据感知器算法的定义，我们知道 $\theta^{(k+1)} = \theta^{(k)} + y^{(i)}x^{(i)}$ 然后就得到：

$$ \begin{aligned} (\theta^{(k+1)})^T u &= (\theta^{(k)})^T u + y^{(i)}(x^{(i)})^T u\ &\ge (\theta^{(k)})^T u + \gamma \end{aligned} $$

利用一个简单的归纳法（straightforward inductive argument）得到：

$$ (\theta^{(k+1)})^T u \ge k\gamma\qquad (3) $$

还是根据感知器算法的定义能得到：

$$ \begin{aligned} ||\theta^{(k+1)}||^2 &= ||\theta^{(k)} + y^{(i)}x^{(i)}||^2 \ &= ||\theta^{(k)}||^2 + ||x^{(i)}||^2 + 2y^{(i)}(x^{(i)})^T\theta^{(k)} \ &\le ||\theta^{(k)}||^2 + ||x^{(i)}||^2 \ &\le ||\theta^{(k)}||^2 + D\qquad\qquad(4) \end{aligned} $$

上面这个推导过程中，第三步用到了等式(2)。另外这里还要使用一次简单归纳法，上面的不等式(4) 表明：

$$ ||\theta^{(k+1)}||^2 \le KD^2 $$

把上面的等式 (3) 和不等式 (4) 结合起来：

$$ \begin{aligned} \sqrt{k}D &\ge ||\theta^{(k+1)}|| \ &\ge (\theta^{(k+1)})^T u \ &\ge k\gamma \end{aligned} $$

上面第二个不等式是基于 $u$ 是一个单位长度向量（$z^T u = ||z||\cdot ||u|| cos \phi\le ||z||\cdot ||u||$，其中的$\phi$是向量 $z$ 和向量 $u$ 的夹角）。结果则表明 $k\le (D/\gamma)^2$。因此，如果感知器犯了一个第 $k$ 个错误，则 $k\le (D/\gamma)^2$。