Variance in GLM with penalty

理解

estimator param的variance到底意味着什么,我们为什么需要研究它?当代工业界复杂模型(namely DNN)的variance如何,为何需要Shrinkage,bias&variance与模型复杂度,样本包含信息量的关系?

  • 1、多次采样,估计值的离散程度。Sampling variability
    其实\hat \beta的Variance很好理解,就是如果我们从相同总体中,多次抽样(不同样本),然后做相同的估计流程,最后得到的参数\hat \beta_1,\hat \beta_2,\hat \beta_3...\hat \beta_n的离散程度。如果这个离散程度越小,那么我们的估计越“稳定”,同时可以推导出相同输入时,outcome的估计\hat Y也越“稳定”。
    因此,我们可以用这个离散程度,来进行区间估计,获得\hat Y的confidence Interval。

  • 2、现代的大规模深度学习,往往有非常小的bias,但是有很大的variance。
    Deep learning is an applied statistics with less emphasis on confidence intervals。
    对于现代DNN,我们更注重于模型的拟合,表达能力。而选择性忽略了其在区间估计上的不足。
    对于DNN来说,我们的目标往往是优化泛化误差:generalization\ error = bias + variance + irreducible\ error,即优化bias and variance simultaneously。
    往往我们DNN超参的选择上,会选择使模型获得最小化泛化误差的参数。
    手段:
    a、改变模型复杂度。模型越复杂(即越flexible),越能获得更小的bias,同时variance可能会更大。(对于特别复杂,包含信息量很高的数据,我们往往需要很复杂的模型以获得更小的bias。)
    b、调整Shrinkage Factor。shrinkage缩小了样本采样带来的变化(reduction in the effects of sampling variation),即降低了variance。常见的Lasso,Ridge,都是牺牲一定的bias,以达到更小的variance。我们的L1,L2penalties 都是种隐式的Shrinkage。
    c、收集更多数据。更多的数据,能降低variance[3]。一般来说,只有我们的泛化误差largely be defined by variance的情况下,收集更多数据才有用。对于high bias model或者数据本身包含的信息量就很少的状况来说,提升数据也没有啥用。
    评估与观测方法:
    一般我们用learning curve来确定数据量,用cross validation来确定模型的超参。所以一般用cv error,train error一起做learning curve
    纵坐标一般都是error(test error,train error,cv error)。横坐标epoch轮数/batch轮数 ,用于设定学习率,训练轮数。横坐标dataset size[],用于决定数据量。横坐标shrinkage factor/model size,能得到与dataset size相似的图像,权衡bias&variance。
    注意:由于我们sampling variability的存在,我们总是需要CV来验证。即使我们数据量非常大,严谨来讲通常也需要用CV,因为对于大量的数据,我们模型往往也很大,所以其flexibility 也很高,潜在的variance也是巨大的。

  • 3、思考:
    由于工业界数据的复杂性,真实因素的多样性,以及数据信息量的巨大性。因此复杂的模型才会大行其道。
    在追求泛化误差最小为目标的情况下,我们只关心最终的泛化误差,而不会精准拆解出其中的bias或者varianc。但是当有偏Bias,或者Variance成为问题时,我们会进行优化,譬如如下场景:
    a、在我们常见的EE问题中,大部分情况下,其中核心要解决的也是sampling variability,即降低variance
    b、而我们需要去偏的场景,往往也是因为譬如“特征缺失“,以及某些特定条件导致的样本本身有偏。可能导致的系统性问题。具体可见:https://www.jianshu.com/p/7daf4789c24c【这里最后的讨论也可见,在prediction与inference任务中,对bias与variance有明显的偏好】

Ridge Regression[1][2]

  • 1、有偏
    \mathbb E(\hat \beta) \neq \beta
  • 2、Bias随着\lambda的增大而增大
    \mathbb E(\hat \beta) = \beta - \lambda (X^TX + \lambda I)^{-1} \beta
  • 3、方差小于OLS
    Var(\hat \beta_{OLS}) \geq Var(\hat \beta_{Ridge})
  • 4、方差随着\lambda的增大而减小
    TODO

Logistics Regression with l2 penalty

由于Fisher Information是对于无偏估计量,可以用\mathbb I^{-1}来计算variance的下界(可见:https://www.jianshu.com/p/1dbd868e541a)。所以对于有偏估计来说,严格意义上来讲我们不能此来做variance的估计。
TODO
PS:由于上述的penalty都和\beta大小有关,所以是量纲敏感的,因此我们对于这种模型通常都要做归一化

Refer
[1],ridge regression中相关推导
Lecture notes on ridge regression

[2]
shrinkage 方向:
PCA与样本协方差:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/132275334

[3]
Shrinkage estimator:
https://en.wikipedia.org/wiki/Shrinkage_(statistics)
sample variance 的估计量:选择除数以达到更小的variance
https://en.wikipedia.org/wiki/Mean_squared_error#Variance

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 205,386评论 6 479
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 87,939评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 151,851评论 0 341
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,953评论 1 278
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,971评论 5 369
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,784评论 1 283
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 38,126评论 3 399
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,765评论 0 258
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 43,148评论 1 300
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,744评论 2 323
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,858评论 1 333
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,479评论 4 322
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 39,080评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 30,053评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,278评论 1 260
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 45,245评论 2 352
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,590评论 2 343

推荐阅读更多精彩内容