Noções básicas sobre derivação de troca de polarização e desvio

Estou lendo o capítulo da troca de viés e variação de Os elementos do aprendizado estatístico e tenho dúvidas na fórmula da página 29. Deixe os dados surgirem de um modelo tal que onde é aleatório número com valor esperado e variância . Seja o valor esperado do erro do modelo onde é a previsão de do nosso aluno. De acordo com o livro, o erro é

Y = f (x) + ϵ

$Y = f(x)+\epsilon$

ϵ

$\epsilon$

\hat{ϵ} = E [ϵ] = 0

$\hat{\epsilon} = E[\epsilon]=0$

E [(ϵ - \hat{ϵ})^{2}] = E [ϵ^{2}] = σ^{2}

$E[(\epsilon - \hat\epsilon)^2]=E[\epsilon^2]=\sigma^2$

E [(Y - f_{k} (x))^{2}]

$E[(Y-f_k(x))^2]$

f_{k} (x)

$f_k(x)$

x

$x$

E [(Y - f_{k} (x))^{2}] = σ^{2} + B i a s (f_{k})^{2} + V a r (f_{k} (x)) .

$E[(Y-f_k(x))^2]=\sigma^2+Bias(f_k)^2+Var(f_k(x)).$

Minha pergunta é por que o termo viés não é 0? desenvolvendo a fórmula do erro, vejo

E [(Y - f_{k} (x))^{2}] = E [(f (x) + ϵ - f_{k} (x))^{2}] = E [(f (x) - f_{k} (x))^{2}] + 2 E [(f (x) - f_{k} (x)) ϵ] + E [ϵ^{2}] = V a r (f_{k} (x)) + 2 E [(f (x) - f_{k} (x)) ϵ] + σ^{2}

$E[(Y-f_k(x))^2]=\\ E[(f(x)+\epsilon-f_k(x))^2]=\\ E[(f(x)-f_k(x))^2]+2E[(f(x)-f_k(x))\epsilon]+E[\epsilon^2]=\\ Var(f_k(x))+2E[(f(x)-f_k(x))\epsilon]+\sigma^2$

como $\epsilon$ é um número aleatório independente $2E[(f(x)-f_k(x))\epsilon]=2E[(f(x)-f_k(x))]E[\epsilon]=0$

Onde eu estou errado?

— emanuele
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Respostas:

Você não está errado, mas cometeu um erro em uma etapa desde $E[(f(x)-f_k(x))^2] \ne Var(f_k(x))$ . $E[(f(x)-f_k(x))^2]$ é $\text{MSE}(f_k(x)) = Var(f_k(x)) + \text{Bias}^2(f_k(x))$ .

\begin{aligned} E [(Y - f_{k} (x))^{2}] & = E [(f (x) + ϵ - f_{k} (x))^{2}] \\ = E [(f (x) - f_{k} (x))^{2}] + 2 E [(f (x) - f_{k} (x)) ϵ] + E [ϵ^{2}] \\ = E [{(f (x) - E (f_{k} (x)) + E (f_{k} (x)) - f_{k} (x))}^{2}] + 2 E [(f (x) - f_{k} (x)) ϵ] + σ^{2} \\ = V a r (f_{k} (x)) + {Bias}^{2} (f_{k} (x)) + σ^{2} . \end{aligned}

$\begin{align*} E[(Y-f_k(x))^2]& = E[(f(x)+\epsilon-f_k(x))^2] \\ &= E[(f(x)-f_k(x))^2]+2E[(f(x)-f_k(x))\epsilon]+E[\epsilon^2]\\ &= E\left[\left(f(x) - E(f_k(x)) + E(f_k(x))-f_k(x) \right)^2 \right] + 2E[(f(x)-f_k(x))\epsilon]+\sigma^2 \\ & = Var(f_k(x)) + \text{Bias}^2(f_k(x)) + \sigma^2. \end{align*}$

Nota: $E[(f_k(x)-E(f_k(x)))(f(x)-E(f_k(x))] = E[f_k(x)-E(f_k(x))](f(x)-E(f_k(x))) = 0.$

— Greenparker
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Em caso de resultados binários, existe uma prova equivalente com entropia cruzada como medida de erro?

— Emanuele

Não funciona tão bem com uma resposta binária. Ver Ex 7.2 na segunda edição de "The Elements of Statistical Learning".

— Matthew Drury

você poderia explicar como você vai de para ?

E [{(f (x) - E (f_{k} (x)) + E (f_{k} (x)) - f_{k} (x))}^{2}] + 2 E [(f (x) - f_{k} (x)) ϵ] + σ^{2}

$E\left[\left(f(x) - E(f_k(x)) + E(f_k(x))-f_k(x) \right)^2 \right] + 2E[(f(x)-f_k(x))\epsilon]+\sigma^2$

V a r (f_{k} (x)) + {Bias}^{2} (f_{k} (x)) + σ^{2}

$Var(f_k(x)) + \text{Bias}^2(f_k(x)) + \sigma^2$

— Antoine

Mais alguns passos da decomposição de Polarização - Variância

De fato, a derivação completa raramente é dada em livros didáticos, pois envolve muita álgebra pouco inspiradora. Aqui está uma derivação mais completa usando a notação do livro "Elements of Statistical Learning" na página 223

Se assumirmos que e e , podemos derivar a expressão para o erro de previsão esperado de um ajuste de regressão em uma entrada usando perda de erro ao quadrado $Y = f(X) + \epsilon$ $E[\epsilon] = 0$ $Var(\epsilon) = \sigma^2_\epsilon$ $\hat f(X)$ $X = x_0$

E r r (x_{0}) = E [(Y - \hat{f} (x_{0}))^{2} | X = x_{0}]

$Err(x_0) = E[ (Y - \hat f(x_0) )^2 | X = x_0]$

Para simplicidade de notação deixar , e recordação que e $\hat f(x_0) = \hat f$ $f(x_0) = f$ $E[f] = f$ $E[Y] = f$

\begin{aligned} E [(Y - \hat{f})^{2}] & = E [(Y - f + f - \hat{f})^{2}] \\ = E [(y - f)^{2}] + E [(f - \hat{f})^{2}] + 2 E [(f - \hat{f}) (y - f)] \\ = E [(f + ϵ - f)^{2}] + E [(f - \hat{f})^{2}] + 2 E [f Y - f^{2} - \hat{f} Y + \hat{f} f] \\ = E [ϵ^{2}] + E [(f - \hat{f})^{2}] + 2 (f^{2} - f^{2} - f E [\hat{f}] + f E [\hat{f}]) \\ = σ_{ϵ}^{2} + E [(f - \hat{f})^{2}] + 0 \end{aligned}

$\begin{aligned} E[ (Y - \hat f)^2 ] &= E[(Y - f + f - \hat f )^2] \\ & = E[(y - f)^2] + E[(f - \hat f)^2] + 2 E[(f - \hat f)(y - f)] \\ & = E[(f + \epsilon - f)^2] + E[(f - \hat f)^2] + 2E[fY - f^2 - \hat f Y + \hat f f] \\ & = E[\epsilon^2] + E[(f - \hat f)^2] + 2( f^2 - f^2 - f E[\hat f] + f E[\hat f] ) \\ & = \sigma^2_\epsilon + E[(f - \hat f)^2] + 0 \end{aligned}$

Para o termo , podemos usar um truque semelhante ao descrito acima, adicionando e subtraindo para obter $E[(f - \hat f)^2]$ $E[\hat f]$

\begin{aligned} E [(f - \hat{f})^{2}] & = E [(f + E [\hat{f}] - E [\hat{f}] - \hat{f})^{2}] \\ = E {[f - E [\hat{f}]]}^{2} + E {[\hat{f} - E [\hat{f}]]}^{2} \\ = {[f - E [\hat{f}]]}^{2} + E {[\hat{f} - E [\hat{f}]]}^{2} \\ = B i a s^{2} [\hat{f}] + V a r [\hat{f}] \end{aligned}

$\begin{aligned} E[(f - \hat f)^2] & = E[(f + E[\hat f] - E[\hat f] - \hat f)^2] \\ & = E \left[ f - E[\hat f] \right]^2 + E\left[ \hat f - E[ \hat f] \right]^2 \\ & = \left[ f - E[\hat f] \right]^2 + E\left[ \hat f - E[ \hat f] \right]^2 \\ & = Bias^2[\hat f] + Var[\hat f] \end{aligned}$

Juntar as peças

E [(Y - \hat{f})^{2}] = σ_{ϵ}^{2} + B i a s^{2} [\hat{f}] + V a r [\hat{f}]

$E[ (Y - \hat f)^2 ] = \sigma^2_\epsilon + Bias^2[\hat f] + Var[\hat f]$

Alguns comentários sobre por que $E[\hat f Y] = f E[\hat f]$

Retirado de Alecos Papadopoulos aqui

Lembre-se de que é o preditor que construímos com base nos pontos de dados para que possamos escrever para lembrar disso. $\hat f$ $m$ $\{(x^{(1)},y^{(1)}),...,(x^{(m)},y^{(m)}) \}$ $\hat f = \hat f_m$

Por outro lado, é a previsão que estamos fazendo em um novo ponto de dados usando o modelo construído nos pontos de dados acima. Portanto, o erro médio quadrático pode ser escrito como $Y$ $(x^{(m+1)},y^{(m+1)})$ $m$

E [{\hat{f}}_{m} (x^{(m + 1)}) - y^{(m + 1)}]^{2}

$E[\hat f_m(x^{(m+1)}) - y^{(m+1)}]^2$

Expandindo a equação da seção anterior

E [{\hat{f}}_{m} Y] = E [{\hat{f}}_{m} (f + ϵ)] = E [{\hat{f}}_{m} f + {\hat{f}}_{m} ϵ] = E [{\hat{f}}_{m} f] + E [{\hat{f}}_{m} ϵ]

$E[\hat f_m Y]=E[\hat f_m (f+ \epsilon)]=E[\hat f_m f+\hat f_m \epsilon]=E[\hat f_m f]+E[\hat f_m \epsilon]$

A última parte da equação pode ser vista como

E [{\hat{f}}_{m} (x^{(m + 1)}) \cdot ϵ^{(m + 1)}] = 0

$E[\hat f_m(x^{(m+1)}) \cdot \epsilon^{(m+1)}] = 0$

Como fazemos as seguintes suposições sobre o ponto : $x^{(m+1)}$

Foi não utilizado na construção $\hat f_m$
É independente de todas as outras observações $\{(x^{(1)},y^{(1)}),...,(x^{(m)},y^{(m)}) \}$
É independente de $\epsilon^{(m+1)}$

Outras fontes com derivações completas

— Xavier Bourret Sicotte
fonte

Por que ? Eu não acho que e são independentes, uma vez que é essencialmente construída usando .

E [\hat{f} Y] = f E [\hat{f}]

$E[\hat{f}Y]=f E[\hat{f}]$

Y

$Y$

\hat{f}

$\hat{f}$

\hat{f}

$\hat{f}$

Y

$Y$

— Felipe Pérez

Mas a questão é essencialmente a mesma, por que ? A aleatoriedade de vem do erro então não vejo por que e seriam independentes e, portanto, .

E [\hat{f} ϵ] = 0

$E[\hat{f}\epsilon]=0$

\hat{f}

$\hat{f}$

ϵ

$\epsilon$

\hat{f}

$\hat{f}$

ϵ

$\epsilon$

E (\hat{f} ϵ) = 0

$\mathbb{E}(\hat{f}\epsilon)=0$

— Felipe Pérez

Pela sua precisão, parece que a perspectiva dentro da amostra versus fora da amostra é crucial. É tão? Se trabalharmos apenas na amostra e, então, ver como residual, o tradeoff da variação de viés desaparece?

ϵ

$\epsilon$

— markowitz

@ FelipePérez até onde eu entendi, a aleatoriedade de vem da divisão de teste de trem (que pontos terminaram no conjunto de treinamento e deram como o preditor treinado). Em outras palavras, a variação de vem de todos os subconjuntos possíveis de um determinado conjunto de dados fixo que podemos usar como conjunto de treinamento. Como o conjunto de dados é fixo, não há aleatoriedade vinda de e, portanto, e são independentes.

\hat{f}

$\hat{f}$

\hat{f}

$\hat{f}$

\hat{f}

$\hat{f}$

ϵ

$\epsilon$

\hat{f}

$\hat{f}$

ϵ

$\epsilon$

— Alberto Santini

Noções básicas sobre derivação de troca de polarização e desvio

Mais alguns passos da decomposição de Polarização - Variância

Alguns comentários sobre por queE[ f^Y] = fE[ f^]E[f^Y]=fE[f^]E[\hat f Y] = f E[\hat f]

Outras fontes com derivações completas

Alguns comentários sobre por que $E[\hat f Y] = f E[\hat f]$