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知道坐哪条地铁,怎样预测通勤时间?#
四种等概率情况的通勤时间为 1、3、2、6 个单位。你不知道当天具体是哪种情况,只知道它属于前两种的 A 线,还是后两种的 B 线。
只用这条信息,A 线报 2、B 线报 4,会使平均平方误差最小。你不能根据不知道的那一格偷偷改预测,所以允许方案必须写成 (a,a,b,b)。
条件期望就在表达这种信息限制下的最佳预测。线性代数的投影在这里重新出现:“允许使用的信息”决定了子空间,“均方误差”决定了距离。
四种通勤情况,最佳预测怎样算#
允许预测为 (a,a,b,b),平均平方误差是
L(a,b)=4(1−a)2+(3−a)2+(2−b)2+(6−b)2.前两项合为 2(a−2)2+2,后两项合为 2(b−4)2+8。所以
L(a,b)=21(a−2)2+21(b−4)2+25.最小值在 (a,b)=(2,4) 取得,为 5/2。两条线路内部仍有你不知道的波动,最后这一项就是在当前信息限制下无法消除的误差。

信息更多为什么预测通常更好#
若新增信息能区分四种情况,你可以直接报 (1,3,2,6),误差为零。若没有任何线路信息,只能报一个常数,最优为整体均值 3,误差为 (4+0+1+9)/4=3.5。
从没信息到线路信息,再到完整信息,允许预测的集合逐步扩大,最佳距离不会增大。这就是条件期望的投影图像:信息越丰富,子空间越大,最小均方误差越小或相同。
塔式性质则说明:先做精细预测,再只保留粗信息,结果与直接做粗预测一致。比如先知道四格后再忘记具体哪格,只保留线路,仍回到 (2,2,4,4)。
线性回归为什么可能漏掉已知信息#
若只允许预测 a+bZ,你是在选一个两维预测空间。即使 Z 完整已知,真正的条件均值也可能是 Z2、分段函数或其他形状。没有理由一定落在直线模型里。
因此回归模型的误差可能来自两方面:信息本身不够,以及你限制了使用信息的函数形状。条件期望对应所有平方可积可测预测中的最优,不等于任何固定形式的线性回归。
核方法怎样把复杂函数学习变成有限张表#
在 RKHS 中,每个样本点 ti 对应一个函数方向 kti。把候选 f 拆为样本核方向内的部分与垂直部分。垂直部分在全部训练点都为零,所以既不能改善训练误差,还增加范数惩罚。
于是最优解只需 N 个系数。有限维化来自“损失只看这 N 个点”和“范数惩罚排除无用方向”,并非无限维函数自动都能用 N 个数精确表示。这条推理是核方法最值得掌握的结构,而不是单独背最后的矩阵公式。
带你做:多知道一条信息,到底省掉多少误差#
四格通勤例子中,无信息时最佳预测为常数 3,误差为 3.5;知道线路后预测为 (2,2,4,4),误差为 2.5。改善量为 1。
两种预测之间的均方差为 [(2−3)2+(2−3)2+(4−3)2+(4−3)2]/4=1,恰好等于改善量。这是嵌套子空间投影的勾股分解。
因此新增信息的价值,在平方损失下可以量化为预测本身改变了多少。若新增信息没有改变条件均值,最佳均方误差也不会因此改善,即使这条信息对别的预测目标可能仍有用。
别把这个结论扩展成“信息没有价值”。我们只分析了当前变量、当前可用信息与平方损失。改成异常风险、分位数或其他决策代价,最佳预测和信息价值都可能不同。
回头整理:定义、工具与练习#
随机变量是一支看不见的向量#
在概率空间上,平方可积随机变量的等价类构成 L2(Ω),内积为 ⟨X,Y⟩=E[XY]。范数是均方根。
取实随机变量并中心化,协方差就是内积:Cov(X,Y)=⟨X−EX,Y−EY⟩。相关系数是中心化向量的夹角余弦,但不相关一般不等于独立。
只允许使用已知信息#
子 σ 代数 G 表示可用信息。所有 G 可测的平方可积随机变量构成闭子空间 L2(G)。闭性可通过 L2 收敛子列的几乎处处收敛和可测性保持证明;必要时选择可测版本。
把 X 投影到这个子空间,得到 Y=E[X∣G],它满足
E[(X−Y)Z]=0∀Z∈L2(G),E[(X−Y)2]≤E[(X−Z)2]∀Z∈L2(G).取 Z=1A 可得到条件期望的事件积分定义。条件期望对 L1 变量也可定义,但“Hilbert 投影”的构造在这里针对 L2。
一个四格世界#
四个等概率结果下 X=(1,3,2,6),信息只告诉我们属于前两格还是后两格。可用预测必须形如 (a,a,b,b)。
平方误差分别在两组均值处最小,所以
E[X∣G]=(2,2,4,4).误差 (−1,1,−2,2) 与任意 (a,a,b,b) 内积为零。条件期望不是神秘的概率操作,而是信息限制下最好的均方影子。
若 G⊆H,嵌套投影给塔式性质 E[E[X∣H]∣G]=E[X∣G];也给收缩性 ∥E[X∣G]∥2≤∥X∥2。
线性回归并不是所有可测预测#
用 1,Z1,…,Zd 的线性张成做投影,得到线性最小二乘。用整个 L2(σ(Z1,…,Zd)) 做投影,得到条件期望;后者可以是非线性函数。不要把两者当成同一个预测类。
RKHS 为什么能评价一个点#
普通 L2 忽略零测集,单点评价没有定义。再生核 Hilbert 空间 H 则是一类逐点函数组成的 Hilbert 空间,要求每个评价 Et(f)=f(t) 都有界。
由 Riesz 表示,对每个 t 存在 kt∈H 使
f(t)=⟨f,kt⟩H.定义 k(s,t)=kt(s),称再生核。Riesz 表示把“一个输入点的读数”变成了“与某个函数的内积”,所以学习函数可以转为组合核函数。
为什么无限维优化能退成有限和#
考虑实 RKHS 中的正则化问题
f∈Hmini=1∑N(f(ti)−yi)2+λ∥f∥H2,λ>0.把 f 分解为 f∥+f⊥,其中前者属于有限维空间 span{kti}。由再生性质,f⊥(ti)=0;它不改变训练误差,却增加平方范数。因此最优解必在有限核张成中:f=∑iαikti。
这个论证解释了表示定理的核心。用 Gram 矩阵 Kij=k(ti,tj),可取 α=(K+λI)−1y。正则化使函数解唯一;若 K 奇异,其不同系数表示可能对应同一个函数,不能把系数表示唯一当作无条件结论。
练习与解答#
- 四格例子的最小均方误差是多少?
- 不相关随机变量必独立吗?
- 为什么 L2 的 Riesz 表示不能直接推出普通单点评价有界?
解答:1. (1+1+4+4)/4=5/2。2. 不一定,例如 Z 在 [−1,1] 上均匀分布,则 Z 与 Z2 不相关,却不独立。3. 表示定理的前提是已有一个定义良好且连续的泛函,单点评价在普通 L2 中连等价类上的良定义都没有。
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