在这项工作中，我们调查了Steinke和Zakynthinou（2020）的“条件互信息”（CMI）框架的表现力，以及使用它来提供统一框架，用于在可实现的环境中证明泛化界限。我们首先证明可以使用该框架来表达任何用于从一类界限VC维度输出假设的任何学习算法的非琐碎（但是次优）界限。我们证明了CMI框架在用于学习半个空间的预期风险上产生最佳限制。该结果是我们的一般结果的应用，显示稳定的压缩方案Bousquet al。 （2020）尺寸$ k $有统一有限的命令$ o（k）$。我们进一步表明，适当学习VC类的固有限制与恒定的CMI存在适当的学习者的存在，并且它意味着对Steinke和Zakynthinou（2020）的开放问题的负面分辨率。我们进一步研究了价值最低限度（ERMS）的CMI的级别$ H $，并表明，如果才能使用有界CMI输出所有一致的分类器（版本空间），只有在$ H $具有有界的星号（Hanneke和杨（2015）））。此外，我们证明了一般性的减少，表明“休假”分析通过CMI框架表示。作为推论，我们研究了Haussler等人提出的一包图算法的CMI。 （1994）。更一般地说，我们表明CMI框架是通用的，因为对于每一项一致的算法和数据分布，当且仅当其评估的CMI具有样品的载位增长时，预期的风险就会消失。

我们研究了学习算法的输出及其$ n $培训数据之间（某些摘要）之间的共同信息，以$ n+1 $ i.i.d.的超级样本为条件。随机选择训练数据而无需更换的数据。这些算法（Steinke and Zakynthinou，2020）的条件相互信息（CMI）的这些剩余变体也被认为可以控制具有有界损耗函数的学习算法的平均通用误差。为了学习在0-1损失（即插值算法）下实现零经验风险的学习算法，我们提供了剩余的CMI与风险的经典保留误差估计之间的明确联系。使用此连接，我们就（评估）保留的CMI获得了上限和下限。当限制风险恒定或多项式衰减时，边界会收敛到两个恒定因子。作为应用程序，我们分析了单个包含图算法的人口风险，这是一种在可实现的环境中的VC类的通用转导学习算法。使用一对一的CMI，我们匹配在可实现的设置中学习VC课程的最佳界限，回答了Steinke和Zakynthinou（2020）提出的开放挑战。最后，为了理解剩余的CMI在研究概括中的作用，我们将剩余的CMI放在措施层次结构中，并在根本上使用新颖的无条件相互信息。对于0-1的损失和插值学习算法，观察到此相互信息恰恰是风险。

To date, no "information-theoretic" frameworks for reasoning about generalization error have been shown to establish minimax rates for gradient descent in the setting of stochastic convex optimization. In this work, we consider the prospect of establishing such rates via several existing information-theoretic frameworks: input-output mutual information bounds, conditional mutual information bounds and variants, PAC-Bayes bounds, and recent conditional variants thereof. We prove that none of these bounds are able to establish minimax rates. We then consider a common tactic employed in studying gradient methods, whereby the final iterate is corrupted by Gaussian noise, producing a noisy "surrogate" algorithm. We prove that minimax rates cannot be established via the analysis of such surrogates. Our results suggest that new ideas are required to analyze gradient descent using information-theoretic techniques.

The one-inclusion graph algorithm of Haussler, Littlestone, and Warmuth achieves an optimal in-expectation risk bound in the standard PAC classification setup. In one of the first COLT open problems, Warmuth conjectured that this prediction strategy always implies an optimal high probability bound on the risk, and hence is also an optimal PAC algorithm. We refute this conjecture in the strongest sense: for any practically interesting Vapnik-Chervonenkis class, we provide an in-expectation optimal one-inclusion graph algorithm whose high probability risk bound cannot go beyond that implied by Markov's inequality. Our construction of these poorly performing one-inclusion graph algorithms uses Varshamov-Tenengolts error correcting codes. Our negative result has several implications. First, it shows that the same poor high-probability performance is inherited by several recent prediction strategies based on generalizations of the one-inclusion graph algorithm. Second, our analysis shows yet another statistical problem that enjoys an estimator that is provably optimal in expectation via a leave-one-out argument, but fails in the high-probability regime. This discrepancy occurs despite the boundedness of the binary loss for which arguments based on concentration inequalities often provide sharp high probability risk bounds.

我们考虑在对抗环境中的强大学习模型。学习者获得未腐败的培训数据，并访问可能受到测试期间对手影响的可能腐败。学习者的目标是建立一个强大的分类器，该分类器将在未来的对抗示例中进行测试。每个输入的对手仅限于$ k $可能的损坏。我们将学习者 - 对手互动建模为零和游戏。该模型与Schmidt等人的对抗示例模型密切相关。 （2018）; Madry等。 （2017）。我们的主要结果包括对二进制和多类分类的概括界限，以及实现的情况（回归）。对于二元分类设置，我们都拧紧Feige等人的概括。 （2015年），也能够处理无限假设类别。样本复杂度从$ o（\ frac {1} {\ epsilon^4} \ log（\ frac {| h |} {\ delta}）$ to $ o \ big（\ frac {1} { epsilon^2}（kvc（h）\ log^{\ frac {3} {2}+\ alpha}（kvc（h））+\ log（\ frac {1} {\ delta} {\ delta}）\ big）\ big）\ big）$ for任何$ \ alpha> 0 $。此外，我们将算法和概括从二进制限制到多类和真实价值的案例。一路上，我们获得了脂肪震惊的尺寸和$ k $ fold的脂肪的尺寸和Rademacher复杂性的结果最大值的功能类别；这些可能具有独立的兴趣。对于二进制分类，Feige等人（2015年）使用遗憾的最小化算法和Erm Oracle作为黑匣子；我们适应了多类和回归设置。该算法为我们提供了给定培训样本中的球员的近乎最佳政策。

在本文中，我们介绍了超模块化$ \ mf $ -Diverences，并为它们提供了三个应用程序：（i）我们在基于超模型$ \ MF $ - 基于独立随机变量的尾部引入了Sanov的上限。分歧并表明我们的广义萨诺夫（Sanov）严格改善了普通的界限，（ii）我们考虑了有损耗的压缩问题，该问题研究了给定失真和代码长度的一组可实现的速率。我们使用互助$ \ mf $ - 信息扩展了利率 - 延伸函数，并使用超模块化$ \ mf $ -Diverences在有限的区块长度方面提供了新的，严格的更好的界限，并且（iii）我们提供了连接具有有限输入/输出共同$ \ mf $的算法的概括误差和广义率延伸问题。该连接使我们能够使用速率函数的下限来限制学习算法的概括误差。我们的界限是基于对利率延伸函数的新下限，该函数（对于某些示例）严格改善了以前最著名的界限。此外，使用超模块化$ \ mf $ -Divergences来减少问题的尺寸并获得单字母界限。

A classical result in learning theory shows the equivalence of PAC learnability of binary hypothesis classes and the finiteness of VC dimension. Extending this to the multiclass setting was an open problem, which was settled in a recent breakthrough result characterizing multiclass PAC learnability via the DS dimension introduced earlier by Daniely and Shalev-Shwartz. In this work we consider list PAC learning where the goal is to output a list of $k$ predictions. List learning algorithms have been developed in several settings before and indeed, list learning played an important role in the recent characterization of multiclass learnability. In this work we ask: when is it possible to $k$-list learn a hypothesis class? We completely characterize $k$-list learnability in terms of a generalization of DS dimension that we call the $k$-DS dimension. Generalizing the recent characterization of multiclass learnability, we show that a hypothesis class is $k$-list learnable if and only if the $k$-DS dimension is finite.

我们为在测试时间内对对抗性示例进行了学习预测的问题，为学习预测的问题提供了最小的最佳学习者。有趣的是，我们发现这需要新的算法思想和方法来实现对抗性的学习。特别是，我们从强烈的负面意义上表明，蒙塔瑟（Montasser），Hanneke和Srebro（2019）提出的强大学习者的次级临时性以及我们确定为本地学习者的更广泛的学习者。我们的结果是通过通过关键技术贡献采用全球视角来实现的：可能具有独立利益的全球单包含图，它概括了由于Haussler，Littlestone和Warminguth引起的经典单包含图（1994年）（1994年） ）。最后，作为副产品，我们确定了一个定性和定量表征哪些类别的预测因子$ \ mathcal {h} $的维度。由于Montasser等人，这解决了一个空旷的问题。 （2019年），并在固定稳健学习的样品复杂性上，在已建立的上限和下限之间结束了一个（潜在的）无限差距。

我们推出了可实现的机器学习模型的贝叶斯风险和泛化误差的信息 - 理论下限。特别地，我们采用了一个分析，其中模型参数的速率失真函数在训练样本和模型参数之间界定了所需的互信息，以便向贝叶斯风险约束学习模型。对于可实现的模型，我们表明，速率失真函数和相互信息承认的表达式，方便分析。对于在其参数中（大致）较低的LipsChitz的模型，我们将从下面的速率失真函数绑定，而对于VC类，相互信息以高于$ d_ \ mathrm {vc} \ log（n）$。当这些条件匹配时，贝叶斯相对于零一个损耗尺度的风险不足于$ \ oomega（d_ \ mathrm {vc} / n）$，它与已知的外界和最小界限匹配对数因子。我们还考虑标签噪声的影响，在训练和/或测试样本损坏时提供下限。

Recently, Robey et al. propose a notion of probabilistic robustness, which, at a high-level, requires a classifier to be robust to most but not all perturbations. They show that for certain hypothesis classes where proper learning under worst-case robustness is \textit{not} possible, proper learning under probabilistic robustness \textit{is} possible with sample complexity exponentially smaller than in the worst-case robustness setting. This motivates the question of whether proper learning under probabilistic robustness is always possible. In this paper, we show that this is \textit{not} the case. We exhibit examples of hypothesis classes $\mathcal{H}$ with finite VC dimension that are \textit{not} probabilistically robustly PAC learnable with \textit{any} proper learning rule. However, if we compare the output of the learner to the best hypothesis for a slightly \textit{stronger} level of probabilistic robustness, we show that not only is proper learning \textit{always} possible, but it is possible via empirical risk minimization.

经典的算法adaboost允许转换一个弱学习者，这是一种算法，它产生的假设比机会略好，成为一个强大的学习者，在获得足够的培训数据时，任意高精度。我们提出了一种新的算法，该算法从弱学习者中构建了一个强大的学习者，但比Adaboost和所有其他弱者到强大的学习者使用训练数据少，以实现相同的概括界限。样本复杂性下限表明我们的新算法使用最小可能的训练数据，因此是最佳的。因此，这项工作解决了从弱学习者中构建强大学习者的经典问题的样本复杂性。

学习曲线将学习算法的预期误差绘制为标记输入样本数量的函数。它们被机器学习实践者广泛使用，以衡量算法的性能，但是经典的PAC学习理论无法解释其行为。在本文中，我们介绍了一种称为VCL维度的新组合表征，该表征改进并完善了Bousquet等人的最新结果。 （2021）。我们的表征通过提供细粒度的边界来展示学习曲线的结构，并表明对于有限VCL的类，可以将衰减的速率分解为仅取决于假设类别和指数成分的线性组件，该成分是指数的成分。还取决于目标分布。特别是，VCL维度的细微差别意味着比Bousquet等人的边界更强大的下限。 （2021年），比经典的“无免费午餐”下界强。 VCL表征解决了Antos and Lugosi（1998）研究的一个开放问题，他们询问在哪些情况下存在这种下限。作为推论，我们在$ \ mathbb {r}^d $中恢复了其下限，并以原则性的方式也适用于其他情况。最后，为了对我们的工作以及与传统PAC学习界的比较提供另一个观点，我们还以一种更接近PAC环境的语言展示了结果的替代表述。

可实现和不可知性的可读性的等价性是学习理论的基本现象。与PAC学习和回归等古典设置范围的变种，近期趋势，如对冲强劲和私人学习，我们仍然缺乏统一理论;等同性的传统证据往往是不同的，并且依赖于强大的模型特异性假设，如统一的收敛和样本压缩。在这项工作中，我们给出了第一个独立的框架，解释了可实现和不可知性的可读性的等价性：三行黑箱减少简化，统一，并在各种各样的环境中扩展了我们的理解。这包括没有已知的学报的模型，例如学习任意分布假设或一般损失，以及许多其他流行的设置，例如强大的学习，部分学习，公平学习和统计查询模型。更一般地，我们认为可实现和不可知的学习的等价性实际上是我们调用属性概括的更广泛现象的特殊情况：可以满足有限的学习算法（例如\噪声公差，隐私，稳定性）的任何理想性质假设类（可能在某些变化中）延伸到任何学习的假设类。

多集团不可知学习是一个正式的学习标准，涉及人口亚组内的预测因子的条件风险。标准解决了最近的实际问题，如亚组公平和隐藏分层。本文研究了对多组学习问题的解决方案的结构，为学习问题提供了简单和近最佳的算法。

Boosting是一种著名的机器学习方法，它基于将弱和适度不准确假设与强烈而准确的假设相结合的想法。我们研究了弱假设属于界限能力类别的假设。这个假设的灵感来自共同的惯例，即虚弱的假设是“易于学习的类别”中的“人数规则”。 （Schapire和Freund〜 '12，Shalev-Shwartz和Ben-David '14。）正式，我们假设弱假设类别具有有界的VC维度。我们关注两个主要问题：（i）甲骨文的复杂性：产生准确的假设需要多少个弱假设？我们设计了一种新颖的增强算法，并证明它绕过了由Freund和Schapire（'95，'12）的经典下限。虽然下限显示$ \ omega（{1}/{\ gamma^2}）$弱假设有时是必要的，而有时则需要使用$ \ gamma $ -margin，但我们的新方法仅需要$ \ tilde {o}（{1}）（{1}） /{\ gamma}）$弱假设，前提是它们属于一类有界的VC维度。与以前的增强算法以多数票汇总了弱假设的算法不同，新的增强算法使用了更复杂（“更深”）的聚合规则。我们通过表明复杂的聚合规则实际上是规避上述下限是必要的，从而补充了这一结果。 （ii）表现力：通过提高有限的VC类的弱假设可以学习哪些任务？可以学到“遥远”的复杂概念吗？为了回答第一个问题，我们{介绍组合几何参数，这些参数捕获增强的表现力。}作为推论，我们为认真的班级的第二个问题提供了肯定的答案，包括半空间和决策树桩。一路上，我们建立并利用差异理论的联系。

我们使用$ \ ell_p $损失和任意扰动集研究回归设置中测试时间对抗攻击的鲁棒性。我们解决了哪些功能类在此设置中可以学习的问题。我们表明，有限脂肪的脂肪尺寸是可以学习的。此外，对于凸功能类，它们甚至可以正确地学习。相比之下，一些非凸功能类别可证明需要不当学习算法。我们还讨论了不可知论学习的扩展。我们的主要技术是基于由脂肪崩溃尺寸确定的尺寸的对抗性稳健样品压缩方案的构造。

We derive upper bounds on the generalization error of a learning algorithm in terms of the mutual information between its input and output. The bounds provide an information-theoretic understanding of generalization in learning problems, and give theoretical guidelines for striking the right balance between data fit and generalization by controlling the input-output mutual information. We propose a number of methods for this purpose, among which are algorithms that regularize the ERM algorithm with relative entropy or with random noise. Our work extends and leads to nontrivial improvements on the recent results of Russo and Zou.

转移学习或域适应性与机器学习问题有关，在这些问题中，培训和测试数据可能来自可能不同的概率分布。在这项工作中，我们在Russo和Xu发起的一系列工作之后，就通用错误和转移学习算法的过量风险进行了信息理论分析。我们的结果也许表明，也许正如预期的那样，kullback-leibler（kl）Divergence $ d（\ mu || \ mu'）$在$ \ mu $和$ \ mu'$表示分布的特征中起着重要作用。培训数据和测试测试。具体而言，我们为经验风险最小化（ERM）算法提供了概括误差上限，其中两个分布的数据在训练阶段都可用。我们进一步将分析应用于近似的ERM方法，例如Gibbs算法和随机梯度下降方法。然后，我们概括了与$ \ phi $ -Divergence和Wasserstein距离绑定的共同信息。这些概括导致更紧密的范围，并且在$ \ mu $相对于$ \ mu' $的情况下，可以处理案例。此外，我们应用了一套新的技术来获得替代的上限，该界限为某些学习问题提供了快速（最佳）的学习率。最后，受到派生界限的启发，我们提出了Infoboost算法，其中根据信息测量方法对源和目标数据的重要性权重进行了调整。经验结果表明了所提出的算法的有效性。

We first prove that Littlestone classes, those which model theorists call stable, characterize learnability in a new statistical model: a learner in this new setting outputs the same hypothesis, up to measure zero, with probability one, after a uniformly bounded number of revisions. This fills a certain gap in the literature, and sets the stage for an approximation theorem characterizing Littlestone classes in terms of a range of learning models, by analogy to definability of types in model theory. We then give a complete analogue of Shelah's celebrated (and perhaps a priori untranslatable) Unstable Formula Theorem in the learning setting, with algorithmic arguments taking the place of the infinite.

了解现代机器学习设置中的概括一直是统计学习理论的主要挑战之一。在这种情况下，近年来见证了各种泛化范围的发展，表明了不同的复杂性概念，例如数据样本和算法输出之间的相互信息，假设空间的可压缩性以及假设空间的分形维度。尽管这些界限从不同角度照亮了手头的问题，但它们建议的复杂性概念似乎似乎无关，从而限制了它们的高级影响。在这项研究中，我们通过速率理论的镜头证明了新的概括界定，并明确地将相互信息，可压缩性和分形维度的概念联系起来。我们的方法包括（i）通过使用源编码概念来定义可压缩性的广义概念，（ii）表明“压缩错误率”可以与预期和高概率相关。我们表明，在“无损压缩”设置中，我们恢复并改善了现有的基于信息的界限，而“有损压缩”方案使我们能够将概括与速率延伸维度联系起来，这是分形维度的特定概念。我们的结果为概括带来了更统一的观点，并打开了几个未来的研究方向。