MAC5005 - Fundamentos Matemáticos do Aprendizado Sequencial e Online
IME-USP
2026-04-06
\[ \def\argmin{\operatorname*{argmin}} \def\Regret{\operatorname*{Regret}} \def\PRegret{\operatorname*{P-Regret}} \def\WL{\operatorname*{WL}} % \def\T{\mathsf{T}} \def\prob{\mathbb{P}} \def\expect{\mathbb{E}} \def\ones{\mathbf{1}} \def\eps{\varepsilon} \def\ERM{\mathrm{ERM}} \def\DESC{\mathrm{DESC}} \def\VC{\mathrm{VC}} \def\LDim{\mathrm{LDim}} \def\bR{\mathbb{R}} \def\bN{\mathbb{N}} \def\cC{\mathcal{C}} \def\cD{\mathcal{D}} \def\cH{\mathcal{H}} \def\cB{\mathcal{B}} \def\cX{\mathcal{X}} \def\cY{\mathcal{Y}} \def\cV{\mathcal{V}} \]
Regret: comparar custo com o do melhor expert do jogo. \[ \Regret(T) = \sum_{t=1}^T \ell_t^\T p_t - \min_{i \in [d]} \sum_{t = 1}^T \ell_t(i) \]
Objetivo: garantir \(\Regret(T)/T \to 0\). \[ \frac{\Regret(T)}{T} \longrightarrow 0 \quad \text{quando} \quad T \to \infty. \]
MWU\((T, \eta)\)
Defina \(w_1 := \ones\) Para \(t = 1, \dotsc, T\):
Para \(\eta > 0\), o algoritmo MWU(\(T, \eta\)) garante \[ \Regret(T) \leq \frac{\ln d}{\eta} + \frac{\eta T}{2} \] Em particular, se \(\eta = \sqrt{2 \ln d/T}\) \[ \Regret(T) \leq \sqrt{2 T \ln d}. \]
Inicialização: Pesos uniformes \(p_1(i) = \frac{1}{m}\) para \(i \in [m]\).
Para cada rodada \(t = 1, \dotsc, T\):
Saída: Voto da maioria ponderado pelo peso de cada hipótese: \[ h_S(x) = \mathrm{sign}\Big(\sum_{t=1}^T \eta_t h_t(x)\Big) \]
No caso de AdaBoost, lembrando \(\eps_t = L_S(h_t)\), temos \[ \begin{aligned} L_S(h_S) \leq \exp \Big( -2 \sum_{t = 1}^T \Big( \frac{1}{2} - \eps_t\Big)^2\Big) \leq \exp\big( - 2 \gamma^2 T \big). \end{aligned} \]
Boosting devolve uma hipótese com \(L_S(h_S) = 0\). Mas será que generaliza?
Defina \(d := \VC(\cB)\) e \[ \cH_T := \Bigg\{ \mathrm{sign}\Big(\sum_{t = 1}^T \eta_t h_t\Big) \;\colon\; \eta_t \geq 0, h_t \in \cB~\text{para todo}~t \in [T]\Bigg\}. \] Então \[ \VC(\cH_T) \leq 2(d+1)(T+1) \lg((T + 1)e) \]
No problema dos experts: Jogador vê os custos \(\ell_t\) de todos os experts
Se os experts são ações na bolsa, isso faz sentido
Se os experts são possíveis tratamentos médicos, faz menos sentido
Multi-armed Bandits: Similar ao problema dos experts, mas na rodada \(t\)
Jogador escolhe \(i_t \in [d]\) (de forma aleatorizada)]
Adversário revela somente \(\ell_t(i_t) \in [d]\) para o Jogador
Queremos agora controlar o pseudo-regret: (discussão em sala) \[ \PRegret(T) = \expect\Big[\sum_{t = 1}^T \ell_t(A_t) \Big] - \min_{i \in [d]} \expect\Big[\sum_{t = 1}^T \ell_t(i)\Big] \]
Ideia: Na rodada \(t\), criar um estimador \(\tilde{\ell}_t\) dos custos e usar MWU. Esse algoritmo é conhecido como EXP3.
Inicialização: Pesos uniformes \(p_1(i) = \frac{1}{d}\) para \(i \in [d]\).
Para cada rodada \(t = 1, \dotsc, T\):
Para \(\ell_t \in [-1,1]\) e qualquer \(E \subseteq [d]\) \[ \begin{aligned} \Phi_{t+1} - \Phi_{t} &= \log \Big( \sum_{i = 1}^d p_{t,i} \exp(- \eta \ell_{t,i})\Big) \leq - \eta \ell_t^\T p_t + \frac{\eta^2}{2} \sum_{i = 1}^d\ell_t(i)^2 p_t(i), \\ \Phi_{T+1} &\geq \ln |E|- \eta \max_{i \in E} \sum_{t = 1}^T \ell_t(i) \quad \text{e} \quad \Phi_1 = \ln d. \end{aligned} \] Em particular, para EXP3 temos, para todo \(i \in [d]\) \[ \expect \Big[ \sum_{t = 1}^T \tilde{\ell}_t^\T p_t - \sum_{t = 1}^T \tilde{\ell}_t(i) \Big] \leq \frac{\ln d}{\eta} + \frac{\eta}{2} \sum_{t = 1}^T \expect\Big[\sum_{i = 1}^d p_{t}(i)\tilde{\ell}_t(i)^2\Big]. \]
Se \[ \tilde{\ell}_t(i) = \ones[A_t = i] \frac{\ell_t(i)}{\tilde{p}_t(i)} \qquad \text{para todo}~i \in [d]. \] então \[ \expect[\tilde{\ell}_t] = \ell_t \qquad e \qquad \expect\Big[\sum_{i = 1}^d p_{t}(i)\tilde{\ell}_t(i)^2\Big] \leq d. \]
Temos que \[ \PRegret(T) \leq \frac{\ln d}{\eta} + \frac{\eta T d}{2}. \] Em particular, se \(\eta = \sqrt{2 \ln d/T d}\), então \[ \PRegret(T) \leq \sqrt{2 T d \ln d}. \]