第 9 章 压缩未知
论点:有两种对策直接针对不确定性。其一是在可检验的局部给出有保证的界(证书);其二是把有限的检查分配到最能削减不确定性之处(最优筛查)。
第二部考察了四个具体场景:控制台前的人、放出去的智能体、撞墙的数学家、看不见自己的组织。在这些场景中,各种对策彼此交织,总是嵌在具体问题之中出现,并以各领域自身的术语表述。自本部起,论述的角度有所转换:把每一种对策从其所属的语境中抽离出来,剥除领域术语,考察它的一般形式,然后再返回各个领域,辨认它在不同术语下的对应形态。全书最主要的贡献,就在于由此得到的一张对照表:同一种对策,在不同领域的术语中各有其名。
八种对策两两成对,分四章论述。这种分组并非出于叙述上的便利,而是一个论断:同一章中的两种对策,处理的是问题的同一个方面;至于每一种对策确切作用于何处,则留待第 13 章说明。本章讨论证书与最优筛查。二者针对的都是不确定性,但着手的方向相反:前者在可检验的局部证明一个界,即确定误差不会超出某一限度;后者则把有限的检查资源分配到最能削减不确定性的地方。
此外,按照第 4 章确立的那条不容通融的原则,每提出一种对策,每将两个领域并置,都须重新追问:这种迁移是实质性的(机制相同、失效方式相同、权衡相同),还是只是一个看似贴切的比喻?
证书:为局部提供可复核的保证
第一种对策的一般形式是:不试图验证整体,而是给出一个局部的保证。这个保证具有明确的界,并且可以由任何人独立复核。换言之,交付的不是「它完全正确」这一断言,而是「在此范围之内,其误差至多如此」,以及一份他人能够迅速核实的凭据。本书所说的证书,指的就是这样一份凭据及其所担保的界。
考察这一对策在各领域中的形态,会发现它们惊人地一致。在机器学习中,它称为泛化界(generalization bound)。瓦利安特在 1984 年提出 PAC 框架1;瓦普尼克与切尔沃年基斯的 VC 维,则于 1989 年由布卢默等人纳入这一框架4。二者结合所给出的保证是:以至少 $1-\delta$ 的概率,模型的真实误差不超过其经验误差与一项复杂度惩罚之和,
$$R(h)\ \le\ \hat R(h)+\sqrt{\frac{d\big(\ln(2n/d)+1\big)+\ln(4/\delta)}{n}}.$$
模型在未来全部数据上的表现无从验证,那属于开放世界的问题。然而,已观测的样本构成一个可检验的局部;以此为依据,可以证明一个附带置信度的界,并且这个界对未观测的数据同样成立。为这一保证提供概率基础的,是霍夫丁不等式(Hoeffding's inequality)17;麦卡莱斯特的 PAC-Bayes 界6则对它作了进一步的精化。
在软件领域,这一对策表现为类型与证明。类型系统并不证明程序「完全正确」,只证明某一条性质成立(例如程序不会把整数当作指针);由此换得的,是一种可判定、并且能够机械复核的检查(皮尔斯7)。柯里-霍华德对应(Curry-Howard correspondence,霍华德 19808)进一步在「证明」与「程序」之间画上了等号。内库拉 1997 年提出的「携带证明的代码」(proof-carrying code)9,把这一对策推向了极致:不受信任的代码自带一份关于自身安全性的证明,宿主只需迅速核对这份证书(certificate),无须自行从头推导。勒罗伊 2009 年的 CompCert 编译器10经过了形式验证;它与 de Moura 和比约纳 2008 年的 Z3 求解器11一样,把同一思路做成了工业级的工具。
数值计算中与之对应的是误差界。希格姆 2002 年的后向误差分析12与摩尔 1966 年的区间算术(interval arithmetic)13,使计算能够带着一个保证包含真值的区间进行,最终交付的是一个有保证的范围,而不是一个可能造成误导的浮点数。在数学中,第 7 章那些已验证至高度 $T$ 的零点也属于此类:它们给出的是一个界,而不是一条定理。
贯穿上述各例的共同观念是:证书是一种局部的、有界的、可独立复核的保证。它最精妙之处,在于利用了第 7 章称为数学基石的那种验证不对称:生成一份证书可能代价极高,核对它却极为廉价。携带证明的代码、NP 问题的解、数学证明,都得益于这一不对称。
这一对策的典型失效方式只有一种,却相当常见,那就是空洞的界。一个保证可以为真,却毫无用处。「误差不超过百分之百」「该模型的泛化误差是有限的」,这类陈述在逻辑上无懈可击,在实践中却一文不值。由此可见,界的价值不在于它成立,而在于它足够紧,紧到可以据此行动。
最优筛查:把检查分配到信息量最大之处
第二种对策的一般形式是:信息的获取需要付出代价,因此应当把有限的检查分配到边际效益最大的地方,即每增加一次检查所能削减的不确定性最多之处。
这一对策在各领域中的形态同样整齐。在统计学与科学研究中,它称为实验设计(design of experiments)。费雪 1935 年的《实验设计》19与博克斯等人的《实验者统计学》20,所讲授的都是如何以尽可能少的试验获取尽可能多的信息。而要比较不同实验的优劣,还需要一个衡量信息多寡的尺度:林德利 1956 年给出了「一个实验所提供的信息」的度量21,沙洛纳与韦尔迪内利则把贝叶斯实验设计整理为一个完整的体系22。另一个问题是检查应当何时停止。瓦尔德 1945 年的序贯检验23,使研究者可以在收集数据的同时,决定是否继续收集。为上述所有工作提供共同计量单位的,则是香农 1948 年的信息论14。
在机器学习中,这一对策称为主动学习(active learning),它要回答的问题是:接下来标注哪一个样本,所得的收益最大(科恩等人33;塞特尔斯34)。软件测试中的模糊测试(fuzzing)遵循同样的逻辑,它所关心的是:把算力投向哪些输入,最有可能引发崩溃(米勒等人 1990 年的开创性实验35)。这一对策在今天的应用规模之大,颇为惊人。谷歌的 OSS-Fuzz 自 2016 年起,持续向上千个开源项目自动输入海量的畸形数据,迄今已发现数以万计的缺陷与漏洞。任何人工测试团队都无法达到这样的穷举程度;OSS-Fuzz 所依靠的,就是把算力持续不断地投向最可能引发崩溃之处。审计中的抽样也是如此:选择核查哪几笔交易,最有可能发现问题。在界面设计中,它则体现为「应当向用户提出哪一个问题」(第 5 章)。
上述做法背后是同一个最优化问题:选择所要提出的查询,使回答与未知量之间的期望信息增益(expected information gain)最大,
$$q^\star=\arg\max_q\ I(\theta;y_q).$$
倘若检查需要反复进行,并且要边检查边利用所得的结果,问题便转化为探索与利用(exploration and exploitation)之间的张力,即多臂老虎机(multi-armed bandit)问题:面对若干收益未知的选择,既要试探尚不了解的,又要利用已知较优的。对这一问题的研究,早期有汤普森 1933 年提出的采样法24与罗宾斯 1952 年的开创性工作25;其后,赖与罗宾斯 1985 年给出了最优分配的规则26,奥尔等人 2002 年又作了有限时间分析27。这些工作共同给出了下述问题的最优解:应当投入多少次试验,去削减对哪一个选项的不确定性。其结论是,这类策略的遗憾(regret),即因未能始终选择最优选项而累积的损失,随时间仅按对数增长,
$$\mathrm{Regret}(T)=O(\ln T).$$
此处需要警惕叙述上的一种路径依赖。最优筛查是一个方法族,实验设计、主动学习、审计抽样、模糊测试与多臂老虎机都属于其中。从库什纳、莫库斯的工作,到琼斯 1998 年的高效全局优化30、斯里尼瓦斯等人 2010 年的 GP-UCB32,再到沙赫里亚里 2016 年那篇综述所梳理的、基于高斯过程的贝叶斯优化36,这一脉络极为有用;但它只是该方法族中的一种实现,并不是「筛查」的全部。若把这一对策等同于高斯过程,便是把一种普遍的做法缩减为一件具体的工具。
这一对策的典型失效方式同样只有一种:所优化的信息度量设定有误。信息的收集可以极其高效,收集到的却是关于一个错误问题的信息;或者,被全力最大化的那个「信息量」,并不反映人们真正关心的东西。筛查的方法越精巧,错误的度量就越快地把人引入歧途。
两种对策的关联
将两种对策并置,二者的关系便清楚了。证书在一个可检验的局部上,把不确定性约束在一个有保证的界之内;筛查则动用有限的信息预算,去观测最能削减不确定性的那个局部。前者是在能够检验之处把界证紧,后者是把检查用在最需要检查之处。二者从两端夹击同一个对手,即未知;这也就是它们的共同任务:在信息预算有限的条件下,决定在何处削减不确定性,以及投入多大的力度。它们各自的确切位置,将在第 13 章中予以确定。
然而在某些情形下,无论怎样约束、怎样筛查都不够,因为行动者缺乏作出这一判断的能力。此时已无法仅凭自身缩小未知,而必须从外部借来判断。下一章的两种对策,处理的就是这种情形。
参考文献
落足点:① 历史上科学家的判断 ② 理论上被研究过的东西 ③ 科学如何进展 ④ 如何在无法验证的世界里生活。本节经网络逐条核实。
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- V. Vapnik & A. Chervonenkis (1971).「On the Uniform Convergence of Relative Frequencies of Events to Their Probabilities」. Theory of Probability & Its Applications, 16(2), 264-280. doi:10.1137/1116025 [②] 这篇奠基之作证明了经验频率向真实概率一致收敛的条件,并由此引出后来以两位作者命名的 VC 维,用以刻画一个函数族的「容量」。它解释了为何在有限样本上证出的误差界能对未见数据成立,是泛化界背后的概率与组合根基。
- V. Vapnik (1995).《The Nature of Statistical Learning Theory》. Springer. doi:10.1007/978-1-4757-2440-0 [②] 瓦普尼克在这本书里把统计学习理论整理成一个完整体系:以结构风险最小化为核心,权衡经验误差与模型复杂度,并由此导向支持向量机。它是理解「复杂度惩罚」为何出现在泛化界里的标准读物,把第一种对策的直觉讲得清楚而连贯。
- A. Blumer, A. Ehrenfeucht, D. Haussler & M. Warmuth (1989).「Learnability and the Vapnik-Chervonenkis Dimension」. Journal of the ACM, 36(4), 929-965. doi:10.1145/76359.76371 [②] 这篇论文把 VC 维正式接入 PAC 框架,证明一个概念类可被 PAC 学习当且仅当其 VC 维有限,并给出依赖 VC 维的样本复杂度界。它是正文那条泛化界公式的直接来源,把「容量有限便可学」这一判据钉死。
- A. Blumer, A. Ehrenfeucht, D. Haussler & M. Warmuth (1987).「Occam's Razor」. Information Processing Letters, 24(6), 377-380. doi:10.1016/0020-0190(87)90114-1 [②] 这篇短文给出「奥卡姆剃刀」的学习理论版本:一个能把训练数据压缩得足够短的假设,便能以高概率泛化。它把「简洁即可学」从哲学格言变成可证的命题,为本章「压缩未知」的母题提供了一个干净的注脚。
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- B. Pierce (2002).《Types and Programming Languages》. MIT Press. Google Books [②] 皮尔斯这本教材系统讲解类型系统的理论与构造,核心是类型安全的「进展」与「保型」两条性质,以及它们如何被机械地检查。它正是正文那句「类型系统不证明程序全对,只证某一条性质、换来可判定可复核」的标准依据,是理解证书这一对策在软件中形态的入门书。
- W. Howard (1980).「The Formulae-as-Types Notion of Construction」. 收于 J. Seldin & J. Hindley 编《To H. B. Curry: Essays on Combinatory Logic, Lambda Calculus and Formalism》, 479-490. Academic Press. Google Books [②] 霍华德这篇广为流传的文稿(写于 1969 年,1980 年正式发表)确立了「公式即类型、证明即程序」的对应:直觉主义逻辑的命题与类型一一对应,证明与项一一对应。它是柯里-霍华德对应的经典文本,把「检查一段程序的类型」与「检验一个证明」划上等号,正是证书这一对策的逻辑核心。
- G. Necula (1997).「Proof-Carrying Code」. Conference Record of the 24th ACM SIGPLAN-SIGACT Symposium on Principles of Programming Languages (POPL), 106-119. doi:10.1145/263699.263712 [②④] 内库拉提出「携带证明的代码」:不受信的程序自带一张关于自身安全性的形式证明,宿主只需快速核验这张证书,而不必信任代码来源或重新推导。它把第 7 章那道验证不对称用到极致,是本章证书概念最纯粹的工程化身。
- X. Leroy (2009).「Formal Verification of a Realistic Compiler」. Communications of the ACM, 52(7), 107-115. doi:10.1145/1538788.1538814 [②③] 勒罗伊报告了 CompCert 的成果:一个用 Coq 形式验证过的 C 编译器,其生成代码在语义上与源程序一致这件事,是被机器证明出来的。它表明「带可复核保证的真实软件」并非空想,是证书这一对策工业化的标志性案例。
- L. de Moura & N. Bjørner (2008).「Z3: An Efficient SMT Solver」. Tools and Algorithms for the Construction and Analysis of Systems (TACAS), LNCS 4963, 337-340. Springer. doi:10.1007/978-3-540-78800-3_24 [②④] 这篇论文介绍了 Z3 这一高效的 SMT 求解器,它能判定带有算术、数组等理论的逻辑公式的可满足性,并广泛用于程序验证与符号执行。它把「自动产出可复核证书」做成了一件随手可用的工业工具,是证书这一对策在实践中得以铺开的引擎之一。
- N. Higham (2002).《Accuracy and Stability of Numerical Algorithms》(2nd ed.). SIAM. doi:10.1137/1.9780898718027 [②] 希格姆这部权威著作系统讲述数值算法的误差分析,尤其是后向误差分析:与其问「答案偏离真值多少」,不如问「这个答案恰好是哪个被微扰问题的精确解」。它是正文「误差界」这一做法的标准参考,教人如何为浮点计算配上可信赖的保证。
- R. Moore (1966).《Interval Analysis》. Prentice-Hall. Google Books [②] 摩尔这本开创性著作确立了区间算术:让每个量带着一个保证包含真值的区间一起参与运算,输出的便不是一个可能骗人的数,而是一个有保证的范围。它把「交付一个界而非一个点」的思路给了数值计算,正是证书这一对策在该领域的化身。
- C. Shannon (1948).「A Mathematical Theory of Communication」. Bell System Technical Journal, 27(3), 379-423; 27(4), 623-656. doi:10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x [①②] 香农这篇创立信息论的论文,用熵度量不确定性,并给出信源编码与信道容量的根本极限。它是「信息有代价、可被度量」这一观念的总源头,正文称之为最优筛查的「底层货币」,本章对信息增益、压缩的全部讨论都以它为单位。
- J. Rissanen (1978).「Modeling by Shortest Data Description」. Automatica, 14(5), 465-471. doi:10.1016/0005-1098(78)90005-5 [②] 里萨宁提出最小描述长度(MDL)原则:最好的模型,是能把数据连同模型自身一起编码得最短的那个。它把「压缩即理解」做成可操作的模型选择准则,与本章「压缩未知」的母题正相呼应,也是奥卡姆剃刀的一个信息论实现。
- M. Li & P. Vitányi (2008).《An Introduction to Kolmogorov Complexity and Its Applications》(3rd ed.). Springer. doi:10.1007/978-0-387-49820-1 [②] 这部标准教材系统讲述柯尔莫哥洛夫复杂度:一个对象的复杂度,等于能生成它的最短程序的长度。这是「压缩」的不可计算理想,与 MDL 那种可操作的近似相对照;它为本章压缩母题提供了理论上的天花板,说明最优压缩本身正是一种无法验证的极限。
- W. Hoeffding (1963).「Probability Inequalities for Sums of Bounded Random Variables」. Journal of the American Statistical Association, 58(301), 13-30. doi:10.1080/01621459.1963.10500830 [②] 霍夫丁在此给出有界随机变量之和偏离其均值的指数型概率上界。这个不等式是把「经验平均」与「真实期望」之间的差距压进一个置信界的基本工具,正文称其为泛化界的「概率引擎」,证书这一对策的多数集中度论证都从它起步。
- E. Candès, J. Romberg & T. Tao (2006).「Robust Uncertainty Principles: Exact Signal Reconstruction from Highly Incomplete Frequency Information」. IEEE Transactions on Information Theory, 52(2), 489-509. doi:10.1109/tit.2005.862083 [②] 这篇压缩感知的奠基论文证明:只要信号足够稀疏,便能用远少于传统采样定理所要求的测量数,通过凸优化把它精确重建出来。它是「把查验花在刀刃上、用极少观测榨出全部信息」的一个数学典范,呼应本章压缩与最优筛查两条线索。
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- W. Thompson (1933).「On the Likelihood that One Unknown Probability Exceeds Another in View of the Evidence of Two Samples」. Biometrika, 25(3-4), 285-294. doi:10.2307/2332286 [①②] 汤普森在此提出后来以他命名的采样法:按「某个选项确实最优」的后验概率去随机选取它,自然地在探索与利用之间取得平衡。这是多臂老虎机问题最早的解法之一,至今仍是该问题里既简洁又强劲的策略。
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- T. Lai & H. Robbins (1985).「Asymptotically Efficient Adaptive Allocation Rules」. Advances in Applied Mathematics, 6(1), 4-22. doi:10.1016/0196-8858(85)90002-8 [②] 赖与罗宾斯证明了多臂老虎机的遗憾下界:任何合理策略的累积遗憾都至少随时间对数增长,并构造出达到这一下界的渐近最优分配规则。它确立了正文那个 $O(\ln T)$ 是无法逾越的极限,给整类问题划定了天花板。
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- H. Kushner (1964).「A New Method of Locating the Maximum Point of an Arbitrary Multipeak Curve in the Presence of Noise」. Journal of Basic Engineering, 86(1), 97-106. doi:10.1115/1.3653121 [①②] 库什纳这篇早期论文用概率模型刻画一条未知的带噪曲线,并据此选取下一个采样点去寻找极大值,是贝叶斯优化思想的雏形。它说明「该往哪里再测一次」可以被当作一个最优决策来处理,是最优筛查在全局优化里的先驱之作。
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- D. Jones, M. Schonlau & W. Welch (1998).「Efficient Global Optimization of Expensive Black-Box Functions」. Journal of Global Optimization, 13(4), 455-492. doi:10.1023/a:1008306431147 [②④] 这篇论文提出 EGO 算法,用高斯过程为昂贵的黑箱函数建代理模型,再以期望改进准则挑选下一个评估点,使评估次数大幅减少。它是把贝叶斯优化推广开来的标志性工作,但正文也提醒:它只是最优筛查这个方法族里的一支实现,而非全部。
- C. Rasmussen & C. Williams (2006).《Gaussian Processes for Machine Learning》. MIT Press. doi:10.7551/mitpress/3206.001.0001 [②④] 这本标准教材系统讲述高斯过程:一种对函数本身赋予先验、并能给出预测不确定性的非参数贝叶斯方法。它是贝叶斯优化所依赖的代理模型的理论底座,读者要理解「不确定性如何被建模并用于决定下一步查哪里」,此书是核心参考。
- N. Srinivas, A. Krause, S. Kakade & M. Seeger (2010).「Gaussian Process Optimization in the Bandit Setting: No Regret and Experimental Design」. Proceedings of the 27th International Conference on Machine Learning (ICML), 1015-1022. arXiv:0912.3995 [②] 斯里尼瓦斯等人提出 GP-UCB 算法,把老虎机里的「置信上界」思路搬到高斯过程优化上,并为其遗憾给出可证的界。它把贝叶斯优化与老虎机理论缝在一起,正好示范了本章两端,证一个界与花掉查验,原本就是同一项任务的两面。
- D. Cohn, Z. Ghahramani & M. Jordan (1996).「Active Learning with Statistical Models」. Journal of Artificial Intelligence Research, 4, 129-145. doi:10.1613/jair.295 [②④] 科恩等人给出主动学习的统计框架:在统计模型下,挑选那个能最大程度降低模型方差(或预测不确定性)的样本去标注。它把「下一个该标注哪个最划算」变成可计算的准则,是主动学习作为最优筛查一支的代表性工作。
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- B. Miller, L. Fredriksen & B. So (1990).「An Empirical Study of the Reliability of UNIX Utilities」. Communications of the ACM, 33(12), 32-44. doi:10.1145/96267.96279 [③④] 米勒等人用随机生成的输入去喂各种 UNIX 工具,结果让相当一部分程序崩溃或挂死,这就是 fuzzing 的开创性实验。它说明「把算力砸向随机或可疑的输入去撞出故障」是一种廉价而有效的查验方式,是最优筛查在软件测试里的起点。
- B. Shahriari, K. Swersky, Z. Wang, R. Adams & N. de Freitas (2016).「Taking the Human Out of the Loop: A Review of Bayesian Optimization」. Proceedings of the IEEE, 104(1), 148-175. doi:10.1109/jproc.2015.2494218 [②④] 这篇综述全面梳理了基于高斯过程的贝叶斯优化:代理模型、采集函数及其在超参数调优等场景的应用。它是了解该方向现状的标准读物,但正文借它提醒读者,不要把「最优筛查」这一普遍姿势缩成「高斯过程」这一件工具。