Minimising upper bounds on the population risk or the generalisation gap has been widely used in structural risk minimisation (SRM) -- this is in particular at the core of PAC-Bayesian learning. Despite its successes and unfailing surge of interest in recent years, a limitation of the PAC-Bayesian framework is that most bounds involve a Kullback-Leibler (KL) divergence term (or its variations), which might exhibit erratic behavior and fail to capture the underlying geometric structure of the learning problem -- hence restricting its use in practical applications. As a remedy, recent studies have attempted to replace the KL divergence in the PAC-Bayesian bounds with the Wasserstein distance. Even though these bounds alleviated the aforementioned issues to a certain extent, they either hold in expectation, are for bounded losses, or are nontrivial to minimize in an SRM framework. In this work, we contribute to this line of research and prove novel Wasserstein distance-based PAC-Bayesian generalisation bounds for both batch learning with independent and identically distributed (i.i.d.) data, and online learning with potentially non-i.i.d. data. Contrary to previous art, our bounds are stronger in the sense that (i) they hold with high probability, (ii) they apply to unbounded (potentially heavy-tailed) losses, and (iii) they lead to optimizable training objectives that can be used in SRM. As a result we derive novel Wasserstein-based PAC-Bayesian learning algorithms and we illustrate their empirical advantage on a variety of experiments.


翻译:最小化总体风险或泛化差距的上界已广泛应用于结构风险最小化(SRM)——这尤其是PAC-贝叶斯学习的核心。尽管PAC-贝叶斯框架近年来取得了成功并持续引发研究热潮,但其局限性在于大多数界包含Kullback-Leibler(KL)散度项(或其变体),这可能导致行为异常且难以捕捉学习问题的底层几何结构——从而限制了其在实际应用中的使用。为解决这一问题,近期研究尝试用Wasserstein距离替代PAC-贝叶斯界中的KL散度。尽管这些界在一定程度上缓解了上述问题,但它们或仅在期望意义下成立,或仅适用于有界损失函数,或在SRM框架中难以最小化。在本工作中,我们延续这一研究方向,针对独立同分布(i.i.d.)数据的批量学习和可能非独立同分布数据的在线学习,证明了新的基于Wasserstein距离的PAC-贝叶斯泛化界。与先前研究不同,我们的界具有更强的性质:(i)以高概率成立;(ii)适用于无界(可能具有重尾分布的)损失函数;(iii)可导出可用于SRM的可优化训练目标。基于此,我们推导了新的基于Wasserstein的PAC-贝叶斯学习算法,并通过多项实验展示了其经验优势。

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