Optimizing proper loss functions is popularly believed to yield predictors with good calibration properties; the intuition being that for such losses, the global optimum is to predict the ground-truth probabilities, which is indeed calibrated. However, typical machine learning models are trained to approximately minimize loss over restricted families of predictors, that are unlikely to contain the ground truth. Under what circumstances does optimizing proper loss over a restricted family yield calibrated models? What precise calibration guarantees does it give? In this work, we provide a rigorous answer to these questions. We replace the global optimality with a local optimality condition stipulating that the (proper) loss of the predictor cannot be reduced much by post-processing its predictions with a certain family of Lipschitz functions. We show that any predictor with this local optimality satisfies smooth calibration as defined in Kakade-Foster (2008), B{\l}asiok et al. (2023). Local optimality is plausibly satisfied by well-trained DNNs, which suggests an explanation for why they are calibrated from proper loss minimization alone. Finally, we show that the connection between local optimality and calibration error goes both ways: nearly calibrated predictors are also nearly locally optimal.


翻译:优化恰当损失函数普遍被认为能够产生具有良好校准特性的预测器;其直觉在于,对于此类损失函数,全局最优解是预测真实概率,这本身即为校准的。然而,典型的机器学习模型是在可能不包含真实概率的受限预测器族上近似最小化损失进行训练。在何种情况下,在受限族上优化恰当损失能产生校准模型?它又能提供何种精确的校准保证?在本工作中,我们对这些问题给出了严格回答。我们将全局最优性替换为局部最优性条件,该条件要求预测器的(恰当)损失无法通过用某个Lipschitz函数族对其预测进行后处理来大幅降低。我们证明,任何满足该局部最优性的预测器均满足Kakade-Foster (2008)、Błasiok等人(2023)中定义的平滑校准。深度神经网络经过良好训练后很可能满足局部最优性,这解释了为何仅通过恰当损失最小化即可使其校准。最后,我们证明局部最优性与校准误差之间的联系是双向的:近乎校准的预测器也近乎局部最优。

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