We study active learning methods for single index models of the form $F({\mathbf x}) = f(\langle {\mathbf w}, {\mathbf x}\rangle)$, where $f:\mathbb{R} \to \mathbb{R}$ and ${\mathbf x,\mathbf w} \in \mathbb{R}^d$. In addition to their theoretical interest as simple examples of non-linear neural networks, single index models have received significant recent attention due to applications in scientific machine learning like surrogate modeling for partial differential equations (PDEs). Such applications require sample-efficient active learning methods that are robust to adversarial noise. I.e., that work even in the challenging agnostic learning setting. We provide two main results on agnostic active learning of single index models. First, when $f$ is known and Lipschitz, we show that $\tilde{O}(d)$ samples collected via {statistical leverage score sampling} are sufficient to learn a near-optimal single index model. Leverage score sampling is simple to implement, efficient, and already widely used for actively learning linear models. Our result requires no assumptions on the data distribution, is optimal up to log factors, and improves quadratically on a recent ${O}(d^{2})$ bound of \cite{gajjar2023active}. Second, we show that $\tilde{O}(d)$ samples suffice even in the more difficult setting when $f$ is \emph{unknown}. Our results leverage tools from high dimensional probability, including Dudley's inequality and dual Sudakov minoration, as well as a novel, distribution-aware discretization of the class of Lipschitz functions.


翻译:我们研究形如$F({\mathbf x}) = f(\langle {\mathbf w}, {\mathbf x}\rangle)$的单指标模型的主动学习方法,其中$f:\mathbb{R} \to \mathbb{R}$,${\mathbf x,\mathbf w} \in \mathbb{R}^d$。作为非线性神经网络的简单示例,单指标模型除了具有理论价值外,近年来还因在偏微分方程替代建模等科学机器学习中的应用而备受关注。这类应用要求主动学习方法具备样本高效性,且能抵御对抗性噪声——即需在具有挑战性的无偏学习场景中依然有效。本文提供关于单指标模型无偏主动学习的两个主要结果:首先,当$f$已知且满足Lipschitz条件时,我们证明通过统计杠杆分数采样收集的$\tilde{O}(d)$个样本足以学习近似最优的单指标模型。杠杆分数采样实现简便、计算高效,已广泛用于线性模型的主动学习。该结果无需对数据分布作假设,在对数因子意义下达到最优,且较近期文献\cite{gajjar2023active}中${O}(d^{2})$的界实现了二次改进。其次,我们证明即使$f$未知的更具挑战性场景下,$\tilde{O}(d)$个样本仍然足够。我们的结果借助高维概率工具(包括Dudley不等式与对偶Sudakov极小化原理)以及一类新颖的、基于分布感知的Lipschitz函数类离散化方法。

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