机器学习数学基础 120 章

集合、命题、逻辑与量词

层级:A|必学

1. 这不是形式主义

机器学习处处在描述“哪些对象属于哪里”“某个条件对哪些对象成立”:训练集是样本的集合,类别是标签的集合,假设空间是候选模型的集合,概率事件是样本空间的子集,定理用量词限定结论。若忽略集合和逻辑,最容易出现的不是算错,而是误读问题本身。

2. 集合与元素

集合是一组确定对象的汇集。可以枚举:

A={1,2,3},A=\{1,2,3\},

也可以用条件描述:

B={x∈R:x2<4}=(−2,2).B=\{x\in\mathbb R:x^2<4\}=(-2,2).

x∈Ax\in A 表示 xx 是 AA 的元素。空集 ∅\varnothing 不含任何元素。集合本身也能成为另一个集合的元素,因此要区分 x∈Ax\in A 与 X⊆AX\subseteq A。

若 AA 的所有元素也属于 BB,记作 A⊆BA\subseteq B。若还知道 A≠BA\ne B,可写 A⊊BA\subsetneq B。幂集 2A2^A 或 P(A)\mathcal P(A) 是 AA 所有子集构成的集合;若有限集合 AA 有 nn 个元素,幂集有 2n2^n 个元素。

3. 集合运算

设 A,BA,B 是两个集合:

  • 并集 A∪BA\cup B:属于 AA 或属于 BB 的元素;这里的“或”包含两者都属于的情况。
  • 交集 A∩BA\cap B:同时属于 AA 和 BB。
  • 差集 A∖BA\setminus B:属于 AA 但不属于 BB。
  • 补集 AcA^c:相对于给定全集,不属于 AA 的元素。
  • 笛卡尔积 A×B={(a,b):a∈A,b∈B}A\times B=\{(a,b):a\in A,b\in B\}:所有有序对。

De Morgan 律:

(A∪B)c=Ac∩Bc,(A∩B)c=Ac∪Bc.(A\cup B)^c=A^c\cap B^c, \qquad (A\cap B)^c=A^c\cup B^c.

直观地,“并非至少一个发生”等价于“两个都不发生”;“并非同时发生”等价于“至少一个不发生”。

4. 命题与真值

命题是可以判断真假的陈述。例如“3>23>2”是真命题,“x>2x>2”在没有给定 xx 或量词时只是含变量的谓词。

常用逻辑连接词:

符号 读法 何时为真
¬P\neg P 非 PP PP 为假
P∧QP\land Q PP 且 QQ 两者都真
P∨QP\lor Q PP 或 QQ 至少一者真
P⇒QP\Rightarrow Q 若 PP 则 QQ 除“PP 真、QQ 假”外均真
P⇔QP\Leftrightarrow Q 当且仅当 两者真值相同

P⇒QP\Rightarrow Q 中,PP 是充分条件,QQ 是必要条件。不要把它自动倒过来。比如“矩阵可逆 ⇒\Rightarrow 行列式非零”成立,反过来也成立需要另一个定理;不能仅凭原命题得出。

原命题 P⇒QP\Rightarrow Q 与逆否命题 ¬Q⇒¬P\neg Q\Rightarrow\neg P 等价,但与逆命题 Q⇒PQ\Rightarrow P 不一定等价。

5. 全称量词与存在量词

  • ∀\forall:对所有。例如 ∀x∈R,x2≥0\forall x\in\mathbb R, x^2\ge0。
  • ∃\exists:至少存在一个。例如 ∃x∈R,x2=4\exists x\in\mathbb R, x^2=4。
  • ∃!\exists!:存在唯一一个。

量词的顺序非常重要:

∀x ∃y:y>x\forall x\ \exists y: y>x

表示对每个 xx 都能找一个更大的 yy,这是真的;而

∃y ∀x:y>x\exists y\ \forall x: y>x

表示存在一个实数比所有实数都大,这是假的。

量词取否定时:

¬(∀x,P(x))⇔∃x,¬P(x),\neg(\forall x, P(x))\Leftrightarrow\exists x, \neg P(x), ¬(∃x,P(x))⇔∀x,¬P(x).\neg(\exists x, P(x))\Leftrightarrow\forall x, \neg P(x).

所以要否定“所有模型都泛化良好”,只需找到一个反例;要证明“没有模型满足条件”,则必须排除所有模型。

6. 集合大小与索引

有限集合 AA 的元素个数记为 ∣A∣|A|。注意它与绝对值共用竖线,含义由对象决定。例如训练集 D={(xi,yi)}i=1nD=\{(\boldsymbol x_i,y_i)\}_{i=1}^n 满足 ∣D∣=n|D|=n。

索引集合常写作 [n]={1,2,…,n}[n]=\{1,2,\ldots,n\}。这不是所有教材的统一约定,作者通常会先定义。

7. 在机器学习中的位置

数据集与类别集合

D={(xi,yi)}i=1n,yi∈Y.D=\{(\boldsymbol x_i,y_i)\}_{i=1}^{n},\qquad y_i\in\mathcal Y.

DD 是有 nn 个样本的数据集,Y\mathcal Y 是标签空间。二分类常取 Y={0,1}\mathcal Y=\{0,1\} 或 {−1,+1}\{-1,+1\}。

严格说,数据集有时需要保留重复样本与顺序,因此更像序列或多重集;教材常为简洁仍使用集合记号。

事件是样本空间的子集

掷骰子的样本空间 Ω={1,2,3,4,5,6}\Omega=\{1,2,3,4,5,6\}。“偶数”事件 A={2,4,6}⊆ΩA=\{2,4,6\}\subseteq\Omega。A∩BA\cap B 对应两个事件同时发生。

假设空间

模型训练常写为从假设集合 H\mathcal H 中选择函数:

h^=arg⁡min⁡h∈HR^(h).\hat h=\arg\min_{h\in\mathcal H}\hat R(h).

这句话的逻辑对象是:候选函数集合、经验风险函数,以及返回最小风险函数的选择操作。

分类指标

设真实正例集合为 PP,预测正例集合为 P^\hat P:

  • 真正例:P∩P^P\cap\hat P;
  • 假正例:Pc∩P^P^c\cap\hat P;
  • 假负例:P∩P^cP\cap\hat P^c。

集合图能直接解释准确率、精确率与召回率的分子分母。

8. 易错点

  1. {1,2}\{1,2\} 与 (1,2)(1,2) 不同:前者常是集合,后者常是有序对或开区间。
  2. 1∈{1,2}1\in\{1,2\},但 {1}⊆{1,2}\{1\}\subseteq\{1,2\};不要混用 ∈\in 与 ⊆\subseteq。
  3. 数学中的“或”通常是包含式或,不排除两者同时成立。
  4. “若”只表达一个方向;“当且仅当”才表达双向。
  5. 否定全称命题只需反例,不能把“多数时候成立”当作全称证明。

常见问答

Q1:训练数据有重复行,为什么还能写成集合?

这是常见的符号简化。真正实现中用数组或序列保留重复项与索引。若重复次数影响概率,就不能在推理时把它当普通集合去重。

Q2:P(A∪B)P(A\cup B) 为什么一般不等于 P(A)+P(B)P(A)+P(B)?

A∩BA\cap B 中的结果被两次计算,应减去一次:P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B)P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B)。只有互斥时交集概率为零。

Q3:模型输出“必要不充分条件”有什么实际影响?

满足必要条件不保证目标成立。例如梯度为零是可微函数取得内部局部最优的必要条件,却不是充分条件;它也可能是最大值或鞍点。

练习

  1. 设 A={1,2,3}A=\{1,2,3\},B={3,4}B=\{3,4\},求 A∪BA\cup B、A∩BA\cap B、A∖BA\setminus B。
  2. 写出“并非所有样本都分类正确”的量词形式。
  3. 否定命题“存在参数 θ\theta 使损失为零”。
  4. 判断 P⇒QP\Rightarrow Q 与 Q⇒PQ\Rightarrow P 是否逻辑等价。
  5. 标签集合有 4 个元素,它的幂集有多少元素?
  6. 设真实正例 40 个,预测正例 30 个,交集 24 个。求假正例与假负例个数。

答案与提示

  1. {1,2,3,4}\{1,2,3,4\},{3}\{3\},{1,2}\{1,2\}。
  2. ∃i\exists i,第 ii 个样本分类错误。
  3. 对所有 θ\theta,损失都不为零。
  4. 一般不等价。
  5. 24=162^4=16。
  6. 假正例 30−24=630-24=6,假负例 40−24=1640-24=16。