Kutukan dimensi: pengklasifikasi kNN

11

Saya membaca buku Kevin Murphy: Machine Learning-A probabilistic Perspective. Dalam bab pertama penulis menjelaskan kutukan dimensi dan ada bagian yang saya tidak mengerti. Sebagai contoh, penulis menyatakan:

Pertimbangkan input didistribusikan secara seragam di sepanjang unit D-dimensi cube. Misalkan kita memperkirakan kepadatan label kelas dengan menumbuhkan hiper kubus di sekitar x sampai berisi fraksi diinginkan dari titik data. Panjang tepi yang diharapkan dari kubus ini adalah . $f$ $e_D(f) = f^{\frac{1}{D}}$

Ini adalah formula terakhir yang tidak bisa saya dapatkan. tampaknya jika Anda ingin menutup katakanlah 10% dari titik dari panjang tepi harus 0,1 sepanjang setiap dimensi? Saya tahu alasan saya salah, tetapi saya tidak mengerti mengapa.

self-study k-nearest-neighbour high-dimensional pengguna42140
sumber

6

Coba bayangkan situasi dalam dua dimensi terlebih dahulu. Jika saya memiliki selembar kertas 1 m * 1 m, dan saya memotong 0,1 m * 0,1 m persegi dari sudut kiri bawah, saya belum menghapus sepersepuluh kertas, tetapi hanya seperseratus .

David Zhang

13

Itulah perilaku tak terduga jarak dalam dimensi tinggi. Untuk 1 dimensi, Anda memiliki interval [0, 1]. 10% poin berada dalam segmen panjang 0,1. Tetapi apa yang terjadi ketika dimensi ruang fitur bertambah?

Ungkapan itu memberi tahu Anda bahwa jika Anda ingin memiliki 10% poin untuk 5 dimensi, Anda harus memiliki panjang untuk kubus 0,63, dalam 10 dimensi 0,79 dan 0,98 untuk 100 dimensi.

Seperti yang Anda lihat, untuk meningkatkan dimensi Anda perlu melihat lebih jauh untuk mendapatkan jumlah poin yang sama. Terlebih lagi, memberi tahu Anda bahwa sebagian besar titik berada di batas kubus karena jumlah dimensi meningkat. Yang tidak terduga.

jpmuc
sumber

4

Saya pikir hal utama yang perlu diperhatikan adalah ekspresi

e_{D} (f) = f^{\frac{1}{D}}

$e_D(f) = f^{\frac{1}{D}}$

benar-benar curam di awal. Ini berarti bahwa ukuran tepi yang Anda perlukan untuk mencakup fraksi tertentu dari volume akan meningkat secara drastis, khususnya di awal. yaitu tepi yang Anda butuhkan akan menjadi sangat besar ketika bertambah. $D$

Untuk membuatnya lebih jelas, ingat alur yang ditunjukkan Murphy:

jika Anda perhatikan, untuk nilai , kemiringannya sangat besar dan karenanya, fungsi tersebut tumbuh sangat curam di awal. Ini dapat lebih dihargai jika Anda mengambil turunan dari : $D > 1$ $e_D(f)$

e_{D}^{'} (f) = \frac{1}{D} f^{\frac{1}{D} - 1} = \frac{1}{D} f^{\frac{1 - D}{D}}

$e'_D(f) = \frac{1}{D} f^{\frac{1}{D} - 1} = \frac{1}{D} f^{\frac{1 - D}{D}}$

Karena kami hanya mempertimbangkan peningkatan dimensi (yaitu nilai integer), kami hanya memperhatikan nilai integer . Ini berarti . Pertimbangkan ekspresi tepi sebagai berikut: $D > 1$ $1-D < 0$

e_{D}^{'} (f) = \frac{1}{D} (f^{1 - D})^{\frac{1}{D}}

$e'_D(f) = \frac{1}{D} (f^{1 - D})^{\frac{1}{D}}$

Pemberitahuan bahwa kami menaikkan ke daya kurang dari 0 (yaitu negatif). Ketika kita menaikkan angka ke kekuatan negatif kita pada suatu titik melakukan kebalikan (yaitu ). Melakukan kebalikan ke nomor yang sudah sangat kecil (ingat karena kami hanya mempertimbangkan sebagian kecil dari volume, karena kami melakukan KNN, yaitu data terdekat menunjukkan dari total ) berarti angka itu akan "menumbuhkan banyak ". Oleh karena itu, kita mendapatkan perilaku yang diinginkan, yaitu bahwa ketika meningkatkan daya menjadi lebih negatif dan karenanya, tepi yang dibutuhkan tumbuh banyak tergantung seberapa besar meningkatkan eksponen. $f$ $x^{-1} = \frac{1}{x}$ $f < 1$ $k$ $N$ $D$ $D$

(perhatikan bahwa tumbuh secara eksponensial dibandingkan dengan divisi yang dengan cepat menjadi tidak signifikan). $f^{1 - D}$ $\frac{1}{D}$

Charlie Parker
sumber

2

Ya, jadi jika Anda memiliki unit cube, atau dalam kasus Anda satu unit garis, dan data terdistribusi secara seragam maka Anda harus panjang 0,1 untuk menangkap 10% dari data. Sekarang ketika Anda meningkatkan dimensi, D meningkat, yang menghilangkan daya dan f menjadi kurang dari 1, akan meningkat, sehingga jika D pergi hingga tak terbatas Anda harus menangkap semua kubus, e = 1.

plumSemPy
sumber

0

Saya pikir untuk jarak kNN memainkan peran yang lebih besar. Apa yang terjadi pada kubus (hiper) adalah analog dengan apa yang terjadi pada jarak antar titik. Ketika Anda meningkatkan jumlah dimensi, rasio antara jarak terdekat dengan jarak rata-rata tumbuh - ini berarti bahwa titik terdekat hampir sejauh dari titik rata-rata, maka itu hanya memiliki kekuatan prediksi sedikit lebih dari titik rata-rata. Artikel ini menjelaskannya dengan baik

Joel Grus melakukan pekerjaan yang baik untuk menggambarkan masalah ini dalam Ilmu Data dari Awal. Dalam buku itu ia menghitung jarak rata-rata dan minimum antara dua titik dalam ruang dimensi ketika jumlah dimensi meningkat. Dia menghitung 10.000 jarak antara titik, dengan jumlah dimensi mulai dari 0 hingga 100. Dia kemudian mulai merencanakan rata-rata dan jarak minimum antara dua titik, serta rasio jarak terdekat dengan jarak rata-rata (Distance_Closest / Distance_Average) .

Dalam plot tersebut, Joel menunjukkan bahwa rasio jarak terdekat dengan jarak rata-rata meningkat dari 0 pada 0 dimensi, hingga ~ 0,8 pada 100 dimensi. Dan ini menunjukkan tantangan mendasar dari dimensi ketika menggunakan algoritma tetangga k-terdekat; karena jumlah dimensi meningkat dan rasio jarak terdekat ke jarak rata-rata mendekati 1 kekuatan prediksi algoritma menurun. Jika titik terdekat hampir sama jauh dengan titik rata-rata, maka ia hanya memiliki daya prediksi sedikit lebih tinggi daripada titik rata-rata.

David Refaeli
sumber

Kutukan dimensi: pengklasifikasi kNN

Jawaban: