Wyjaśnienie wzoru na medianę najbliższego punktu początkowego N próbek z kuli jednostkowej


11

W Elements of Statistics Learning wprowadzono problem podkreślenia problemów z k-nn w przestrzeniach o dużych wymiarach. Istnieje punktów danych, które są równomiernie rozmieszczone w kuli jednostkowej wymiarowej.pNp

Mediana odległości od początku do najbliższego punktu danych jest wyrażona przez wyrażenie:

d(p,N)=(1−(12)1N)1p

Gdy , formuła rozkłada się do połowy promienia kuli i widzę, jak najbliższy punkt zbliża się do granicy jako , co powoduje, że intuicja za knn rozpada się w dużych wymiarach. Ale nie rozumiem, dlaczego formuła jest zależna od N. Czy ktoś mógłby wyjaśnić?p → ∞N=1p→∞

Również książka rozwiązuje ten problem dalej, stwierdzając: „... przewidywanie jest znacznie trudniejsze w pobliżu krawędzi próbki treningowej. Trzeba ekstrapolować z sąsiednich punktów próbki, a nie interpolować między nimi”. To wydaje się głębokim stwierdzeniem, ale nie mogę zrozumieć, co to znaczy. Czy ktoś mógłby przeredagować?


1
Musisz trochę edytować wyświetlane równanie. Czy ten wykładnik ma zastosowanie tylko do tego w liczniku tak, jak wygląda teraz, czy też chciałbyś, aby dotyczył całego ? 111N112
— Dilip Sarwate

1
Pomogłoby to odróżnić „hipersferę” (która w jest kolektorem wymiaru ) od „kuli jednostkowej” (która ma wymiar ). Hipersfera jest granicą piłki. Jeśli, jak mówi twój tytuł, wszystkie punkty są próbkowane z hipersfery , wówczas - z definicji - wszystkie mają odległość od początku, mediana odległości wynosi i wszystkie są jednakowo blisko początku. p-1p11Rpp−1p11
— whuber

@DilipSarwate Jest stosowany do całego . W książce jest przykład, w którym więc N=500,p=10d(p,N)≈0,5212N=500,p=10d(p,N)≈0.52
— 64773

Odpowiedzi:


8

Objętość hiperfery wymiarowej o promieniu r ma objętość proporcjonalną do r p .prrp

Tak więc proporcja objętości większej niż odległość od początku wynosi r p - ( k r ) pkr.rp−(kr)prp=1−kp

Prawdopodobieństwo, że wszystkie losowo wybrane punkty są na odległość większą niż k r z pochodzenia ( 1 - k p ) N . Aby uzyskać medianę odległości do najbliższego losowego punktu, ustaw to prawdopodobieństwo na 1Nkr(1−kp)N . Tak więc(1-kp)N=112

(1−kp)N=12
⟹k=(1−121/N)1/p.

Intuicyjnie ma to pewien sens: im więcej jest losowych punktów, tym bliżej spodziewasz się punktu początkowego, więc powinieneś spodziewać się, że k będzie funkcją malejącą . Tutaj 2 1 / N jest funkcją malejącą N , więc 1N21/NN jest rosnącą funkcjąN, a zatem1-1121/NN jest malejącą funkcjąN,podobnie jak jegop-ty pierwiastek.1−121/NNp


Ach, fajny sposób na to spojrzeć. Czy byłbyś w stanie ponownie zinterpretować cytat w moim drugim pytaniu?
— user64773

Podejrzewam, że może to sugerować, że w dużych wymiarach punkty do przewidzenia znajdują się w znacznej odległości od danych treningowych, jak na krawędzi kuli, więc tak naprawdę nie interpolujesz, ale raczej ekstrapolujesz, a więc niepewności są znacznie większe. Ale tak naprawdę nie wiem.
— Henry

Nie rozumiem - rozumiem, dlaczego to wyrażenie jest prawdopodobieństwem, że wszystkie punkty są dalej niż kr, ale dlaczego ustawienie tego prawdopodobieństwa na 1/2 daje medianę odległości?
— ihadanny,

1
@ihadanny: wartość daje ułamek promienia, w którym prawdopodobieństwo, że wszystkieNpunkty są dalej, wynosi1k=(1−121/N)1/pN , a więc tam, gdzie prawdopodobieństwo co najmniej jednego punktu jest bliższe, wynosi1-112 , więckrjest medianą rozkładu odległości najbliższego punktu. 1−12=12kr
— Henry,

Definicja mediany, połowa jest większa, a połowa mniejsza.
— Grant Izmirlian,

1

A teraz bez machania ręką

  1. Dla dowolnej sekwencji iid rv, gdzie F jest wspólnym CDF

    P(min1≤i≤NYi>y)=(1−F(y))N,
    F
  2. NXip

    P(min1≤i≤N||Xi||>r)=(1−F(r))N,
    F||Xi||,i=1,2,…,NFRp

F(r)=P(||Xi||≤r)=Crp/(C1p)=rp

Tak więc rozwiązanie

1/2=P(min1≤i≤N||Xi||>r)=(1−rp)N

jest

r=(1−(1/2)1/N)1/p.

Np

kRp


0

Jak zwięzłe, ale słownie:

NprNthrrrrp. Możemy teraz zapisać wyrażenie [1] jako

P(min1≤i≤N||Xi||>r)=(1−rp)N.

1/2r

Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.