Schmidt L, Santurkar S, Tsipras D, et al. Adversarially Robust Generalization Requires More Data[C]. neural information processing systems, 2018: 5014-5026.

@article{schmidt2018adversarially,

title={Adversarially Robust Generalization Requires More Data},

author={Schmidt, Ludwig and Santurkar, Shibani and Tsipras, Dimitris and Talwar, Kunal and Madry, Aleksander},

pages={5014--5026},

year={2018}}

本文在二分类高斯模型和伯努利模型上分析adversarial, 指出对抗稳定的模型需要更多的数据支撑.

主要内容

高斯模型定义: 令\(\theta^* \in \mathbb{R}^n\)为均值向量, \(\sigma >0\), 则\((\theta^*, \sigma)\)-高斯模型按照如下方式定义: 首先从等概率采样标签\(y \in \{\pm 1\}\), 再从\(\mathcal{N}(y \cdot \theta^*, \sigma^2I)\)中采样\(x \in \mathbb{R}^d\).

伯努利模型定义: 令\(\theta^* \in \{\pm1\}^d\)为均值向量, \(\tau >0\), 则\((\theta^*, \tau)\)-伯努利模型按照如下方式定义: 首先等概率采样标签\(y \in \{\pm 1\}\), 在从如下分布中采样\(x \in \{\pm 1\}^d\):

\[x_i =
\left \{
\begin{array}{rl}
y \cdot \theta_i^* & \mathrm{with} \: \mathrm{probability} \: 1/2+\tau \\
-y \cdot \theta_i^* & \mathrm{with} \: \mathrm{probability} \: 1/2-\tau
\end{array} \right.
\]

分类错误定义: 令\(\mathcal{P}: \mathbb{R}^d \times \{\pm 1\} \rightarrow \mathbb{R}\)为一分布, 则分类器\(f:\mathbb{R}^d \rightarrow \{\pm1\}\)的分类错误\(\beta\)定义为\(\beta=\mathbb{P}_{(x, y) \sim \mathcal{P}} [f(x) \not =y]\).

Robust分类错误定义: 令\(\mathcal{P}: \mathbb{R}^d \times \{\pm 1\} \rightarrow \mathbb{R}\)为一分布, \(\mathcal{B}: \mathbb{R}^d \rightarrow \mathscr{P}(\mathbb{R}^d)\)为一摄动集合. 则分类器\(f:\mathbb{R}^d \rightarrow \{\pm1\}\)的\(\mathcal{B}\)-robust 分类错误率\(\beta\)定义为\(\beta=\mathbb{P}_{(x, y) \sim \mathcal{P}} [\exist x' \in \mathcal{B}(x): f(x') \not = y]\).

注: 以\(\mathcal{B}_p^{\epsilon}(x)\)表示\(\{x' \in \mathbb{R}^d|\|x'-x\|_p \le \epsilon\}\).

高斯模型

upper bound

定理18: 令\((x_1,y_1),\ldots, (x_n,y_n) \in \mathbb{R}^d \times \{\pm 1\}\) 独立采样于同分布\((\theta^*, \sigma)\)-高斯模型, 且\(\|\theta^*\|_2=\sqrt{d}\). 令\(\hat{w}:=\bar{z}/\|\bar{z}\| \in \mathbb{R}^d\), 其中\(\bar{z}=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n y_ix_i\). 则至少有\(1-2\exp(-\frac{d}{8(\sigma^2+1)})\)的概率, 线性分类器\(f_{\hat{w}}\)的分类错误率至多为:

\[\exp (-\frac{(2\sqrt{n}-1)^2d}{2(2\sqrt{n}+4\sigma)^2\sigma^2}).
\]

定理21: 令\((x_1,y_1),\ldots, (x_n,y_n) \in \mathbb{R}^d \times \{\pm 1\}\) 独立采样于同分布\((\theta^*, \sigma)\)-高斯模型, 且\(\|\theta^*\|_2=\sqrt{d}\). 令\(\hat{w}:=\bar{z}/\|\bar{z}\| \in \mathbb{R}^d\), 其中\(\bar{z}=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n y_ix_i\). 如果

\[\epsilon \le \frac{2\sqrt{n}-1}{2\sqrt{n}+4\sigma} - \frac{\sigma\sqrt{2\log 1/\beta}}{\sqrt{d}},
\]

则至少有\(1-2\exp(-\frac{d}{8(\sigma^2+1)})\)的概率, 线性分类器\(f_{\hat{w}}\)的\(\ell_{\infty}^{\epsilon}\)-robust 分类错误率至多为\(\beta\).

lower bound

定理11: 令\(g_n\)为任意的学习算法, 并且, \(\sigma > 0, \epsilon \ge 0\), 设\(\theta \in \mathbb{R}^d\)从\(\mathcal{N}(0,I)\)中采样. 并从\((\theta,\sigma)\)-高斯模型中采样\(n\)个样本, 由此可得到分类器\(f_n: \mathbb{R}^d \rightarrow \{\pm 1\}\). 则分类器关于\(\theta, (y_1,\ldots, y_n), (x_1,\ldots, x_n)\)的\(\ell_{\infty}^{\epsilon}\)-robust 分类错误率至少

\[\frac{1}{2} \mathbb{P}_{v\sim \mathcal{N}(0, I)} [\sqrt{\frac{n}{\sigma^2+n}} \|v\|_{\infty} \le \epsilon ].
\]

伯努利模型

upper bound

令\((x, y) \in \mathbb{R}^d \times \{\pm1\}\)从一\((\theta^*, \tau)\)-伯努利模型中采样得到. 令\(\hat{w}=z / \|z\|_2\), 其中\(z=yx\). 则至少有\(1- \exp (-\frac{\tau^2d}{2})\)的概率, 线性分类器\(f_{\hat{w}}\)的分类错误率至多为\(\exp (-2\tau^4d)\).

lower bound

引理30: 令\(\theta^* \in \{\pm1\}^d\) 并且关于\((\theta^*, \tau)-伯努利模型\)考虑线性分类器\(f_{\theta^*}\),

\(\ell_{\infty}^{\tau}\)-robustness: \(f_{\theta^*}\)的\(\ell_{\infty}^{\tau}\)-robust分类误差率至多为\(2\exp (-\tau^2d/2)\).

\(\ell_{\infty}^{3\tau}\)-nonrobustness: \(f_{\theta^*}\)的\(\ell_{\infty}^{3\tau}\)-robust分类误差率至少为\(1-2\exp (-\tau^2d/2)\).

Near-optimality of \(\theta^*\): 对于任意线性分类器, \(\ell_{\infty}^{3\tau}\)-robust 分类误差率至少为\(\frac{1}{6}\).

定理31: 令\(g_n\)为任一线性分类器学习算法. 假设\(\theta^*\)均匀采样自\(\{\pm1\}^d\), 并从\((\theta^*, \tau)\)-伯努利分布(\(\tau \le 1/4\))中采样\(n\)个样本, 并借由\(g_n\)得到线性分类器\(f_{w}\).同时\(\epsilon < 3\tau\)且\(0 < \gamma < 1/2\), 则当

\[n \le \frac{\epsilon^2\gamma^2}{5000 \cdot \tau^4 \log (4d/\gamma)},
\]

\(f_w\)关于\(\theta^*, (y_1,\ldots, y_n), (x_1,\ldots, x_n)\)的期望\(\ell_{\infty}^{\epsilon}\)-robust 分类误差至少为\(\frac{1}{2}-\gamma\).

Adversarially Robust Generalization Requires More Data的更多相关文章

  1. Exploring Architectural Ingredients of Adversarially Robust Deep Neural Networks

    目录 概 主要内容 深度 宽度 代码 Huang H., Wang Y., Erfani S., Gu Q., Bailey J. and Ma X. Exploring architectural ...

  2. 自定义 ASP.NET Identity Data Model with EF

    One of the first issues you will likely encounter when getting started with ASP.NET Identity centers ...

  3. ExtJs Ext.data.Model 学习笔记

    Using a Proxy Ext.define('User', { extend: 'Ext.data.Model', fields: ['id', 'name', 'email'], proxy: ...

  4. Buffer Data

    waylau/netty-4-user-guide: Chinese translation of Netty 4.x User Guide. 中文翻译<Netty 4.x 用户指南> h ...

  5. Buffer Data RDMA 零拷贝 直接内存访问

    waylau/netty-4-user-guide: Chinese translation of Netty 4.x User Guide. 中文翻译<Netty 4.x 用户指南> h ...

  6. A Complete Tutorial on Tree Based Modeling from Scratch (in R & Python)

    A Complete Tutorial on Tree Based Modeling from Scratch (in R & Python) MACHINE LEARNING PYTHON  ...

  7. Wide and Deep Learning Model

    https://blog.csdn.net/starzhou/article/details/78845931 The Wide and Deep Learning Model(译文+Tensorlf ...

  8. Android开发训练之第五章——Building Apps with Connectivity & the Cloud

    Building Apps with Connectivity & the Cloud These classes teach you how to connect your app to t ...

  9. C# Interview Questions:C#-English Questions

    This is a list of questions I have gathered from other sources and created myself over a period of t ...

随机推荐

  1. 🏆【Alibaba中间件技术系列】「Sentinel技术专题」分布式系统的流量防卫兵的基本介绍(入门源码介绍)

    推荐资料 官方文档 官方demo Sentinel 是什么? 随着微服务的流行,服务和服务之间的稳定性变得越来越重要.Sentinel 以流量为切入点,从流量控制.熔断降级.系统负载保护等多个维度保护 ...

  2. TCP中的TIME_WAIT状态

    TIME_WAIT的存在有两大理由 1.可靠地实现TCP全双工连接的终止 2.允许老的可重复分节在网络中消失. 对于理由1,我们知道TCP结束需要四次挥手,若最后一次的客户端的挥手ACK丢失(假设是客 ...

  3. C++ 数字分类

           1012 数字分类 (20分) 输入格式: 每个输入包含 1 个测试用例.每个测试用例先给出一个不超过 1000 的正整数 N,随后给出 N 个不超过 1000 的待分类的正整数.数字间 ...

  4. Linux基础命令---sendmail发送邮件

    sendmail sendmail是postfix中的一个发送邮件的代理程序,它负责发送邮件到远程服务器,并且可以接收邮件.sendmail在发送邮件的时候,默认从标砖输入读取内容,以".& ...

  5. OSGI与Spring结合开发web工程

    简介: 作为一个新的事实上的工业标准,OSGi 已经受到了广泛的关注, 其面向服务(接口)的基本思想和动态模块部署的能力, 是企业级应用长期以来一直追求的目标.Spring 是一个著名的 轻量级 J2 ...

  6. IDEA 使用rest client测试

    一.进入 rest 控制台 idea 导航栏 ==> Tools ==> HTTP Client ==> Test RESTFUL Web Service 如图: 一般来说,idea ...

  7. 【力扣】两个数组的交集 II

    给定两个数组,编写一个函数来计算它们的交集. 示例 1: 输入:nums1 = [1,2,2,1], nums2 = [2,2]输出:[2,2]示例 2: 输入:nums1 = [4,9,5], nu ...

  8. 一行配置搞定 Spring Boot项目的 log4j2 核弹漏洞!

    相信昨天,很多小伙伴都因为Log4j2的史诗级漏洞忙翻了吧? 看到群里还有小伙伴说公司里还特别建了800+人的群在处理... 好在很快就有了缓解措施和解决方案.同时,log4j2官方也是速度影响发布了 ...

  9. minikube metrics-server HPA 自动扩缩容错误

    minikube metrics-server pod 错误 启动 minikube addons enable metrics-server 之后查看 metrics-server pod 会有如下 ...

  10. Redis监控参数

    目录 一.客户端 二.服务端 一.客户端 127.0.0.1:6379> info stats #Redis自启动以来处理的客户端连接数总数 total_connections_received ...