We study the performance -- and specifically the rate at which the error probability converges to zero -- of Machine Learning (ML) classification techniques. Leveraging the theory of large deviations, we provide the mathematical conditions for a ML classifier to exhibit error probabilities that vanish exponentially, say $\sim \exp\left(-n\,I + o(n) \right)$, where $n$ is the number of informative observations available for testing (or another relevant parameter, such as the size of the target in an image) and $I$ is the error rate. Such conditions depend on the Fenchel-Legendre transform of the cumulant-generating function of the Data-Driven Decision Function (D3F, i.e., what is thresholded before the final binary decision is made) learned in the training phase. As such, the D3F and, consequently, the related error rate $I$, depend on the given training set, which is assumed of finite size. Interestingly, these conditions can be verified and tested numerically exploiting the available dataset, or a synthetic dataset, generated according to the available information on the underlying statistical model. In other words, the classification error probability convergence to zero and its rate can be computed on a portion of the dataset available for training. Coherently with the large deviations theory, we can also establish the convergence, for $n$ large enough, of the normalized D3F statistic to a Gaussian distribution. This property is exploited to set a desired asymptotic false alarm probability, which empirically turns out to be accurate even for quite realistic values of $n$. Furthermore, approximate error probability curves $\sim \zeta_n \exp\left(-n\,I \right)$ are provided, thanks to the refined asymptotic derivation (often referred to as exact asymptotics), where $\zeta_n$ represents the most representative sub-exponential terms of the error probabilities.


翻译:我们研究机器学习(ML) 分类技术的性能 -- -- 特别是误差概率接近于零的比率 -- -- 机器学习(ML) 分类技术的性能 -- -- 特别是误差概率接近于零的速度。利用大偏差理论,我们为 ML 分类器提供数学条件,以显示在培训阶段中蒸发的差错概率,比如$sim\ exple(n\\,I +o(n)\rd) leight),其中美元是可用于测试的信息观测的数量(或另一个相关参数,例如图像中的目标大小),美元是误差率。 有趣的是,这些条件可以根据可获取的最精确的离差值转换数据, 或数据累积的概率转换到可获取的极值。

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