13-Semi-supervised Learning

阅读原文时间：2023年07月10日阅读：2

半监督学习(semi-supervised learning)

1、introduction

2、Semi-supervised Learning for Generative Model

3、Low-density Separation Assumption：非黑即白

4、Smoothness Assumption：近朱者赤，近墨者黑

5、Better Representation：去芜存菁，化繁为简

Introduction

在做transductive的时候，你的unlabel data就是你的testing data，inductive learning 就是说：不把unlabel data考虑进来。

为什么做semi-supervised learning，因为有人常会说，我们缺data，其实我们不是缺data，其实我们缺的是与label的data。比如说，你收集image很容易(在街上一直照就行了)，但是这些image是没有的label。label data 是很少的，unlabel是非常多的。所以semi-surprvised learning如果可以利用这些unlabel data来做某些事是会很有价值的。

我们人类可能一直是在semi-supervised learning，比如说，小孩子会从父母那边得到一点点的supervised(小孩子在街上，问爸爸妈妈这是什么，爸爸妈妈说：这是狗。在以后的日子里，小孩子会看到很多奇奇怪怪的东西，也没有人在告诉这是什么动物，但小孩子依然还是会判别出狗)。

Why semi-supervised learning help？

为什么semi-supervised learning会有效呢？

The distribution of the unlabeled data tell us something.

unlabeled data虽然只有input，但它的分布，却可以告诉我们一些事情

以下图为例，在只有labeled data的情况下，红线是二元分类的分界线

但当我们加入unlabeled data的时候，由于特征分布发生了变化，分界线也随之改变

semi-supervised learning的使用往往伴随着假设，而该假设的合理与否，决定了结果的好坏程度；比如上图中的unlabeled data，它显然是一只狗，而特征分布却与猫被划分在了一起，很可能是由于这两张图片的背景都是绿色导致的，因此假设是否合理显得至关重要。

Semi-supervised Learning for Generative Model

以上的背后理论是什么？

接下来介绍一种新的方法，它基于的假设是Low-density separation

通俗来讲，就是这个世界是非黑即白的，在两个class的交界处data的密度(density)是很低的，它们之间会有一道明显的鸿沟，此时unlabeled data(下图绿色的点)就是帮助你在原本正确的基础上挑一条更好的boundary。

实际上，该方法与之前提到的generative model还是挺像的，区别在于：

Self Training使用的是hard label：假设一笔data强制属于某个class
Generative Model使用的是soft label：假设一笔data可以按照概率划分，不同部分属于不同class

Entropy-based Regularization

该方法是low-density separation的进阶版，你可能会觉得hard label这种直接强制性打标签的方式有些太武断了，而entropy-based regularization则做了相应的改进：

Semi-supervised SVM

SVM要做的是，给你两个class的data，去找一个boundary：

要有最大的margin，让这两个class分的越开越好
要有最小的分类错误

对unlabeled data穷举所有可能的label，下图中列举了三种可能的情况；然后对每一种可能的结果都去算SVM，再找出可以让margin最大，同时又minimize error的那种情况，下图中是用黑色方框标注的情况

Smoothness Assumption

Smoothness Assumption在文件分类上是非常有用的

假设对天文学(astronomy)和旅行(travel)的文章进行分类，它们各自有专属的词汇，此时如果unlabeled data与label data的词汇是相同或重合(overlap)的，那么就很容易分类；但在真实的情况下，unlabeled data和labeled data之间可能没有任何重复的words，因为世界上的词汇太多了，sparse的分布很难会使overlap发生

但如果unlabeled data足够多，就会以一种相似传递的形式，建立起文档之间相似的桥梁。

cluster and then label

在具体实现上，有一种简单的方法是cluster and then label，也就是先把data分成几个cluster，划分class之后再拿去训练，但这种方法不一定会得到好的结果，因为它的假设是你可以把同一个class的样本点cluster在一起，而这其实是没那么容易的

对图像分类来说，如果单纯用pixel的相似度来划分cluster，得到的结果一般都会很差，你需要设计一个很好的方法来描述image(类似Deep Autoencoder的方式来提取feature)，这样cluster才会有效果。

之前讲的是比较直觉的做法，接下来引入Graph Structure来表达connected by a high density path这件事

graph-based approach的基本精神是，在graph上已经有一些labeled data，那么跟它们相连的point，属于同一类的概率就会上升，每一笔data都会去影响它的邻居，而graph带来的最重要的好处是，这个影响是会随着edges传递出去的，即使有些点并没有真的跟labeled data相连，也可以被传递到相应的属性。

比如下图中，如果graph建的足够好，那么两个被分别label为蓝色和红色的点就可以传递完两张完整的图；从中我们也可以看出，如果想要让这种方法生效，收集到的data一定要足够多，否则可能传递到一半，graph就断掉了，information的传递就失效了。