8.0 KiB
Соглашения об обозначениях
Этот файл задаёт общую математическую запись для всех курсов. Локальные исключения допустимы только с явным пояснением.
Общие правила
- Скаляр:
x,a,\lambda. - Вектор-столбец:
\mathbf{x}\in\mathbb{R}^d. - Матрица:
\mathbf{X}\in\mathbb{R}^{n\times d}. - Множество:
\mathcal{D}, пространство:\mathbb{R}^d. - Индексы начинаются с
1в формулах и с0в Python. - Верхний индекс в скобках, например
\mathbf{x}^{(i)}, обозначает номер объекта, а не степень.
Данные и параметры
Набор из n объектов с d признаками:
\mathcal{D}=\{(\mathbf{x}^{(i)},y^{(i)})\}_{i=1}^{n},\qquad
\mathbf{X}=
\begin{bmatrix}
(\mathbf{x}^{(1)})^\top\\
\cdots\\
(\mathbf{x}^{(n)})^\top
\end{bmatrix}
\in\mathbb{R}^{n\times d}.
Строка матрицы — объект, столбец — признак. Целевой вектор
\mathbf{y}\in\mathbb{R}^n. Параметры модели обозначаются
\boldsymbol{\theta}; веса линейной модели — \mathbf{w}, смещение —
b. Предсказание — \hat y, истинное значение — y.
Разбиения данных: \mathcal{D}_{\mathrm{train}},
\mathcal{D}_{\mathrm{val}}, \mathcal{D}_{\mathrm{test}}.
Векторы и матрицы
\mathbf{x}^\top\mathbf{y}=\sum_{j=1}^{d}x_jy_j,\qquad
\|\mathbf{x}\|_2=\sqrt{\sum_jx_j^2},\qquad
\|\mathbf{x}\|_1=\sum_j|x_j|.
\mathbf{A}^\top— транспонирование.\mathbf{A}^{-1}— обратная матрица, только если она существует.\mathbf{I}_d— единичная матрица размераd.\mathbf{0},\mathbf{1}— векторы или матрицы из нулей и единиц; размер следует из контекста.\operatorname{diag}(\mathbf{x})— диагональная матрица.\operatorname{tr}(\mathbf{A})=\sum_i A_{ii}— след.\det(\mathbf{A})— определитель.\operatorname{rank}(\mathbf{A})— ранг.\mathbf{A}\odot\mathbf{B}— поэлементное произведение.\mathbf{A}\mathbf{B}— матричное произведение.
Норма Фробениуса:
\|\mathbf{A}\|_F=
\sqrt{\sum_{i,j}A_{ij}^2}
=\sqrt{\operatorname{tr}(\mathbf{A}^\top\mathbf{A})}.
Запись \mathbf{A}\succeq0 означает симметричную положительно
полуопределённую матрицу:
\mathbf{x}^\top\mathbf{A}\mathbf{x}\geq0 для любого \mathbf{x}.
Функции и отображения
f:\mathbb{R}^d\to\mathbb{R},\qquad
\mathbf{g}:\mathbb{R}^d\to\mathbb{R}^m.
Композиция записывается f\circ g, то есть
(f\circ g)(x)=f(g(x)). Образ множества — f(\mathcal{X}).
Индикатор события:
\mathbb{1}\{A\}=
\begin{cases}
1,&A\text{ произошло},\\
0,&\text{иначе}.
\end{cases}
Дифференциальное исчисление
Обычная производная — f'(x)=df/dx, частная производная —
\partial f/\partial x_j. Градиент скалярной функции — вектор-столбец:
\nabla_{\mathbf{x}}f=
\begin{bmatrix}
\partial f/\partial x_1\\
\vdots\\
\partial f/\partial x_d
\end{bmatrix}
\in\mathbb{R}^{d}.
Гессиан:
\nabla_{\mathbf{x}}^2 f=
\left[\frac{\partial^2 f}{\partial x_i\partial x_j}\right]_{i,j}
\in\mathbb{R}^{d\times d}.
Якобиан \mathbf{g}:\mathbb{R}^d\to\mathbb{R}^m:
\mathbf{J}_{\mathbf{g}}(\mathbf{x})=
\left[\frac{\partial g_i}{\partial x_j}\right]_{i,j}
\in\mathbb{R}^{m\times d}.
Дифференциал записывается df. Для функции матрицы градиент определяется
соглашением
df=\operatorname{tr}\left(
(\nabla_{\mathbf{X}}f)^\top d\mathbf{X}
\right).
Вероятность
Вероятностное пространство явно не выписывается, если оно не существенно.
- Случайные величины:
X,Y; их реализации:x,y. - Случайный вектор:
\mathbf{X}; наблюдение:\mathbf{x}. - Вероятность события:
\mathbb{P}(A). - Условная вероятность:
\mathbb{P}(A\mid B). - Плотность или функция вероятности:
p_X(x), краткоp(x). - Совместное распределение:
p(x,y). - Условное распределение:
p(y\mid x). - Математическое ожидание:
\mathbb{E}[X]. - Дисперсия:
\operatorname{Var}(X). - Ковариация:
\operatorname{Cov}(X,Y). - Ковариационная матрица:
\boldsymbol{\Sigma}.
\mathbb{E}_{X\sim p}[f(X)]
=\int f(x)p(x)\,dx
для непрерывного X; для дискретного интеграл заменяется суммой. Запись
X\sim\mathcal{N}(\mu,\sigma^2) означает нормальное распределение.
Независимость обозначается X\perp Y, условная независимость —
X\perp Y\mid Z.
Оценивание и оптимизация
Истинный неизвестный параметр — \theta, его оценка по данным —
\hat\theta. Функция потерь одного объекта — \ell, эмпирический риск:
\hat R(\boldsymbol{\theta})
=\frac1n\sum_{i=1}^{n}
\ell\left(f_{\boldsymbol{\theta}}(\mathbf{x}^{(i)}),y^{(i)}\right).
\boldsymbol{\theta}^\star
\in\arg\min_{\boldsymbol{\theta}\in\Theta}
L(\boldsymbol{\theta}).
\min L — минимальное значение, а \arg\min L — множество аргументов,
на которых оно достигается. Итерация алгоритма имеет индекс t:
\boldsymbol{\theta}_{t+1}
=\boldsymbol{\theta}_t-\eta_t\nabla L(\boldsymbol{\theta}_t),
где \eta_t>0 — шаг обучения.
Суммы, пределы и асимптотика
\sum_{i=1}^{n}a_i,\qquad
\prod_{i=1}^{n}a_i,\qquad
\lim_{n\to\infty}a_n.
f(n)=O(g(n)) задаёт асимптотическую верхнюю границу с точностью до
константы; \Theta(g(n)) — двустороннюю. Эти обозначения не описывают
реальное время для конкретного малого n.
Числа и вычисления
\varepsilon— малая математическая величина или допуск; машинная точность обозначается\varepsilon_{\mathrm{mach}}.- (\operatorname{softmax}(\mathbf{z})_i =e^{z_i}/\sum_j e^{z_j}).
\log— натуральный логарифм, если основание не указано.a\approx b— приближённое равенство;a\propto b— пропорциональность.
В тексте нельзя смешивать математический вектор (\mathbf{x}\in\mathbb{R}^d)
с массивом NumPy формы (1, d): первый обычно соответствует форме (d,).
Формы (d,), (d, 1) и (1, d) в коде различны.