ai_learning/common/NOTATION.md

208 lines
8.0 KiB
Markdown
Raw Permalink Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

# 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 \(1\) в формулах и с \(0\) в 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 размера \(d\).
- \(\mathbf{0}\), \(\mathbf{1}\) — 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: \(p_X(x)\), кратко \(p(x)\).
- 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.