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Conformal Regression

Conformal Prediction (CP) は予測区間(prediction intervals)を算出するためのフレームワーク。

予測の残差から予測の幅を算出する。

DMLのcross-fittingのように、train setでは残差の予測モデルをfitせず、分けておいたcalibration setで残差の学習を行う。

前提

問題設定

nn個の訓練サンプル{(Xi,Yi)}i=1n\{(X_i, Y_i)\}_{i=1}^nがあるとし、予測対象のサンプル(Xn+1,Yn+1)(X_{n+1}, Y_{n+1})もあるとする。 両方のデータ{(Xi,Yi)}i=1n+1\{(X_i, Y_i)\}_{i=1}^{n+1}は 交換可能(exchangeable) であると仮定する(例えばi.i.d.であるとする)。

Yn+1Y_{n+1}が含まれると思われる marginal distribution-free prediction interval C(Xn+1⊆RC(X_{n+1} \subseteq \mathbb{R}を構築したい。

exchangeability

サンプル(Xi,Yi)(X_i, Y_i)が任意の同時分布PXYP_{XY}から得られたものであり、サンプルの順列を変えても変わらないこと。i.i.d.よりは弱い仮定。

例えばサンプルが3つあるとして、(X1,Y1),(X2,Y2),(X3,Y3)(X_1, Y_1), (X_2, Y_2), (X_3, Y_3) と (X2,Y2),(X1,Y1),(X3,Y3)(X_2, Y_2), (X_1, Y_1), (X_3, Y_3) は同じ同時分布を持つということ(Exchangeable random variables - Wikipedia)。

Conformal Regression

まず、訓練データを2つに分割する

  • training set: {(Xi,Yi):i∈I1}\{ (X_i, Y_i): i \in \mathcal{I}_1\}

  • calibration set: {(Xi,Yi):i∈I2}\{ (X_i, Y_i): i \in \mathcal{I}_2\}

任意の回帰アルゴリズムA\mathcal{A}を用いて、回帰モデルを訓練する

μ^(x):=A({(Xi,Yi):i∈I1})\hat{\mu}(x) := \mathcal{A}(\{ (X_i, Y_i): i \in \mathcal{I}_1\})

calibration setで残差の絶対値を計算する

Ri=∣Yi−μ^(Xi)∣,i∈I2R_i=\left|Y_i-\hat{\mu}\left(X_i\right)\right|, \quad i \in \mathcal{I}_2

所与の水準α\alphaのもとで、絶対残差の経験分布の分位点を計算する

Q1−α(R,I2):=(1−α)(1+1/∣I2∣)-th empirical quantile of {Ri:i∈I2}Q_{1-\alpha}\left(R, \mathcal{I}_2\right):=(1-\alpha)\left(1+1 /\left|\mathcal{I}_2\right|\right) \text {-th empirical quantile of }\left\{R_i: i \in \mathcal{I}_2\right\}

新しく与えられた点Xn+1X_{n+1}での予測区間は

C(Xn+1)=[μ^(Xn+1)−Q1−α(R,I2),μ^(Xn+1)+Q1−α(R,I2)]C\left(X_{n+1}\right)=\left[\hat{\mu}\left(X_{n+1}\right)-Q_{1-\alpha}\left(R, \mathcal{I}_2\right), \hat{\mu}\left(X_{n+1}\right)+Q_{1-\alpha}\left(R, \mathcal{I}_2\right)\right]
info - Unknown Directive
AdaptiveではないConformal Predictionはどのデータ点$X$においても同じQuantile(区間の幅が固定)
Source
<Figure size 600x300 with 1 Axes>

Adaptive Conformal Prediction

区間の幅を可変にしたものの総称?

Conformalized quantile regression

locally adaptive

Romano et al. (2019). Conformalized quantile regression.