教師あり学習
バイアスと分散のトレードオフ

詳細は「偏りと分散」を参照
回帰では、入力xに対応するyの予測値 {\hat {\mathbf {y} }}={\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )を出力する事を求められ、 {\hat {\mathbf {y} }}はyの期待値に近いことが望ましく、しかも {\hat {\mathbf {y} }}のばらつきは小さい方が望ましい。しかし下記に示すようにこの２つの要件はトレードオフの関係にある：
定理 (バイアスと分散のトレードオフ) ― p(x,y)を \mathbb {R} ^{\ell }\times \mathbb {R} ^{k}上の確率分布とし、Dを \mathbb {R} ^{\ell }\times \mathbb {R} ^{k}上の何らかの確率分布に従って選ばれた訓練データの集合とし、 {\hat {F}}を回帰アルゴリズムとし、Dによってこの回帰アルゴリズムを訓練して得られた関数を {\hat {\mathbf {y} }}={\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )とし、誤差関数を自乗誤差
 L({\hat {\mathbf {y} }},\mathbf {y} )=||{\hat {\mathbf {y} }}-\mathbf {y} ||^{2}
により定義し、さらに (\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim pをDとは独立に選び、
 {\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )=E_{\mathbf {y} \sim p|_{\mathbf {x} }}[\mathbf {y} |\mathbf {x} ]
 {\bar {F}}(\mathbf {x} )=E_{D}[{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )]
とする。
このとき、予測誤差の訓練データ集合Dに関する期待値（期待予測誤差）
 E_{D}[E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p}[L({\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} ),\mathbf {y} )]=E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p,D}[||{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )-\mathbf {y} ||^{2}]
は以下を満たす：
 E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p,D}[||{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )-\mathbf {y} ||^{2}]={\mathsf {Var}}({\hat {F}})+{\mathsf {Bias}}^{2}({\hat {F}})+{\mathsf {Noise}}(p)
ここで、
 {\mathsf {Var}}({\hat {F}})=E_{\mathbf {x} \sim p|_{\mathbf {x} },D}(||{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )-{\bar {F}}(\mathbf {x} )||^{2})
 {\mathsf {Bias}}^{2}({\hat {F}})=E_{\mathbf {x} \sim p|_{\mathbf {x} }}(||{\bar {F}}(\mathbf {x} )-{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )||^{2})
 {\mathsf {Noise}}({\hat {F}})=E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p}(||{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )-\mathbf {y} ||^{2})
{\begin{aligned}&{1 \over 2}(E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p,D}[||{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )-\mathbf {y} ||^{2}]-{\mathsf {Var}}({\hat {F}})-{\mathsf {Bias}}^{2}({\hat {F}})-{\mathsf {Noise}}(p))\\&={1 \over 2}E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p,D}[||{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )-\mathbf {y} ||^{2}-||{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )-{\bar {F}}(\mathbf {x} )||^{2}-||{\bar {F}}(\mathbf {x} )-{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )||^{2}-||{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )-\mathbf {y} ||^{2}]\\&=E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p,D}[-{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )\cdot \mathbf {y} +{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )\cdot {\bar {F}}(\mathbf {x} )+{\bar {F}}(\mathbf {x} )\cdot {\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )+{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )\cdot \mathbf {y} -||{\bar {F}}(\mathbf {x} )||^{2}-||{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )||^{2}]=(1)\end{aligned}}
ここで
 {\begin{aligned}&E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p,D}[-{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )\cdot \mathbf {y} +{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )\cdot {\bar {F}}(\mathbf {x} )]\\&=-E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p}[E_{D}[{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )]\cdot \mathbf {y} +E_{D}[{\hat {F}}_{D}(\mathbf {x} )]\cdot {\bar {F}}(\mathbf {x} )\\&=E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p}[-{\bar {F}}(\mathbf {x} )\cdot \mathbf {y} +||{\bar {F}}(\mathbf {x} )||^{2}]\end{aligned}}
なので、
 {\begin{aligned}(1)&=E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p}[-{\bar {F}}(\mathbf {x} )\cdot \mathbf {y} +{\bar {F}}(\mathbf {x} )\cdot {\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )+{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )\cdot \mathbf {y} -||{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )||^{2}]\\&=E_{(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )\sim p}[({\bar {F}}(\mathbf {x} )-{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} ))({\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )-\mathbf {y} )]\\&=E_{\mathbf {x} }[({\bar {F}}(\mathbf {x} )-{\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} ))({\bar {\mathbf {y} }}(\mathbf {x} )-E_{\mathbf {y} \sim p|_{\mathbf {x} }}[\mathbf {y} ])]\\&=0\end{aligned}}
上では回帰の場合について述べたが、確信度を出力する分類でも同様である。