高斯进程（GPS）是通过工程学的社会和自然科学的应用程序学习和统计数据的重要工具。它们构成具有良好校准的不确定性估计的强大的内核非参数方法，然而，由于其立方计算复杂度，从货架上的GP推理程序仅限于具有数千个数据点的数据集。因此，在过去几年中已经开发出许多稀疏的GPS技术。在本文中，我们专注于GP回归任务，并提出了一种基于来自几个本地和相关专家的聚合预测的新方法。因此，专家之间的相关程度可以在独立于完全相关的专家之间变化。考虑到他们的相关性导致了一致的不确定性估算，汇总了专家的个人预测。我们的方法在限制案件中恢复了专家的独立产品，稀疏GP和全GP。呈现的框架可以处理一般的内核函数和多个变量，并且具有时间和空间复杂性，在专家和数据样本的数量中是线性的，这使得我们的方法是高度可扩展的。我们展示了我们提出的方法的卓越性能，这是我们提出的综合性和几个实际数据集的最先进的GP近似方法的卓越性能，以及具有确定性和随机优化的若干现实世界数据集。
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We provide a new unifying view, including all existing proper probabilistic sparse approximations for Gaussian process regression. Our approach relies on expressing the effective prior which the methods are using. This allows new insights to be gained, and highlights the relationship between existing methods. It also allows for a clear theoretically justified ranking of the closeness of the known approximations to the corresponding full GPs. Finally we point directly to designs of new better sparse approximations, combining the best of the existing strategies, within attractive computational constraints.
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与高斯过程（GPS）的变异近似通常使用一组诱导点来形成与协方差矩阵的低级别近似值。在这项工作中，我们相反利用了精度矩阵的稀疏近似。我们提出了差异最近的邻居高斯工艺（VNNGP），该过程引入了先验，该过程仅保留在k最近的邻居观测中的相关性，从而诱导稀疏精度结构。使用变分框架，可以将VNNGP的目标分解在观测值和诱导点上，从而以O（$ k^3 $）的时间复杂性实现随机优化。因此，我们可以任意扩展诱导点大小，甚至可以在每个观察到的位置放置诱导点。我们通过各种实验将VNNGP与其他可扩展的GP进行比较，并证明VNNGP（1）可以极大地超过低级别方法，而（2）比其他最近的邻居方法较不适合过度拟合。
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引入了涉及高斯流程（GPS）的模型，以同时处理多个功能数据的多任务学习，聚类和预测。该过程充当了功能数据的基于模型的聚类方法，也是对新任务进行后续预测的学习步骤。该模型是将多任务GPS与常见平均过程的混合物实例化。得出了一种用于处理超参数的优化以及超构件对潜在变量和过程的估计的优化。我们建立了明确的公式，用于将平均过程和潜在聚类变量整合到预测分布中，这是两个方面的不确定性。该分布定义为集群特异性GP预测的混合物，在处理组结构数据时，可以增强性能。该模型处理观察的不规则网格，并提供了关于协方差结构的不同假设，用于在任务之间共享其他信息。聚类和预测任务上的性能将通过各种模拟方案和真实数据集进行评估。总体算法称为magmaclust，可公开作为R包。
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这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。
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贝叶斯神经网络和深度集合代表了深入学习中不确定性量化的两种现代范式。然而，这些方法主要因内存低效率问题而争取，因为它们需要比其确定性对应物高出几倍的参数储存。为了解决这个问题，我们使用少量诱导重量增强每层的重量矩阵，从而将不确定性定量突出到这种低尺寸空间中。我们进一步扩展了Matheron的有条件高斯采样规则，以实现快速的重量采样，这使得我们的推理方法能够与合并相比保持合理的运行时间。重要的是，我们的方法在具有完全连接的神经网络和RESNET的预测和不确定性估算任务中实现了竞争性能，同时将参数大小减少到$单辆$ \ LEQ 24.3 \％$的参数大小神经网络。
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基于高斯工艺（GP）建立的解码器由于非线性函数空间的边缘化而诱人。这样的模型（也称为GP-LVM）通常很昂贵且众所周知，在实践中训练，但可以使用变异推理和诱导点来缩放。在本文中，我们重新访问主动集近似值。我们基于最近发现的交叉验证链接来开发对数 - 边界可能性的新随机估计，并提出了其计算有效近似。我们证明，所得的随机活动集（SAS）近似显着提高了GP解码器训练的鲁棒性，同时降低了计算成本。SAS-GP在潜在空间中获得更多的结构，比例为许多数据点，并且比变异自动编码器更好地表示表示，这对于GP解码器来说很少是这种情况。
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Sparse Gaussian process methods that use inducing variables require the selection of the inducing inputs and the kernel hyperparameters. We introduce a variational formulation for sparse approximations that jointly infers the inducing inputs and the kernel hyperparameters by maximizing a lower bound of the true log marginal likelihood. The key property of this formulation is that the inducing inputs are defined to be variational parameters which are selected by minimizing the Kullback-Leibler divergence between the variational distribution and the exact posterior distribution over the latent function values. We apply this technique to regression and we compare it with other approaches in the literature.
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我们提供了来自两个常见的低级内核近似产生的近似高斯过程（GP）回归的保证：基于随机傅里叶功能，并基于截断内核的Mercer扩展。特别地，我们将kullback-leibler在精确的gp和由一个上述低秩近似的一个与其内核中的一个引起的kullback-leibler发散相结合，以及它们的相应预测密度之间，并且我们还绑定了预测均值之间的误差使用近似GP使用精确的GP计算的矢量和预测协方差矩阵之间的载体。我们为模拟数据和标准基准提供了实验，以评估我们理论界的有效性。
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我们提供了来自两个常见的低级内核近似产生的近似高斯过程（GP）回归的保证：基于随机傅里叶功能，并基于截断内核的Mercer扩展。特别地，我们将kullback-leibler在精确的gp和由一个上述低秩近似的一个与其内核中的一个引起的kullback-leibler发散相结合，以及它们的相应预测密度之间，并且我们还绑定了预测均值之间的误差使用近似GP使用精确的GP计算的矢量和预测协方差矩阵之间的载体。我们为模拟数据和标准基准提供了实验，以评估我们理论界的有效性。
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We introduce stochastic variational inference for Gaussian process models. This enables the application of Gaussian process (GP) models to data sets containing millions of data points. We show how GPs can be variationally decomposed to depend on a set of globally relevant inducing variables which factorize the model in the necessary manner to perform variational inference. Our approach is readily extended to models with non-Gaussian likelihoods and latent variable models based around Gaussian processes. We demonstrate the approach on a simple toy problem and two real world data sets.
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我们开发了一个计算程序，以估计具有附加噪声的半摩托车高斯过程回归模型的协方差超参数。也就是说，提出的方法可用于有效估计相关误差的方差，以及基于最大化边际似然函数的噪声方差。我们的方法涉及适当地降低超参数空间的维度，以简化单变量的根发现问题的估计过程。此外，我们得出了边际似然函数及其衍生物的边界和渐近线，这对于缩小高参数搜索的初始范围很有用。使用数值示例，我们证明了与传统参数优化相比，提出方法的计算优势和鲁棒性。
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我们制定自然梯度变推理（VI），期望传播（EP），和后线性化（PL）作为牛顿法用于优化贝叶斯后验分布的参数扩展。这种观点明确地把数值优化框架下的推理算法。我们表明，通用近似牛顿法从优化文献，即高斯 - 牛顿和准牛顿方法（例如，该BFGS算法），仍然是这种“贝叶斯牛顿”框架下有效。这导致了一套这些都保证以产生半正定协方差矩阵，不像标准VI和EP新颖算法。我们统一的观点提供了新的见解各种推理方案之间的连接。所有提出的方法适用于具有高斯事先和非共轭的可能性，这是我们与（疏）高斯过程和状态空间模型展示任何模型。
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贝叶斯后期和模型证据的计算通常需要数值整合。贝叶斯正交（BQ）是一种基于替代模型的数值整合方法，能够具有出色的样品效率，但其缺乏并行化阻碍了其实际应用。在这项工作中，我们提出了一种并行的（批次）BQ方法，该方法采用了核正素的技术，该技术具有证明是指数的收敛速率。另外，与嵌套采样一样，我们的方法允许同时推断后期和模型证据。重新选择了来自BQ替代模型的样品，通过内核重组算法获得一组稀疏的样品，需要可忽略的额外时间来增加批处理大小。从经验上讲，我们发现我们的方法显着优于在包括锂离子电池分析在内的各种现实世界数据集中，最先进的BQ技术和嵌套采样的采样效率。
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隐式过程（IPS）代表一个灵活的框架，可用于描述各种模型，从贝叶斯神经网络，神经抽样器和数据生成器到许多其他模型。 IP还允许在功能空间上进行大致推断。公式的这种变化解决了参数空间的固有退化问题近似推断，即参数数量及其在大型模型中的强大依赖性。为此，文献中先前的作品试图采用IPS来设置先验并近似产生的后部。但是，这被证明是一项具有挑战性的任务。现有的方法可以调整先前的IP导致高斯预测分布，该分布未能捕获重要的数据模式。相比之下，通过使用另一个IP近似后验过程产生灵活预测分布的方法不能将先前的IP调整到观察到的数据中。我们在这里建议第一个可以实现这两个目标的方法。为此，我们依赖于先前IP的诱导点表示，就像在稀疏高斯过程中所做的那样。结果是一种可扩展的方法，用于与IP的近似推断，可以将先前的IP参数调整到数据中，并提供准确的非高斯预测分布。
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我们提出了一种新的非参数混合物模型，用于多变量回归问题，灵感来自概率K-Nearthimest邻居算法。使用有条件指定的模型，对样本外输入的预测基于与每个观察到的数据点的相似性，从而产生高斯混合物表示的预测分布。在混合物组件的参数以及距离度量标准的参数上，使用平均场变化贝叶斯算法进行后推断，并具有基于随机梯度的优化过程。在与数据大小相比，输入 - 输出关系很复杂，预测分布可能偏向或多模式的情况下，输入相对较高的尺寸，该方法尤其有利。对五个数据集进行的计算研究，其中两个是合成生成的，这说明了我们的高维输入的专家混合物方法的明显优势，在验证指标和视觉检查方面都优于竞争者模型。
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本文介绍了使用基于补丁的先前分布的图像恢复的新期望传播（EP）框架。虽然Monte Carlo技术典型地用于从难以处理的后分布中进行采样，但它们可以在诸如图像恢复之类的高维推论问题中遭受可扩展性问题。为了解决这个问题，这里使用EP来使用多元高斯密度的产品近似后分布。此外，对这些密度的协方差矩阵施加结构约束允许更大的可扩展性和分布式计算。虽然该方法自然适于处理添加剂高斯观察噪声，但它也可以扩展到非高斯噪声。用于高斯和泊松噪声的去噪，染色和去卷积问题进行的实验说明了这种柔性近似贝叶斯方法的潜在益处，以实现与采样技术相比降低的计算成本。
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本论文主要涉及解决深层（时间）高斯过程（DGP）回归问题的状态空间方法。更具体地，我们代表DGP作为分层组合的随机微分方程（SDES），并且我们通过使用状态空间过滤和平滑方法来解决DGP回归问题。由此产生的状态空间DGP（SS-DGP）模型生成丰富的电视等级，与建模许多不规则信号/功能兼容。此外，由于他们的马尔可道结构，通过使用贝叶斯滤波和平滑方法可以有效地解决SS-DGPS回归问题。本论文的第二次贡献是我们通过使用泰勒力矩膨胀（TME）方法来解决连续离散高斯滤波和平滑问题。这诱导了一类滤波器和SmooThers，其可以渐近地精确地预测随机微分方程（SDES）解决方案的平均值和协方差。此外，TME方法和TME过滤器和SmoOthers兼容模拟SS-DGP并解决其回归问题。最后，本文具有多种状态 - 空间（深）GPS的应用。这些应用主要包括（i）来自部分观察到的轨迹的SDES的未知漂移功能和信号的光谱 - 时间特征估计。
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高斯过程状态空间模型通过在转换功能上放置高斯过程来以原则方式捕获复杂的时间依赖性。这些模型具有自然的解释，作为离散的随机微分方程，但困难的长期序列的推断是困难的。快速过渡需要紧密离散化，而慢速转换需要在长副图层上备份梯度。我们提出了一种由多个组件组成的新型高斯过程状态空间架构，每个组件都培训不同的分辨率，以对不同时间尺度进行模拟效果。组合模型允许在自适应刻度上进行时间进行时间，为具有复杂动态的任意长序列提供有效推断。我们在半合成数据和发动机建模任务上基准我们的新方法。在这两个实验中，我们的方法对其最先进的替代品仅比单一时间级运行的最先进的替代品。
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稀疏变分高斯工艺（SVGP）方法是由于其计算效益的非共轭高斯工艺推论的常见选择。在本文中，我们通过使用双重参数化来提高其计算效率，其中每个数据示例被分配双参数，类似于期望传播中使用的站点参数。我们使用自然梯度下降的双重参数化速度推断，并提供了较小的证据，用于近似参数学习。该方法具有与当前SVGP方法相同的内存成本，但它更快，更准确。
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