Bayesian Optimization（Bo）是全球优化昂贵的客观功能的框架。古典BO方法假设客观函数是一个黑匣子。但是，有关客观函数计算的内部信息通常可用。例如，在使用模拟优化制造行的吞吐量时，除了整体吞吐量之外，我们还会观察每个工作站等待等待的部件数。最近的BO方法利用此类内部信息显着提高性能。我们称之为这些“灰盒”BO方法，因为它们将客观计算视为部分可观察且甚至可修改，将黑盒方法与所谓的“白盒”的第一原理进行客观函数计算的知识。本教程描述了这些方法，专注于复合物镜功能的博，其中可以观察和选择性地评估饲喂整体目标的单个成分;和多保真博，其中一个人可以通过改变评估oracle的参数来评估目标函数的更便宜的近似。
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我们考虑贝叶斯型优化函数网络的输出，其中每个功能都将其作为输入其父节点的输出，并且网络在其位置需要评估。例如，在强化学习，工程设计和制造中出现了这些问题。虽然标准贝叶斯优化方法只观察到最终输出，但我们的方法通过利用前者忽略的信息来提供更大的查询效率：网络内中间输出。这是通过使用高斯过程建模网络的节点来实现的实现，并选择要使用的点作为我们的采集功能来评估点，所以在物镜上的隐含后续计算的预期改进。尽管这种后部的非高斯性质阻止了以封闭形式计算我们的采集功能，但我们表明它可以通过样本平均近似有效地最大化。此外，我们证明我们的方法是渐近的，这意味着它发现全球最佳解决方案随着评估的数量增长到无穷大，因此概括了预期改进的先前已知的收敛结果。值得注意的是，即使我们的方法可能无法谨慎地评估域，而是利用问题结构留下未开发的区域。最后，我们表明我们的方法在几个合成和现实世界问题中显着优于标准贝叶斯优化方法。
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由于其数据效率，贝叶斯优化已经出现在昂贵的黑盒优化的最前沿。近年来，关于新贝叶斯优化算法及其应用的发展的研究激增。因此，本文试图对贝叶斯优化的最新进展进行全面和更新的调查，并确定有趣的开放问题。我们将贝叶斯优化的现有工作分为九个主要群体，并根据所提出的算法的动机和重点。对于每个类别，我们介绍了替代模型的构建和采集功能的适应的主要进步。最后，我们讨论了开放的问题，并提出了有希望的未来研究方向，尤其是在分布式和联合优化系统中的异质性，隐私保护和公平性方面。
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Bayesian optimization provides sample-efficient global optimization for a broad range of applications, including automatic machine learning, engineering, physics, and experimental design. We introduce BOTORCH, a modern programming framework for Bayesian optimization that combines Monte-Carlo (MC) acquisition functions, a novel sample average approximation optimization approach, autodifferentiation, and variance reduction techniques. BOTORCH's modular design facilitates flexible specification and optimization of probabilistic models written in PyTorch, simplifying implementation of new acquisition functions. Our approach is backed by novel theoretical convergence results and made practical by a distinctive algorithmic foundation that leverages fast predictive distributions, hardware acceleration, and deterministic optimization. We also propose a novel "one-shot" formulation of the Knowledge Gradient, enabled by a combination of our theoretical and software contributions. In experiments, we demonstrate the improved sample efficiency of BOTORCH relative to other popular libraries.34th Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS 2020),
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2021-12-06
计算高效的非近视贝叶斯优化（BO）的最新进展提高了传统近视方法的查询效率，如预期的改进，同时仅适度提高计算成本。然而，这些进展在很大程度上是有限的，因为不受约束的优化。对于约束优化，少数现有的非近视博方法需要重量计算。例如，一个现有的非近视约束BO方法[LAM和Willcox，2017]依赖于计算昂贵的不可靠的暴力衍生物的无可靠性衍生物优化蒙特卡罗卷展卷采集功能。使用Reparameterization技巧进行更有效的基于衍生物的优化的方法，如在不受约束的环境中，如样本平均近似和无限扰动分析，不扩展：约束在取样的采集功能表面中引入阻碍其优化的不连续性。此外，我们认为非近视在受限制问题中更为重要，因为违反限制的恐惧将近视方法推动了可行和不可行区域之间的边界，减缓了具有严格约束的最佳解决方案的发现。在本文中，我们提出了一种计算的有效的两步保护受限贝叶斯优化采集功能（2-OPT-C）支持顺序和批处理设置。为了实现快速采集功能优化，我们开发了一种新的基于似然比的非偏见估计，其两步最佳采集函数的梯度不使用Reparameterization技巧。在数值实验中，2-OPT-C通常通过先前的方法通过2倍或更多的查询效率，并且在某些情况下通过10倍或更大。
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我们考虑使用昂贵的功能评估（也称为实验）的黑匣子多目标优化（MOO）的问题，其中目标是通过最小化实验的总资源成本来近似真正的帕累托解决方案。例如，在硬件设计优化中，我们需要使用昂贵的计算模拟找到权衡性能，能量和面积开销的设计。关键挑战是选择使用最小资源揭示高质量解决方案的实验顺序。在本文中，我们提出了一种基于输出空间熵（OSE）搜索原理来解决MOO问题的一般框架：选择最大化每单位资源成本的信息的实验，这是真正的帕累托前线所获得的信息。我们适当地实例化了OSE搜索的原理，以导出以下四个Moo问题设置的高效算法：1）最基本的EM单一保真设置，实验昂贵且准确; 2）处理EM黑匣子约束}在不执行实验的情况下无法进行评估; 3）离散的多保真设置，实验可以在消耗的资源量和评估准确度时变化; 4）EM连续保真设置，其中连续函数近似导致巨大的实验空间。不同综合和现实世界基准测试的实验表明，基于OSE搜索的算法在既有计算效率和MOO解决方案的准确性方面改进了最先进的方法。
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Bayesian Optimization（BO）是一种优化昂贵对评估黑匣子功能的采样有效的方法。大多数BO方法忽略了评估成本如何在优化域中变化。然而，这些成本可以是高度异质的并且通常提前未知。这发生在许多实际设置中，例如机器学习算法或基于物理的仿真优化的超参数调整。此外，那些确认成本异质性的现有方法并不自然地适应总评估成本的预算限制。这种未知的成本和预算限制的组合引入了勘探开发权衡的新维度，其中关于成本的学习成本本身。现有方法没有原因地理由以原则的方式对此问题的各种权衡，经常导致性能不佳。我们通过证明，每单位成本的预期改进和预期改善，可以使这两个最广泛使用的采购职能在实践中的预期改进和预期的索赔可以是任意劣等的。为了克服现有方法的缺点，我们提出了预算的多步预期改进，是一个非近视收购函数，以概括为异质和未知评估成本的古典预期改进。最后，我们表明我们的采集功能优于各种合成和实际问题的现有方法。
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贝叶斯优化（BO）被广泛用于优化随机黑匣子功能。尽管大多数BO方法都集中在优化条件期望上，但许多应用程序都需要规避风险的策略，并且需要考虑分配尾巴的替代标准。在本文中，我们提出了针对贝叶斯分位数和预期回归的新变异模型，这些模型非常适合异形的噪声设置。我们的模型分别由有条件分位数（或期望）的两个潜在高斯过程和不对称可能性函数的比例参数组成。此外，我们提出了基于最大值熵搜索和汤普森采样的两种BO策略，这些策略是针对此类型号量身定制的，可以容纳大量点。与现有的BO进行规避风险优化的方法相反，我们的策略可以直接针对分位数和预期进行优化，而无需复制观测值或假设噪声的参数形式。如实验部分所示，所提出的方法清楚地表现出异质的非高斯案例中的最新状态。
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贝叶斯优化是黑匣子功能优化的流行框架。多重方法方法可以通过利用昂贵目标功能的低保真表示来加速贝叶斯优化。流行的多重贝叶斯策略依赖于采样政策，这些策略解释了在特定意见下评估目标函数的立即奖励，从而排除了更多的信息收益，这些收益可能会获得更多的步骤。本文提出了一个非侧重多倍数贝叶斯框架，以掌握优化的未来步骤的长期奖励。我们的计算策略具有两步的lookahead多因素采集函数，可最大程度地提高累积奖励，从而测量解决方案的改进，超过了前面的两个步骤。我们证明，所提出的算法在流行的基准优化问题上优于标准的多尺寸贝叶斯框架。
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Bayesian Optimization is a useful tool for experiment design. Unfortunately, the classical, sequential setting of Bayesian Optimization does not translate well into laboratory experiments, for instance battery design, where measurements may come from different sources and their evaluations may require significant waiting times. Multi-fidelity Bayesian Optimization addresses the setting with measurements from different sources. Asynchronous batch Bayesian Optimization provides a framework to select new experiments before the results of the prior experiments are revealed. This paper proposes an algorithm combining multi-fidelity and asynchronous batch methods. We empirically study the algorithm behavior, and show it can outperform single-fidelity batch methods and multi-fidelity sequential methods. As an application, we consider designing electrode materials for optimal performance in pouch cells using experiments with coin cells to approximate battery performance.
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信息理论的贝叶斯优化技术因其非洋流品质而变得越来越流行，以优化昂贵的黑盒功能。熵搜索和预测性熵搜索都考虑了输入空间中最佳的熵，而最新的最大值熵搜索则考虑了输出空间中最佳值的熵。我们提出了联合熵搜索（JES），这是一种新的信息理论采集函数，它考虑了全新的数量，即输入和输出空间上关节最佳概率密度的熵。为了结合此信息，我们考虑从幻想的最佳输入/输出对条件下的熵减少。最终的方法主要依赖于标准的GP机械，并去除通常与信息理论方法相关的复杂近似值。凭借最少的计算开销，JES展示了卓越的决策，并在各种任务中提供了信息理论方法的最新性能。作为具有出色结果的轻重量方法，JES为贝叶斯优化提供了新的首选功能。
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最大值熵搜索（MES）是贝叶斯优化（BO）的最先进的方法之一。在本文中，我们提出了一种用于受约束问题的MES的新型变型，通过信息下限（CMES-IBO）称为受约束的ME，其基于互信息的下限的蒙特卡罗（MC）估计器（MI）。我们首先定义定义最大值的MI，以便它可以在可行性方面结合不确定性。然后，我们得出了保证非消极性的MI的下限，而传统ME的受约束对应物可以是负的。我们进一步提供了理论分析，确保我们估算者的低变异性，从未针对任何现有的信息理论博进行调查。此外，使用条件MI，我们将CMES-1BO扩展到并联设置，同时保持所需的性质。我们展示了CMES-IBO对多个基准功能和真实问题的有效性。
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Bayesian optimization (BO) is increasingly employed in critical applications such as materials design and drug discovery. An increasingly popular strategy in BO is to forgo the sole reliance on high-fidelity data and instead use an ensemble of information sources which provide inexpensive low-fidelity data. The overall premise of this strategy is to reduce the overall sampling costs by querying inexpensive low-fidelity sources whose data are correlated with high-fidelity samples. Here, we propose a multi-fidelity cost-aware BO framework that dramatically outperforms the state-of-the-art technologies in terms of efficiency, consistency, and robustness. We demonstrate the advantages of our framework on analytic and engineering problems and argue that these benefits stem from our two main contributions: (1) we develop a novel acquisition function for multi-fidelity cost-aware BO that safeguards the convergence against the biases of low-fidelity data, and (2) we tailor a newly developed emulator for multi-fidelity BO which enables us to not only simultaneously learn from an ensemble of multi-fidelity datasets, but also identify the severely biased low-fidelity sources that should be excluded from BO.
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强化学习（RL）旨在通过与环境的互动来找到最佳政策。因此，学习复杂行为需要大量的样本，这在实践中可能是持久的。然而，而不是系统地推理和积极选择信息样本，用于本地搜索的政策梯度通常从随机扰动获得。这些随机样品产生高方差估计，因此在样本复杂性方面是次优。积极选择内容性样本是贝叶斯优化的核心，它构成了过去样本的目标的概率替代物，以推理信息的后来的随后。在本文中，我们建议加入两个世界。我们利用目标函数的概率模型及其梯度开发算法。基于该模型，该算法决定查询嘈杂的零顺序oracle以提高梯度估计。生成的算法是一种新型策略搜索方法，我们与现有的黑盒算法进行比较。比较揭示了改进的样本复杂性和对合成目标的广泛实证评估的差异降低。此外，我们突出了主动抽样对流行的RL基准测试的好处。
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采集函数是贝叶斯优化（BO）中的关键组成部分，通常可以写为在替代模型下对效用函数的期望。但是，为了确保采集功能是可以优化的，必须对替代模型和实用程序功能进行限制。为了将BO扩展到更广泛的模型和实用程序，我们提出了不含可能性的BO（LFBO），这是一种基于无似然推理的方法。 LFBO直接对采集函数进行建模，而无需单独使用概率替代模型进行推断。我们表明，可以将计算LFBO中的采集函数缩小为优化加权分类问题，而权重对应于所选择的实用程序。通过为预期改进选择实用程序功能，LFBO在几个现实世界优化问题上都优于各种最新的黑盒优化方法。 LFBO还可以有效利用目标函数的复合结构，从而进一步改善了其遗憾。
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Bayesian Optimization（BO）是全球优化的黑匣子客观功能的方法，这是昂贵的评估。 Bo Powered实验设计在材料科学，化学，实验物理，药物开发等方面发现了广泛的应用。这项工作旨在提请注意应用BO在设计实验中的益处，并提供博手册，涵盖方法和软件，为了方便任何想要申请或学习博的人。特别是，我们简要解释了BO技术，审查BO中的所有应用程序在添加剂制造中，比较和举例说明不同开放BO库的功能，解锁BO的新潜在应用，以外的数据（例如，优先输出）。本文针对读者，了解贝叶斯方法的一些理解，但不一定符合添加剂制造的知识;软件性能概述和实施说明是任何实验设计从业者的乐器。此外，我们在添加剂制造领域的审查突出了博的目前的知识和技术趋势。本文在线拥有补充材料。
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我们考虑基于活动的运输模拟器的校准和不确定性分析问题。基于活动的模型（ABM）依靠单个旅行者行为的统计模型来预测大都市地区的高阶旅行模式。输入参数通常是使用最大似然从旅行者调查中估算的。我们开发了一种使用高斯工艺模拟器使用流量流数据校准这些参数的方法。我们的方法扩展了传统的模拟器，以处理运输模拟器的高维和非平稳性。我们介绍了一个深度学习维度降低模型，该模型与高斯工艺模型共同估计以近似模拟器。我们使用几个模拟示例以及校准伊利诺伊州布卢明顿的关键参数来证明方法。
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贝叶斯优化已被证明是优化昂贵至尊评估系统的有效方法。然而，根据单一观察的成本，一个或多个目标的多维优化可能仍然是昂贵的。多保真优化通过包括多个更便宜的信息来源，例如数值模拟中的低分辨率近似来解决这个问题。用于多保真优化的采集功能通常基于勘探重算法，这些算法难以与多种目标的优化结合。在这里，我们认为预期的超越改善政策可以在许多情况下作为合适的替代品起作用。我们通过两步评估或在单个采集函数内纳入评估成本，额外的保真相关目标。这允许同时多目标和多保真优化，这允许以分数成本准确地建立帕累托集和前部。基准显示成本降低了一个数量级或更多的顺序。因此，我们的方法允许极其膨胀的黑盒功能进行静态优化。在现有的优化贝叶斯优化框架中实现了本方法简单且直接，可以立即扩展到批量优化。该技术还可用于组合不同的连续和/或离散保真度尺寸，这使得它们特别相关地与等离子体物理，流体动力学和许多科学计算分支中的模拟问题相关。
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贝叶斯优化提供了一种优化昂贵黑匣子功能的有效方法。它最近已应用于流体动力学问题。本文研究并在一系列合成测试函数上从经验上比较了常见的贝叶斯优化算法。它研究了采集函数和训练样本数量的选择，采集功能的精确计算以及基于蒙特卡洛的方法以及单点和多点优化。该测试功能被认为涵盖了各种各样的挑战，因此是理想的测试床，以了解贝叶斯优化的性能，并确定贝叶斯优化表现良好和差的一般情况。这些知识可以用于应用程序中，包括流体动力学的知识，这些知识是未知的。这项调查的结果表明，要做出的选择与相对简单的功能不相关，而乐观的采集功能（例如上限限制）应首选更复杂的目标函数。此外，蒙特卡洛方法的结果与分析采集函数的结果相当。在目标函数允许并行评估的情况下，多点方法提供了更快的替代方法，但它可能需要进行更多的客观函数评估。
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大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。
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