<转>浅谈：高斯过程与贝叶斯优化

高斯过程（Gaussian process）

高斯过程常在论文里面简写为GP。定义：如果随机过程的有限维分布均为正态分布，则称此随机过程为高斯过程或正态过程。

首先我们来解读一下定义：

第一个问题：什么是随机过程？

大家都学过概率论，一定知道什么叫样本空间和随机变量（此处假设读者知道）。在概率论中，讲过样本空间，随机变量相当于是在样本空间中的一次采样，采样的结果是一个事件，在每次采样的时候都满足一定的分布。随机过程和随机变量的区别在于，样本空间里装的不是事件，装的是过程（一串事件）。每次的采样的结果是一个过程，比如一个序列，一个时间的函数等等。

样本空间就是图中蓝紫色的部分，在蓝紫色空间中随便画一条函数，都是一个可能的随机过程。（这张图是盗用的“阿米斯丹猫的博客”）

第二个问题：什么是“随机过程的有限维分布均为正态分布”？

我们先来看一个随机序列：这是一个有限维n的序列，我们可以理解为一个无穷维序列进行的n次采样。在这里可以理解为时间，但是更准确的应该理解为一个连续的指标集。因为其一般性，就可以看成的有限维分布。

所以“随机过程的有限维分布均为正态分布”就好理解了，即服从一个n元正太分布。

在机器学习任务中，我们往往是假设我们的问题满足一个高斯过程的，或者通过核函数来“拓展”高斯过程对其他过程的表示能力。

贝叶斯优化（Bayesian Optimization）

贝叶斯优化的主要目的是与大部分机器学习算法类似，学习模型的表达形式 ，在一定范围内求一个函数的最大（小）值。

这类往往很特殊：

1. 没有解析表达或者形式未知，故而没办法用跟梯度有关的优化方法；

2. 值的确定会受到一些外界干预（如人的干预）。

贝叶斯优化算法核心步骤如下：

（1）.通过样本点对高斯过程 进行估计和更新。（后简称高斯过程）

（2）.通过提取函数 （acquisition function）来指导新的采样。（后简称提取函数）

高斯过程：假设我们需要估计的模型服从高斯过程，即：

这里的协方差矩阵要用到内积的核化，笔者理解为拓展了高斯过程表达其他过程的能力，毕竟在实际问题上直接假设一个过程服从高斯过程稍微有点牵强。

假设有一组样本点

为了简便推导，先假设数据提前被中心化，即，其中：

对于一个新样本 ，由于新样本的加入会更新高斯过程的协方差矩阵：

设

协方差矩阵更新过程如下：

有了更新后的协方差矩阵就可以通过前t个样本估计出的后验概率分布：

关于上述内容的推倒过程和核函数该如何选择的问题，请参考《Gaussian Processesfor Machine Learning》。

提取函数：从上述高斯过程可以看出，通过采样可以得到目标函数的概率描述。那么很自然地，我们希望通过采样来精确这种描述。我们看论文的时候经常会在论述acquisition function 的地方看到两种采样思路，一种是explore和exploit:

Explore：探索新的空间，这种采样有助于估计更准确的；

Exploit：在已有结果附近（一般是已有最大值附近）进行采样，从而希望找到更大的；

acquisition function的目的就旨在平衡这两种采样过程。

 

这里举一个不太恰当的栗子，对于一个吃货，到一个陌生的城市去寻找美食，其实就是一个采样再评价的过程。（显然吃货可以吃遍全城，但是受限于囊中羞涩，不得不考虑如何优化采样）Exploit就是在曾经已经吃过的餐厅里，再细细品味寻找一个最优的；Explore就好像是寻找新的餐厅。acquisition function在这里的意义就在于寻找一个更加合理的策略去平衡这二者，给出一个下一次采样的目标饭点。这个问题就是一个典型的没有模型，而且采样结果受外界干预（人的主观评价）的例子。

回归正题，在数据问题里，Explore是希望选择有更大方差的数据，Exploit是希望选择更接近均值的数据。
常见的方法有：
1. Expected Improvement

2. Upper Confidence Bound

下面一一介绍：

方法1：Expected Improvement（EI）

acquisition function：

这里的定义为数据集D上的最大值。上面的定义式子并不直观，我们将其展开：

我们为了推导方便定义一个扰动参数：

其中，是高斯分布的累计概率函数，是高斯分布的概率密度函数

所以：

方法2：Upper Confidence Bound（UCB）

相比于上面的EI而言，UCB则更加简单粗暴，效果也十分不错。

从式子可以看出来，UCB就是一个将Explore和Exploit进行了线性加权。

到此为止，我们解决了模型的估计，更新（高斯过程）和再采样（提取函数）的过程。贝叶斯优化就是不断地进行采样，计算更新模型的过程。