贝叶斯优化(BayesianOptimization)

本文详细介绍了贝叶斯优化的概念、流程及应用,重点探讨了采集函数(如UCB、PI和EI)在平衡探索与利用中的作用,并通过模拟实验展示了贝叶斯优化如何快速找到可接受的最大值,对比了它与网格搜索的优缺点。

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贝叶斯优化

  这篇blog参考github上一个基于高斯过程回归的贝叶斯优化开源项目(python):https://github.com/fmfn/BayesianOptimization


贝叶斯优化器的介绍

  贝叶斯优化在不知道目标函数(黑箱函数)长什么样子的情况下,通过猜测黑箱函数长什么样,来求一个可接受的最大值。和网格搜索相比,优点是迭代次数少(节省时间),粒度可以到很小,缺点是不容易找到全局最优解。
  贝叶斯优化流程图如下:

在这里插入图片描述
  贝叶斯优化有两个核心过程,先验函数(Prior Function,PF)与采集函数(Acquisition Function,AC),采集函数也可以叫效能函数(Utility Funtcion),但一般还是称呼为采集函数,见下面引用论文A Tutorial on Bayesian Optimization of Expensive Cost Functions, with Application to Active User Modeling and Hierarchical Reinforcement Learning的话。PF主要利用高斯过程回归(也可以是其它PF函数,但高斯过程回归用的多);AC主要包括EI,PI,UCB这几种方法,同时exploration与exploitation的平衡,也是通过AC来完成的。

The process of deciding where to sample next requires the choice of a utility function…To make clear which function we are discussing, we will refer to this utility as the acquisition function (also sometimes called the infill function)


采集函数(Acquisition Function,AC)

  常见的采集函数有下面三种,UCB,PI,EI,先介绍最好理解的UCB。

UCB(Upper confidence bound)

   U C B = μ ( x ) + k σ ( x ) UCB=\mu (x)+k\sigma (x) UCB=μ(x)+kσ(x),k为调节参数,直观地理解为上置信边界。

PI(probability of improvement)

   P I ( x ) = P ( f ( x ) ≥ f ( x + ) + υ ) = Φ ( μ ( x ) − f ( x + ) − υ σ ( x ) ) PI(x)=P(f(x)\geq f(x^{+})+\upsilon)=\Phi (\frac{\mu(x)-f(x^{+})-\upsilon}{\sigma(x)}) PI(x)=P(f(x)f(x+)+υ)=Φ(σ(x)μ(x)f(x+)υ)
  超参数 υ \upsilon υ用于调节exploitation与exploitation, υ = 0 \upsilon=0 υ=0更倾向于收敛到 f ( x + ) 附 近 , f(x^{+})附近, f(x+)
Φ ( ⋅ ) 表 示 正 态 累 计 分 布 函 数 , f ( x + ) 表

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