高斯过程与核方法:原理与应用
1. 引言
在机器学习领域,我们常常会遇到各种各样的模型和方法。其中,核方法和高斯过程是非常重要的概念。核方法与判别式模型密切相关,它引领我们进入了高斯过程的框架。在贝叶斯的设定下,我们可以看到核是如何自然产生的。
2. 线性回归回顾
在之前的研究中,我们考虑过形如 $y(x, w) = w^T\varphi(x)$ 的线性回归模型。这里,$w$ 是参数向量,$\varphi(x)$ 是依赖于输入向量 $x$ 的固定非线性基函数向量。
我们为 $w$ 设定一个先验分布,这个先验分布会诱导出关于函数 $y(x, w)$ 的先验分布。当给定一个训练数据集时,我们可以计算出 $w$ 的后验分布,进而得到回归函数的后验分布。加入噪声后,就可以得到新输入向量 $x$ 的预测分布 $p(t|x)$。
3. 高斯过程视角
高斯过程的视角与传统的参数化模型不同。在高斯过程中,我们直接定义函数上的先验概率分布,而不依赖于参数化模型。乍一看,处理函数的不可数无限空间上的分布似乎很困难。但实际上,对于有限的训练集,我们只需要考虑函数在与训练集和测试集数据点对应的离散输入值 $x_n$ 处的值,因此在实际操作中,我们可以在有限空间内进行工作。
高斯过程等价的模型在许多不同领域都有广泛的研究。例如,在地理统计学文献中,高斯过程回归被称为克里金法(Kriging)。同样,自回归移动平均(ARMA)模型、卡尔曼滤波器和径向基函数网络都可以被视为高斯过程模型的形式。
4. 从线性回归到高斯过程
为了更好地理解高斯过程的视角,我们回到线性回归的例子,重新
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