高斯过程

高斯过程在概率论和统计学中是连续输入空间的统计模型,每个点都与正态分布相关。它是机器学习的一种算法,用于预测新点的值。本文将详细阐述高斯过程回归的模型建立、超参数估计、预测方法以及高斯过程在去噪中的应用。

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高斯过程

在概率论和统计学中,高斯过程是观测值出现在一个连续域(例如时间或空间)的统计模型。在高斯过程中,连续输入空间中每个点都是与一个正态分布的随机变量相关联。此外,这些随机变量的每个有限集合都有一个多元正态分布。

高斯过程被认为是一种机器学习算法,是以惰性学习方式,利用点与点之间同质性的度量作为核函数,以从输入的训练数据预测未知点的值。其预测结果不仅包含该点的值,而同时包含不确定性的资料——它的一维高斯分布。

如下公式所示,y,x是已知的输入数据(包含多个数据),x是新来的点,预测y的值。

P(y|y,x,x)=P(y,y|x,x)P(y|x,x)=P(y,y|x,x)P(y|x)

显然,核心就是建立 P(y|x) 的具体形式,然后求出条件概率 P(y|y,x,x)

高斯过程回归

现实生活中,我们遇到的一个典型问题就是选择合适的模型拟合训练集中自变量x与因变量 y 之间的关系,并根据新的自变量x来预测对应的因变量y

P(y|x,y,x)

如果关系足够简单,那么线性回归就能实现很好的预测,但现实情况往往十分复杂,此时,高斯过程回归就为我们提供了拟合复杂关系的绝佳方法。

模型的建立

  • 普通线性回归:

y=wTx
  • 线性无法满足,投影到高维(这里的wT与上式的wT维度不一样):

y=wTϕ(x)
  • y满足高斯过程( f(x) 之间的协方差定义成与输入x有关的函数, Δx 越小,相关性越高,协方差越大):

y=wTϕ(x)+f(x)s.t. f(x)GP(0,k(x,x))
  • 观测不准,带噪声:

y=wTϕ(x)+f(x)+ϵs.t. f(x)GP(0,k(x,x)),ϵN(0,σ2)
  • 写成向量形式,该模型等价于:

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