Gaussian processes are arguably the most important class of spatiotemporal models within machine learning. They encode prior information about the modeled function and can be used for exact or approximate Bayesian learning. In many applications, particularly in physical sciences and engineering, but also in areas such as geostatistics and neuroscience, invariance to symmetries is one of the most fundamental forms of prior information one can consider. The invariance of a Gaussian process' covariance to such symmetries gives rise to the most natural generalization of the concept of stationarity to such spaces. In this work, we develop constructive and practical techniques for building stationary Gaussian processes on a very large class of non-Euclidean spaces arising in the context of symmetries. Our techniques make it possible to (i) calculate covariance kernels and (ii) sample from prior and posterior Gaussian processes defined on such spaces, both in a practical manner. This work is split into two parts, each involving different technical considerations: part I studies compact spaces, while part II studies non-compact spaces possessing certain structure. Our contributions make the non-Euclidean Gaussian process models we study compatible with well-understood computational techniques available in standard Gaussian process software packages, thereby making them accessible to practitioners.


翻译:高斯过程无疑是机器学习中最重要的时空模型类别之一。它们编码了关于被建模函数的先验信息,并可用于精确或近似贝叶斯学习。在众多应用中,尤其是在物理科学与工程领域,以及地质统计学和神经科学等领域,对称性不变性是可考虑的最基本形式的先验信息之一。高斯过程协方差对此类对称性的不变性,引出了平稳性概念在这些空间上最自然的推广。在本工作中,我们开发了针对一大类由对称性衍生的非欧几里得空间上构建平稳高斯过程的建设性实用技术。我们的技术使得能够以实用方式(i)计算协方差核,以及(ii)从定义在这些空间上的先验和后验高斯过程中采样。本工作分为两部分,各自涉及不同的技术考量:第一部分研究紧致空间,而第二部分研究具有特定结构的非紧致空间。我们的贡献使我们研究的非欧几里得高斯过程模型与标准高斯过程软件包中成熟的计算技术兼容,从而使其对实践者更为可用。

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高斯过程(Gaussian Process, GP)是概率论和数理统计中随机过程(stochastic process)的一种,是一系列服从正态分布的随机变量(random variable)在一指数集(index set)内的组合。 高斯过程中任意随机变量的线性组合都服从正态分布,每个有限维分布都是联合正态分布,且其本身在连续指数集上的概率密度函数即是所有随机变量的高斯测度,因此被视为联合正态分布的无限维广义延伸。高斯过程由其数学期望和协方差函数完全决定,并继承了正态分布的诸多性质
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