Many machine learning problems can be framed in the context of estimating functions, and often these are time-dependent functions that are estimated in real-time as observations arrive. Gaussian processes (GPs) are an attractive choice for modeling real-valued nonlinear functions due to their flexibility and uncertainty quantification. However, the typical GP regression model suffers from several drawbacks: 1) Conventional GP inference scales $O(N^{3})$ with respect to the number of observations; 2) Updating a GP model sequentially is not trivial; and 3) Covariance kernels typically enforce stationarity constraints on the function, while GPs with non-stationary covariance kernels are often intractable to use in practice. To overcome these issues, we propose a sequential Monte Carlo algorithm to fit infinite mixtures of GPs that capture non-stationary behavior while allowing for online, distributed inference. Our approach empirically improves performance over state-of-the-art methods for online GP estimation in the presence of non-stationarity in time-series data. To demonstrate the utility of our proposed online Gaussian process mixture-of-experts approach in applied settings, we show that we can sucessfully implement an optimization algorithm using online Gaussian process bandits.


翻译:许多机器学习问题可以归结为函数估计问题,且这些函数通常具有时变性,需随着观测数据的到达进行实时估计。高斯过程(GPs)因兼具灵活性与不确定性量化能力,成为建模实值非线性函数的理想选择。然而,标准GP回归模型存在以下缺陷:1)传统GP推断的计算复杂度为$O(N^{3})$($N$为观测数据量);2)序贯更新GP模型并非易事;3)协方差核通常对函数施加平稳性约束,而非平稳协方差核的GP在实践中往往难以处理。为克服上述问题,我们提出一种序贯蒙特卡洛算法,用于拟合无限混合高斯过程,该模型既能捕捉非平稳行为,又支持在线分布式推断。在时间序列数据存在非平稳性的场景中,我们的方法相较现有最优在线GP估计方法实现了更优的性能。为验证所提出的在线高斯过程混合专家模型在实际应用中的价值,我们展示了如何利用在线高斯过程波段算法成功实现优化任务。

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