Active learning provides a framework to adaptively sample the most informative experiments towards learning an unknown black-box function. Various approaches of active learning have been proposed in the literature, however, they either focus on exploration or exploitation in the design space. Methods that do consider exploration-exploitation simultaneously employ fixed or ad-hoc measures to control the trade-off that may not be optimal. In this paper, we develop a Bayesian hierarchical approach to dynamically balance the exploration-exploitation trade-off as more data points are queried. We subsequently formulate an approximate Bayesian computation approach based on the linear dependence of data samples in the feature space to sample from the posterior distribution of the trade-off parameter obtained from the Bayesian hierarchical model. Simulated and real-world examples show the proposed approach achieves at least 6% and 11% average improvement when compared to pure exploration and exploitation strategies respectively. More importantly, we note that by optimally balancing the trade-off between exploration and exploitation, our approach performs better or at least as well as either pure exploration or pure exploitation.


翻译:主动学习提供了一种框架,用于自适应地采样最具信息量的实验,以学习未知的黑箱函数。文献中已提出多种主动学习方法,然而它们要么侧重于设计空间中的探索,要么侧重于利用。那些同时考虑探索-利用的方法采用固定的或启发式的措施来控制权衡,这可能并非最优。本文开发了一种贝叶斯层次方法,随着更多数据点的查询,动态平衡探索-利用的权衡。随后,我们基于特征空间中数据样本的线性依赖性,构建了一种近似贝叶斯计算方法,用于从贝叶斯层次模型获得的权衡参数后验分布中进行采样。模拟和真实世界示例表明,与纯探索和纯利用策略相比,所提方法平均分别实现了至少6%和11%的提升。更重要的是,我们注意到通过最优平衡探索与利用之间的权衡,我们的方法表现优于或至少不逊于纯探索或纯利用策略。

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主动学习是机器学习(更普遍的说是人工智能)的一个子领域,在统计学领域也叫查询学习、最优实验设计。“学习模块”和“选择策略”是主动学习算法的2个基本且重要的模块。 主动学习是“一种学习方法,在这种方法中,学生会主动或体验性地参与学习过程,并且根据学生的参与程度,有不同程度的主动学习。” (Bonwell&Eison 1991)Bonwell&Eison(1991) 指出:“学生除了被动地听课以外,还从事其他活动。” 在高等教育研究协会(ASHE)的一份报告中,作者讨论了各种促进主动学习的方法。他们引用了一些文献,这些文献表明学生不仅要做听,还必须做更多的事情才能学习。他们必须阅读,写作,讨论并参与解决问题。此过程涉及三个学习领域,即知识,技能和态度(KSA)。这种学习行为分类法可以被认为是“学习过程的目标”。特别是,学生必须从事诸如分析,综合和评估之类的高级思维任务。
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