Gaussian Process Regression (GPR) is a powerful and elegant method for learning complex functions from noisy data with a wide range of applications, including in safety-critical domains. Such applications have two key features: (i) they require rigorous error quantification, and (ii) the noise is often bounded and non-Gaussian due to, e.g., physical constraints. While error bounds for applying GPR in the presence of non-Gaussian noise exist, they tend to be overly restrictive and conservative in practice. In this paper, we provide novel error bounds for GPR under bounded support noise. Specifically, by relying on concentration inequalities and assuming that the latent function has low complexity in the reproducing kernel Hilbert space (RKHS) corresponding to the GP kernel, we derive both probabilistic and deterministic bounds on the error of the GPR. We show that these errors are substantially tighter than existing state-of-the-art bounds and are particularly well-suited for GPR with neural network kernels, i.e., Deep Kernel Learning (DKL). Furthermore, motivated by applications in safety-critical domains, we illustrate how these bounds can be combined with stochastic barrier functions to successfully quantify the safety probability of an unknown dynamical system from finite data. We validate the efficacy of our approach through several benchmarks and comparisons against existing bounds. The results show that our bounds are consistently smaller, and that DKLs can produce error bounds tighter than sample noise, significantly improving the safety probability of control systems.


翻译:高斯过程回归(GPR)是一种强大而优雅的方法,用于从含噪声数据中学习复杂函数,其应用范围广泛,包括安全关键领域。此类应用具有两个关键特征:(i)需要严格的误差量化;(ii)由于物理约束等原因,噪声通常是有界的且非高斯的。虽然存在针对非高斯噪声下应用GPR的误差界,但在实践中这些误差界往往过于严格和保守。本文针对有界支撑噪声下的GPR提出了新颖的误差界。具体而言,通过依赖集中不等式并假设潜在函数在对应于GP核的再生核希尔伯特空间(RKHS)中具有低复杂度,我们推导出了GPR误差的概率界和确定性界。我们证明这些误差界显著优于现有最先进的误差界,并且特别适用于具有神经网络核的GPR,即深度核学习(DKL)。此外,受安全关键领域应用的启发,我们阐述了如何将这些误差界与随机屏障函数相结合,以成功地从有限数据中量化未知动态系统的安全概率。我们通过多个基准测试以及与现有误差界的比较验证了我们方法的有效性。结果表明,我们的误差界始终更小,并且DKL能够产生比采样噪声更紧的误差界,从而显著提高了控制系统的安全概率。

1
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Knowledge Embedding Based Graph Convolutional Network
Arxiv
24+阅读 · 2021年4月23日
Geometric Graph Convolutional Neural Networks
Arxiv
10+阅读 · 2019年9月11日
Relational Deep Reinforcement Learning
Arxiv
10+阅读 · 2018年6月28日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
VIP会员
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关论文
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员