Gaussian Process의 Weight space view | Function space view

2021. 6. 3. 13:56베이지안 딥러닝

Weight space view

Pseudo inverse

 

위는 bayesian이 아님.

Bayesian은 prior가 생김.

Bayesian은 찾고싶은 parameter(=weight = $w$ )에 대해 prior distribution을 주는 것.

 

Prior는 $w$ 가 주어졌을때, $y$ 의 확률분포를 구하는 것.

Posterior : 데이터가 있을 때, $w$ parameter에 대한 확률

 

Conjugate prior

Prior distribution에 많이 쓰는 것 : 뤼샤츠, 데이타, 감마, 가우시안(이게 아니면 posterior를 analytic하게 쓸수 없음)

posterior를 analytic하게 쓸수 있으면, 그때의 prior를 conjugate prior라고 부름

Likelihood도 Gaussian, w분포의 prior도 Gaussian일때 w의 posterior의 mean은 확률을 최대로 하는 w이다. 이 mean을 MAP라고 부른다. / MLE는 prior의 distribution이 없을때이다. / prior가 없다면, prior의 variance가 무한대=w에 대한 가정이 아얘 없다=랜덤이다 는 것과 같다. / prior가 없다면 MAP=MLE이다.

Bayesian은 새로운 데이터가 들어왔을때, posterior mean을 구해야 한다

posterior mean = mean over posterior $w$ :

$$E_{w|X,y} [p(f*|x*,w)]$$

새로운 데이터에 대해, distribution을 구하는 방법
likelihood와 prior를 Gaussian으로 가정하면 위와 같이 된다.

이 위까지는 Gaussian process가 아니다.

Kernel tricks

$$\phi : \mathbb{R}^D \rightarrow \mathbb{R}^N $$ where $x \rightarrow \phi (x).$ : $D$ 차원의 공간을 $N$ 차원의 낮은 차원으로 Embedding

여기서 prior distribution noise term인 $\sigma_n$ 가 존재. ($n$ 개의 prior에 대한 각각의 Gaussian noise)

Kernel tricks를 썼을 때, mean과 Cov.


Function space view

이 conditional gaussian 분포를 위 joint Gaussian distribution에 적용.

적용 후:

적용 후

$f$ 에 gaussian 이라는 prior를 두면 bayesian이 됨.

 

앞에는 measurement noise가 없음.

noise를 넣으면 cov matrix가 바뀜.

$$y = f(x) + \epsilon$$ where $\epsilon \sim \mathcal{N}(0,\sigma^2 _{n})$.

=>

=>

Measurement Noise 적용 후

=>

Measurement Noise적용 + conditional gaussian 적용 후

학생 질문 : 왜 nonparameteric method?

mean function을 잘 뜯어보면 representer theorem이 됨.(RKHS조건)

$$\mu_{*}=K(x_{*},X)(K(X,X)+\sigma_{n}^{2}I_{n})^{-1}\overrightarrow{y}=\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}k(x_{i},x_{*})$$ where $\overrightarrow{\alpha}=(K+\sigma_{n}^{2}I_{n})^{-1}\overrightarrow{y}$

이건 Harmonic analysis의 이론처럼 해석 가능하다.

 

의문점 : Kernel ridge regression이 뭐지?

의문점 : Harmonic analysis 이론이 뭐지?

 

Gaussian Process Regression에 대한 의견

장점 : 원리적(principled), 확률적(probabilistic), 예측가능한 불확실성(predictive uncertainty)

단점 : 계산량이 많음 = $n \times n$ matrix의 inverse를 계산해야 해서 $O(n^3)$ 임.

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