Gaussian process latent variable model(GPLVM)

2021. 6. 7. 11:09베이지안 딥러닝

Bell shape에 x축 : x-x'이라는 거리.

거리가 가까워지면 k가 커짐. 거리가 멀어지면 k가 작아짐.

kernel function의 의미 : 입력과 바로 옆 입력이 얼마가 비슷한지.

Kernel function이 존재하면 이걸로 span된 공간이 정의됨. 이 공간 : RKHS.

  • GPLVM은 non-linear probabilistic PCA (PPCA) 이라고 한다.
    • Dimension reduction
    • Non-linear mapping

이번시간 : PPCA와 GPLVM의 관계에 대해서 살펴보자.

PCA = SVD

Singular value : 축이 얼마나 중요한지.

 

$$W^{T}:\mathbb{R}^{n\times q}\rightarrow\mathbb{R}^{n\times q}$$

by $Y=XW^{T}$ where $W\in\mathbb{R}^{d\times q}$.

$$Y\overset{W}{\rightarrow}X\overset{W^{T}}{\rightarrow}Y$$

1) $W^{T}$ 에 대해서 보자. (Probabilistic PCA)

  • 가정 1
    • $X$ 를 iid, Gaussian이라고 가정
  • 가정 2
    • $$p(Y|X,W)=\Pi_{i=1}^{n}\mathcal{N}(y_{(i)}|Wx_{(i)},\beta^{-1}I)$$

Marginal likelihood

$$p(Y|W)=\int_{X}p(Y|X,W)p(X)dX$$

likelihood구한 이유 : 얘를 maximize하는 W를 찾자.

log취하고, 미분=0 => Solution : $$\hat{W}=U_{q}LV^{T}$$

where $U_{q}$ and $Λ_{q}$ are first $q$ eigenvectors and eigenvalues of $Y^{T}Y$ , $L = (Λ_{q} − β^{−1} I)^{1/2}$ , and $V$ is an arbitrary rotation matrix.

Note : $Λ_{q}$의 diagonal term은 모두 양수(symmetric, p.s.d)

$\beta^{-1}$ 이 $Λ_{q}$를 줄여주는 역할. SVD로 축을 만들면, 그 축을 얼마나 믿을지에 대한 정보를 $\beta^{-1}$ 로 잡음.

measurement noise에 해당하는 term = $\beta^{-1}$


2) $W$ 에 대해서 보자.(Dual Probabilistic PCA)

  • 가정 1
    • $W$ 를 iid, Gaussian이라고 가정
  • 가정 2
    • $$p(Y|X,W)=\Pi_{i=1}^{n}\mathcal{N}(y_{(i)}|Wx_{(i)},\beta^{-1}I)$$

Marginal likelihood

$$p(Y|X)=\int_{W}p(Y|X,W)p(W)dW$$

log취하고, 미분=0 => Solution : $$\hat{X}=U_{q}LV^{T}$$

where $U_{q}$ and $Λ_{q}$ are first $q$ eigenvectors and eigenvalues of $YY^{T}$ , $L = (Λ_{q} − β^{−1} I)^{1/2}$ , and $V$ is an arbitrary rotation matrix.

 

Note : $YY^{T}$ 가 kernel matrix -> Dual Probabilistic PCA = Kernel PCA

Prior 놓는게 다름.


Gaussian Process Latent Variable(GPLVM)

  • Gaussian process prior의 의미
    • Y는 X가 비슷하면 smooth해짐.
    • X : latent space , Y : observed data(image)에서 이미지가 조금 변하면 latent space에서도 조금 변하게 만들고 싶음.
  • t-sne
    • observed space에서 거리상의 비율이 latent space에서 거리상의 비율가 비슷하게 만들어줌.
  • 이런 가정들이 있는 learning = Manifold learning이라고 부름

DPPCA -> GPLVM. X가 kernel matrix속에 숨어있음.

Note : X의 초기값은 Y의 PCA로 주기도 함.

GPLVM의 단점 : 역시 K의 inverse를 구해야 하므로 $O(n^{3})$. 따라서 데이터가 많으면 쓰기 힘듦.

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