Gaussian Processes for Machine Learning
高斯过程是一种在机械学习中广泛使用的非参数概率模型,它通过高斯过程回归(Gaussian Process Regression,GPR)和高斯过程分类(Gaussian Process Classification,GPC)等技术来处理回归和分类问题。在高斯过程模型中,协方差函数(covariance function)扮演着至关重要的角色。协方差函数被用于编码我们关于要学习的函数的假设,它定义了输入空间中点之间的相似性,或者说是“邻近性”。本章将介绍几种常用的协方差函数,并探讨它们的性质。 需要对协方差函数进行一些基本术语的定义。例如,平稳协方差函数(stationary covariance function)是指只依赖于输入空间中两点之间差值的函数,即形式为f(x - x')。由于它在输入空间中对平移具有不变性,因此可以称为平稳的。此外,平稳过程可以具有常数均值,并且其协方差函数对平移保持不变。当一个过程的所有有限维分布都相同,并且对输入空间的平移保持不变时,该过程被称为严格平稳的。 对于协方差函数来说,它必须满足正定(positive semidefinite)的性质,这是构建有效高斯过程模型的一个基本要求。正定性质确保了协方差矩阵是半正定的,这在数学上保证了概率模型的合法性和合理性。例如,平方指数协方差函数是一种常用的协方差函数,它适用于连续输入空间,并且对距离函数的尺度变化具有良好的灵活性。 此外,本章还介绍了如何通过已有的协方差函数来构造新的协方差函数。这可能包括将不同的协方差函数以某种方式结合起来,以便更好地适应数据的特定特性。 特征函数分析(eigenfunction analysis)是协方差函数研究中的一个重要内容。Mercer定理是一个关键理论,它说明了在某些条件下,可以将协方差函数表示为特征函数和特征值的积分形式。这一理论不仅对理解协方差函数的内在结构具有重要意义,而且在实际应用中也有助于简化计算过程。 在高斯过程的研究中,还涉及到了输入域为结构化对象(如字符串和树等)时的协方差函数定义。这扩展了高斯过程的应用范围,使其能够处理更加复杂和非欧几里得类型的数据结构。例如,当输入域是字符串时,需要特殊的协方差函数来捕捉字符串之间的相似性,并在此基础上进行有效的学习和预测。 对于高斯过程的分类问题,本章中虽然没有详细展开,但协方差函数同样起着重要作用。在GPC中,协方差函数有助于定义数据点之间的相似性,从而可以用来推断新点的类别。与回归问题类似,GPC同样需要选择合适的协方差函数来刻画输入空间的特性。 总结来说,高斯过程中的协方差函数不仅在理论上具有重要意义,还在实际应用中发挥着关键作用。通过选择和设计合适的协方差函数,可以使得高斯过程模型能够更有效地学习数据中的复杂模式,以及对未见数据进行更准确的预测。对于想要深入研究高斯过程的读者,理解协方差函数的本质和性质是不可或缺的一步。

















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