Bayesian Optimization with a Finite Budget: An Approximate Dynamic Programming Approach

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Lam R, Willcox K, Wolpert D H, et al. Bayesian Optimization with a Finite Budget: An Approximate Dynamic Programming Approach[C]. neural information processing systems, 2016: 883-891.

@article{lam2016bayesian,
title={Bayesian Optimization with a Finite Budget: An Approximate Dynamic Programming Approach},
author={Lam, Remi and Willcox, Karen and Wolpert, David H},
pages={883–891},
year={2016}}

貝葉斯優化中的多步優化策略. 像經典的EI方法, 就是隻考慮一步, 即希望找到
r(Sk,xk+1,fk+1)=max{0,fminSkfk+1} r(\mathcal{S}_k, x_{k+1},f_{k+1})=\max \{0, f_{min}^{\mathcal{S}_k}-f_{k+1}\}
的期望收益最大化的點xk+1x_{k+1}爲下一個評估點.

上式中的fminSkf_{min}^{\mathcal{S}_k}是指目標函數在集合Sk\mathcal{S}_k上的最小值.

主要內容

考慮如下動態規劃, 第k步的
狀態: Sk\mathcal{S}_k, 即觀測到的點;
控制: uku_k, 且uk(Sk)=xk+1u_k(\mathcal{S}_k)=x_{k+1}
擾動: wk:=fk+1p(f(xk+1)Sk)w_k:=f_{k+1} \sim p(f(x_{k+1})|\mathcal{S}_k);

設狀態轉移爲:
Sk+1=Fk(Sk,xk+1,fk+1)=Sk{(xk+1,fk+1)}. \mathcal{S}_{k+1} = \mathcal{F}_k (\mathcal{S}_{k}, x_{k+1}, f_{k+1}) = \mathcal{S}_{k}\cup \{(x_{k+1}, f_{k+1})\}.

收益(效用函數):
Uk(xk+1;Sk)=Ewk[rk(Sk,xk+1,fk+1)+Jk+1(Fk(Sk,xk+1,fk+1))],Jk(xk+1)=maxxk+1Uk,JN=rN(xN+1). U_k(x_{k+1}; \mathcal{S} _k) = \mathbb{E}_{w_k}[r_k(\mathcal{S}_k, x_{k+1}, f_{k+1})+J_{k+1}(\mathcal{F}_k (\mathcal{S}_{k}, x_{k+1}, f_{k+1}))], \\ J_k(x_{k+1}) = \max_{x_{k+1}} U_k,\\ J_N=r_N(x_{N+1}).

很自然的想法是, 我們最大化U1U_1, 來獲得所需的評估點, 但是問題是, 這個是一個嵌套的最大化優化問題, 不易求解.

本文采用rollout 算法來估計UkU_k, 具體如下:

給定基本的決策控制π=(π1,,πN)\pi = (\pi_1, \ldots, \pi_N)(比如最大化EI), 爲了最優化UkU_k, 我們先選擇用Hk+1H_{k+1}估計Jk+1J_{k+1}, 其定義如下:

在這裏插入圖片描述
其中n{k+1,,N1}n \in \{k+1, \ldots, N-1\}, γ[0,1]\gamma \in [0, 1] 用以調節增量.

HnH_n是一個期望, 可以用Gauss-Hermite正交化估計:
在這裏插入圖片描述

其中N~=min{k+h,N}\tilde{N} = \min \{k+h, N\}, 用以限制最大的估計步數, α(q)\alpha^{(q)}是正交係數, fn+1(q)f_{n+1}^{(q)}是Hermite多項式的根(大概).

於是, Uk(xk+1,Sk)U_k(x_{k+1},\mathcal{S}_k)便可用下式估計:
在這裏插入圖片描述
在這裏插入圖片描述

算法如下:

Input: h,γ,N,S1h, \gamma, N, \mathcal{S}_1;
repeat N:

  • 根據(20)近似最大化UkU_k
  • 更新Sk+1=Sk{(xk+1,fk+1)}\mathcal{S}_{k+1}=\mathcal{S}_k \cup \{(x_{k+1},f_{k+1})\}

out: fminSN+1f_{min}^{S_{N+1}}.

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