Robust Gaussian Process Regression With Input Uncertainty: A PAC-Bayes Perspective

一般化 计算机科学 高斯过程 贝叶斯定理 算法 上下界 边际似然 克里金 高斯分布 回归 机器学习 人工智能 数学优化 数学 贝叶斯概率 统计 数学分析 物理 量子力学
作者
Tianyu Liu,Jie Lü,Zheng Yan,Guangquan Zhang
出处
期刊:IEEE transactions on cybernetics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:54 (2): 962-973 被引量:7
标识
DOI:10.1109/tcyb.2022.3191022
摘要

The Gaussian process (GP) algorithm is considered as a powerful nonparametric-learning approach, which can provide uncertainty measurements on the predictions. The standard GP requires clearly observed data, unexpected perturbations in the input may lead to learned regression model mismatching. Besides, GP also suffers from the lack of good generalization performance guarantees. To deal with data uncertainty and provide a numerical generalization performance guarantee on the unknown data distribution, this article proposes a novel robust noisy input GP (NIGP) algorithm based on the probably approximately correct (PAC) Bayes theory. Furthermore, to reduce the computational complexity, we develop a sparse NIGP algorithm, and then develop a sparse PAC-Bayes NIGP approach. Compared with NIGP algorithms, instead of maximizing the marginal log likelihood, one can optimize the PAC-Bayes bound to pursue a tighter generalization error upper bound. Experiments verify that the NIGP algorithms can attain greater accuracy. Besides, the PAC-NIGP algorithms proposed herein can achieve both robust performance and improved generalization error upper bound in the face of both uncertain input and output data.
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