The Gaussian process state-space model (GPSSM) has attracted much attention over the past decade. However, the model representation power of the GPSSM is far from satisfactory. Most GPSSM studies rely on the standard Gaussian process (GP) with a preliminary kernel, such as the squared exponential (SE) kernel or Mat\'{e}rn kernel, which limits the model representation power and its application in complex scenarios. To address this issue, this paper proposes a novel class of probabilistic state-space models, called TGPSSMs. By leveraging a parametric normalizing flow, the TGPSSMs enrich the GP priors in the standard GPSSM, rendering the state-space model more flexible and expressive. Additionally, we present a scalable variational inference algorithm for learning and inference in TGPSSMs, which provides a flexible and optimal structure for the variational distribution of latent states. The algorithm is interpretable and computationally efficient owing to the sparse representation of GP and the bijective nature of normalizing flow. To further improve the learning and inference performance of the proposed algorithm, we integrate a constrained optimization framework to enhance the state-space representation capabilities and optimize the hyperparameters. The experimental results based on various synthetic and real datasets corroborate that the proposed TGPSSM yields superior learning and inference performance compared to several state-of-the-art methods. The accompanying source code is available at \url{https://github.com/zhidilin/TGPSSM}.


翻译:高斯过程状态空间模型(GPSSM)在过去十年中引起了广泛关注。然而,GPSSM 的模型表示能力远未令人满意。许多 GPSSM 研究依赖于标准高斯过程(GP),其中预备的内核,如平方指数(SE)内核或 Matern 内核,限制了模型表示能力以及其在复杂情况下的应用。为解决这个问题,本文提出了一种新的概率状态空间模型类,称为 TGPSSM。通过利用参数正则化流,TGPSSM 丰富了标准 GPSSM 的 GP 先验,使状态空间模型更加灵活和表达。此外,我们提出了一种可扩展的变分推理算法,用于 TGPSSM 中的学习和推断,为潜在状态的变分分布提供了灵活和最优的结构。该算法具有可解释性和计算效率,因为 GP 的稀疏表示和正则化流的双射性质。为了进一步提高所提出算法的学习和推断性能,我们集成了一个约束优化框架,以增强状态空间表示能力并优化超参数。基于各种合成和真实数据集的实验结果证实,所提出的 TGPSSM 相对于几种最先进的方法具有更好的学习和推断性能。随附源代码可在 \url{https://github.com/zhidilin/TGPSSM} 获得。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACML2020】张量网络机器学习:最近的进展和前沿,109页ppt
专知会员服务
54+阅读 · 2020年12月15日
最新《Transformers模型》教程,64页ppt
专知会员服务
291+阅读 · 2020年11月26日
【Google】平滑对抗训练,Smooth Adversarial Training
专知会员服务
47+阅读 · 2020年7月4日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
171+阅读 · 2019年10月11日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
vae 相关论文 表示学习 1
CreateAMind
12+阅读 · 2018年9月6日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【推荐】SVM实例教程
机器学习研究会
17+阅读 · 2017年8月26日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月18日
Arxiv
30+阅读 · 2022年2月15日
Interest-aware Message-Passing GCN for Recommendation
Arxiv
11+阅读 · 2021年2月19日
VIP会员
相关VIP内容
【ACML2020】张量网络机器学习:最近的进展和前沿,109页ppt
专知会员服务
54+阅读 · 2020年12月15日
最新《Transformers模型》教程,64页ppt
专知会员服务
291+阅读 · 2020年11月26日
【Google】平滑对抗训练,Smooth Adversarial Training
专知会员服务
47+阅读 · 2020年7月4日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
171+阅读 · 2019年10月11日
相关资讯
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
vae 相关论文 表示学习 1
CreateAMind
12+阅读 · 2018年9月6日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【推荐】SVM实例教程
机器学习研究会
17+阅读 · 2017年8月26日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员