Although it is widely known that Gaussian processes can be conditioned on observations of the gradient, this functionality is of limited use due to the prohibitive computational cost of $\mathcal{O}(N^3 D^3)$ in data points $N$ and dimension $D$. The dilemma of gradient observations is that a single one of them comes at the same cost as $D$ independent function evaluations, so the latter are often preferred. Careful scrutiny reveals, however, that derivative observations give rise to highly structured kernel Gram matrices for very general classes of kernels (inter alia, stationary kernels). We show that in the low-data regime $N<D$, the Gram matrix can be decomposed in a manner that reduces the cost of inference to $\mathcal{O}(N^2D + (N^2)^3)$ (i.e., linear in the number of dimensions) and, in special cases, to $\mathcal{O}(N^2D + N^3)$. This reduction in complexity opens up new use-cases for inference with gradients especially in the high-dimensional regime, where the information-to-cost ratio of gradient observations significantly increases. We demonstrate this potential in a variety of tasks relevant for machine learning, such as optimization and Hamiltonian Monte Carlo with predictive gradients.


翻译:虽然众所周知,高斯进程可以以对梯度的观测为条件,但这一功能的用途有限,因为数据点和维度$D$的计算成本高得令人望而却步(N3D3D3美元),数据点和维度$D$的计算成本高得令人望而生畏。 梯度观测的两难困境是,其中一个进程的成本与独立功能评估相同,因此后者往往更受青睐。仔细的检查表明,衍生的观测为非常普通的内核(除其他外,固定内核)带来高度结构化的Gram矩阵。我们表明,在低数据机制中,Gram矩阵可以以降低推论成本的方式进行调整,降低对$mathcal{O}(N2D+(N2)3美元)的推断成本成本成本,因此后者往往更受青睐。 但是,在特殊的情况下,衍生的观测结果显示,在非常普通的类别(N%2D+N3)内核核核内内核核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内核内 。 。

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