Gaussian mixtures can approximate almost any smooth density function and are used to simplify downstream inference tasks. As such, it is widely used in applications in density estimation, belief propagation, and Bayesian filtering. In these applications, a finite Gaussian mixture provides an initial approximation to density functions that are updated recursively. A challenge in these recursions is that the order of the Gaussian mixture increases exponentially, and the inference quickly becomes intractable. To overcome the difficulty, the Gaussian mixture reduction, which approximates a high order Gaussian mixture by one with a lower order, can be used. Existing methods such as the clustering-based approaches are renowned for their satisfactory performance and computationally efficiency. However, they have unknown convergence and optimal targets. We propose a novel optimization-based Gaussian mixture reduction method. We develop a majorization-minimization algorithm for its numerical computation and establish its theoretical convergence under general conditions. We show many existing clustering-based methods are special cases of ours, thus bridging the gap between optimization-based and clustering-based methods. The unified framework allows users to choose the most suitable cost function to achieve superior performance in their specific application. We demonstrate the efficiency and effectiveness of the proposed method through extensive empirical experiments.


翻译:Gausian 混合物可以近似任何光滑的密度功能,并用于简化下游测算任务。因此,它被广泛用于密度估计、信仰传播和Bayesian过滤等应用中。在这些应用中,有限的Gaussian混合物提供了密度函数的初步近似值,这些函数是循环更新的。这些循环中的一项挑战在于Gausian混合物的顺序会成倍增加,推论会很快变得棘手。为了克服这一困难,可以使用Gausian混合物的减少,它比高阶混合物的顺序要低一些,从而缩小以最低顺序排列的混合物之间的距离。现有方法,例如基于集群的方法,因其令人满意的性能和计算效率而著称。但是,它们具有未知的趋同性和最佳目标。我们建议了一个新的基于优化的Gaussian 混合物减少方法。我们为其数值计算制定主要-最小化算法,并在一般条件下建立理论趋同。我们发现许多现有的基于集群的方法都是我们的特殊案例,从而缩小了以优化为基础的方法与基于集群方法之间的差距。统一框架允许用户选择最合适的成本效益方法,以便通过高的实验方法取得高超的效能。我们提议的试验。

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