我们研究组合分配域，其中包括组合拍卖和课程分配。该域中的主要挑战是捆绑空间在项目数中呈指数增长。为了解决这一问题，最近有几篇论文提出了基于机器学习的偏好启发算法，旨在仅获取代理商最重要的信息。但是，这项先前工作的主要缺点是，它没有建模机制对尚未引起的捆绑的不确定性。在本文中，我们通过提出基于贝叶斯优化的组合分配（BOCA）机制来解决这一缺点。我们的主要技术贡献是将捕获模型不确定性捕获到迭代组合拍卖机制中的方法。具体而言，我们设计了一种新方法，用于估计可以用作采集函数的上部不确定性结合，以确定对代理的下一个查询。这使该机制能够在其偏好启发阶段正确探索（而不仅仅是利用）束空间。我们在几个频谱拍卖域中运行计算实验，以评估BOCA的性能。我们的结果表明，BOCA比最先进的方法提高了分配效率。
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我们研究了回归中神经网络（NNS）的模型不确定性的方法。为了隔离模型不确定性的效果，我们专注于稀缺训练数据的无噪声环境。我们介绍了关于任何方法都应满足的模型不确定性的五个重要的逃亡者。但是，我们发现，建立的基准通常无法可靠地捕获其中一些逃避者，即使是贝叶斯理论要求的基准。为了解决这个问题，我们介绍了一种新方法来捕获NNS的模型不确定性，我们称之为基于神经优化的模型不确定性（NOMU）。 NOMU的主要思想是设计一个由两个连接的子NN组成的网络体系结构，一个用于模型预测，一个用于模型不确定性，并使用精心设计的损耗函数进行训练。重要的是，我们的设计执行NOMU满足我们的五个Desiderata。由于其模块化体系结构，NOMU可以为任何给定（先前训练）NN提供模型不确定性，如果访问其培训数据。我们在各种回归任务和无嘈杂的贝叶斯优化（BO）中评估NOMU，并具有昂贵的评估。在回归中，NOMU至少和最先进的方法。在BO中，Nomu甚至胜过所有考虑的基准。
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收购用于监督学习的标签可能很昂贵。为了提高神经网络回归的样本效率，我们研究了活跃的学习方法，这些方法可以适应地选择未标记的数据进行标记。我们提出了一个框架，用于从（与网络相关的）基础内核，内核转换和选择方法中构造此类方法。我们的框架涵盖了许多基于神经网络的高斯过程近似以及非乘式方法的现有贝叶斯方法。此外，我们建议用草图的有限宽度神经切线核代替常用的最后层特征，并将它们与一种新型的聚类方法结合在一起。为了评估不同的方法，我们引入了一个由15个大型表格回归数据集组成的开源基准。我们所提出的方法的表现优于我们的基准测试上的最新方法，缩放到大数据集，并在不调整网络体系结构或培训代码的情况下开箱即用。我们提供开源代码，包括所有内核，内核转换和选择方法的有效实现，并可用于复制我们的结果。
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我们证明了由例如He等人提出的广泛使用的方法。（2015年）并使用梯度下降对最小二乘损失进行训练并不普遍。具体而言，我们描述了一大批一维数据生成分布，较高的概率下降只会发现优化景观的局部最小值不好，因为它无法将其偏离偏差远离其初始化，以零移动。。事实证明，在这些情况下，即使目标函数是非线性的，发现的网络也基本执行线性回归。我们进一步提供了数值证据，表明在实际情况下，对于某些多维分布而发生这种情况，并且随机梯度下降表现出相似的行为。我们还提供了有关初始化和优化器的选择如何影响这种行为的经验结果。
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大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。
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在过去几十年中，已经提出了各种方法，用于估计回归设置中的预测间隔，包括贝叶斯方法，集合方法，直接间隔估计方法和保形预测方法。重要问题是这些方法的校准：生成的预测间隔应该具有预定义的覆盖水平，而不会过于保守。在这项工作中，我们从概念和实验的角度审查上述四类方法。结果来自各个域的基准数据集突出显示从一个数据集中的性能的大波动。这些观察可能归因于违反某些类别的某些方法所固有的某些假设。我们说明了如何将共形预测用作提供不具有校准步骤的方法的方法的一般校准程序。
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出现了前两种算法，作为汤普森采样对多臂匪徒模型中最佳手臂识别的适应（Russo，2016），用于武器的参数家族。他们通过在两个候选臂，一个领导者和一个挑战者中随机化来选择下一个要采样的臂。尽管具有良好的经验表现，但仅当手臂是具有已知差异的高斯时，才能获得固定信心最佳手臂识别的理论保证。在本文中，我们提供了对两种方法的一般分析，该方法确定了领导者，挑战者和武器（可能是非参数）分布的理想特性。结果，我们获得了理论上支持的前两种算法，用于具有有限分布的最佳臂识别。我们的证明方法特别证明了用于选择从汤普森采样继承的领导者的采样步骤可以用其他选择代替，例如选择经验最佳的臂。
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在随着时间变化的组合环境中的在线决策激励，我们研究了将离线算法转换为其在线对应物的问题。我们专注于使用贪婪算法对局部错误的贪婪算法进行恒定因子近似的离线组合问题。对于此类问题，我们提供了一个通用框架，该框架可有效地将稳健的贪婪算法转换为使用Blackwell的易近算法。我们证明，在完整信息设置下，由此产生的在线算法具有$ O（\ sqrt {t}）$（近似）遗憾。我们进一步介绍了Blackwell易接近性的强盗扩展，我们称之为Bandit Blackwell的可接近性。我们利用这一概念将贪婪的稳健离线算法转变为匪（t^{2/3}）$（近似）$（近似）的遗憾。展示了我们框架的灵活性，我们将脱机之间的转换应用于收入管理，市场设计和在线优化的几个问题，包括在线平台中的产品排名优化，拍卖中的储备价格优化以及supperular tossodular最大化。 。我们还将还原扩展到连续优化的类似贪婪的一阶方法，例如用于最大化连续强的DR单调下调功能，这些功能受到凸约束的约束。我们表明，当应用于这些应用程序时，我们的转型会导致新的后悔界限或改善当前已知界限。我们通过为我们的两个应用进行数值模拟来补充我们的理论研究，在这两种应用中，我们都观察到，转换的数值性能在实际情况下优于理论保证。
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我们研究了通过中等数量的成对比较查询引发决策者偏好的问题，以使它们成为特定问题的高质量推荐。我们受到高赌场域中的应用程序的推动，例如选择分配稀缺资源的政策以满足基本需求（例如，用于移植或住房的肾脏，因为那些经历无家可归者），其中需要由（部分）提出引出的偏好。我们在基于偏好的偏好中模拟不确定性，并调查两个设置：a）脱机偏出设置，其中所有查询都是一次，b）在线诱因设置，其中按时间顺序选择查询。我们提出了这些问题的强大优化制剂，这些问题集成了偏好诱导和推荐阶段，其目的是最大化最坏情况的效用或最小化最坏情况的后悔，并研究其复杂性。对于离线案例，在活动偏好诱导与决策信息发现的两个半阶段的稳健优化问题的形式中，我们提供了我们通过列解决的混合二进制线性程序的形式提供了等效的重构。 -Constraint生成。对于在线设置，主动偏好学习采用多级强大优化问题的形式与决策依赖的信息发现，我们提出了一种保守的解决方案方法。合成数据的数值研究表明，我们的方法在最坏情况级别，后悔和效用方面从文献中倾斜最先进的方法。我们展示了我们的方法论如何用于协助无家可归的服务机构选择分配不同类型的稀缺住房资源的政策，以遇到无家可归者。
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这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。
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Bayesian optimization provides sample-efficient global optimization for a broad range of applications, including automatic machine learning, engineering, physics, and experimental design. We introduce BOTORCH, a modern programming framework for Bayesian optimization that combines Monte-Carlo (MC) acquisition functions, a novel sample average approximation optimization approach, autodifferentiation, and variance reduction techniques. BOTORCH's modular design facilitates flexible specification and optimization of probabilistic models written in PyTorch, simplifying implementation of new acquisition functions. Our approach is backed by novel theoretical convergence results and made practical by a distinctive algorithmic foundation that leverages fast predictive distributions, hardware acceleration, and deterministic optimization. We also propose a novel "one-shot" formulation of the Knowledge Gradient, enabled by a combination of our theoretical and software contributions. In experiments, we demonstrate the improved sample efficiency of BOTORCH relative to other popular libraries.34th Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS 2020),
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贝叶斯优化（BO）已成为黑框函数的顺序优化。当BO用于优化目标函数时，我们通常可以访问对潜在相关功能的先前评估。这就提出了一个问题，即我们是否可以通过元学习（meta-bo）来利用这些先前的经验来加速当前的BO任务，同时确保稳健性抵抗可能破坏BO融合的潜在有害的不同任务。本文介绍了两种可扩展且可证明的稳健元算法：稳健的元高斯过程 - 加工置信度结合（RM-GP-UCB）和RM-GP-thompson采样（RM-GP-TS）。我们证明，即使某些或所有以前的任务与当前的任务不同，这两种算法在渐近上都是无重组的，并且证明RM-GP-UCB比RM-GP-TS具有更好的理论鲁棒性。我们还利用理论保证，通过通过在线学习最大程度地减少遗憾，优化分配给各个任务的权重，从而减少了相似任务的影响，从而进一步增强了稳健性。经验评估表明，（a）RM-GP-UCB在各种应用程序中都有效，一致地性能，（b）RM-GP-TS，尽管在理论上和实践中都比RM-GP-ucb稳健，但在实践中，在竞争性中表现出色某些方案具有较小的任务，并且在计算上更有效。
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在臂分布的标准假设下广泛研究了随机多臂强盗问题（例如，用已知的支持，指数家庭等）。这些假设适用于许多现实世界问题，但有时他们需要知识（例如，在尾部上），从业者可能无法精确访问，提高强盗算法的鲁棒性的问题，以模拟拼盘。在本文中，我们研究了一种通用的Dirichlet采样（DS）算法，基于通过重新采样的武器观测和数据相关的探索奖励计算的经验指标的成对比较。我们表明，当该策略的界限和对数后悔具有轻度分量度条件的半界分布时，这种策略的不同变体达到了可证明的最佳遗憾。我们还表明，一项简单的调整在大类无界分布方面实现了坚固性，其成本比对数渐近的遗憾略差。我们终于提供了数字实验，展示了合成农业数据的决策问题中DS的优点。
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这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。
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2021-12-06
计算高效的非近视贝叶斯优化（BO）的最新进展提高了传统近视方法的查询效率，如预期的改进，同时仅适度提高计算成本。然而，这些进展在很大程度上是有限的，因为不受约束的优化。对于约束优化，少数现有的非近视博方法需要重量计算。例如，一个现有的非近视约束BO方法[LAM和Willcox，2017]依赖于计算昂贵的不可靠的暴力衍生物的无可靠性衍生物优化蒙特卡罗卷展卷采集功能。使用Reparameterization技巧进行更有效的基于衍生物的优化的方法，如在不受约束的环境中，如样本平均近似和无限扰动分析，不扩展：约束在取样的采集功能表面中引入阻碍其优化的不连续性。此外，我们认为非近视在受限制问题中更为重要，因为违反限制的恐惧将近视方法推动了可行和不可行区域之间的边界，减缓了具有严格约束的最佳解决方案的发现。在本文中，我们提出了一种计算的有效的两步保护受限贝叶斯优化采集功能（2-OPT-C）支持顺序和批处理设置。为了实现快速采集功能优化，我们开发了一种新的基于似然比的非偏见估计，其两步最佳采集函数的梯度不使用Reparameterization技巧。在数值实验中，2-OPT-C通常通过先前的方法通过2倍或更多的查询效率，并且在某些情况下通过10倍或更大。
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近年来目睹了采用灵活的机械学习模型进行乐器变量（IV）回归的兴趣，但仍然缺乏不确定性量化方法的发展。在这项工作中，我们为IV次数回归提出了一种新的Quasi-Bayesian程序，建立了最近开发的核化IV模型和IV回归的双/极小配方。我们通过在$ l_2 $和sobolev规范中建立最低限度的最佳收缩率，并讨论可信球的常见有效性来分析所提出的方法的频繁行为。我们进一步推出了一种可扩展的推理算法，可以扩展到与宽神经网络模型一起工作。实证评价表明，我们的方法对复杂的高维问题产生了丰富的不确定性估计。
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我们研究了通过具有整流线性单元（Relu）激活的前馈神经网络建模目标函数的优化问题。最近的文献已经探讨了单一神经网络的使用来模拟目标函数内的不确定或复杂元素。然而，众所周知，神经网络的集合产生更稳定的预测，并且具有比具有单个神经网络的模型更好的普遍性，这表明在决策管道中应用神经网络的集合。我们研究如何将神经网络集合纳入优化模型的客观函数，并探索随后的问题的计算方法。我们基于现有流行的大量M $配方提供了一种混合整数线性程序，以优化单个神经网络。我们为我们的模型开发了两个加速技术，首先是一种预处理程序，用于拧紧神经网络中的关键神经元的界限，而第二个是基于弯曲分解的一组有效的不等式。我们解决方案方法的实验评估在一个全球优化问题和两个现实世界数据集中进行;结果表明，我们的优化算法在计算时间和最优性间隙方面优于最先进的方法的适应。
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Performance of machine learning algorithms depends critically on identifying a good set of hyperparameters. While recent approaches use Bayesian optimization to adaptively select configurations, we focus on speeding up random search through adaptive resource allocation and early-stopping. We formulate hyperparameter optimization as a pure-exploration nonstochastic infinite-armed bandit problem where a predefined resource like iterations, data samples, or features is allocated to randomly sampled configurations. We introduce a novel algorithm, Hyperband, for this framework and analyze its theoretical properties, providing several desirable guarantees. Furthermore, we compare Hyperband with popular Bayesian optimization methods on a suite of hyperparameter optimization problems. We observe that Hyperband can provide over an order-of-magnitude speedup over our competitor set on a variety of deep-learning and kernel-based learning problems.
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非政策评估和学习（OPE/L）使用离线观察数据来做出更好的决策，这对于在线实验有限的应用至关重要。但是，完全取决于记录的数据，OPE/L对环境分布的变化很敏感 - 数据生成环境和部署策略的差异。 \ citet {si2020distributional}提议的分布在稳健的OPE/L（Drope/L）解决此问题，但该提案依赖于逆向权重，如果估计错误和遗憾，如果倾向是非参数估计的，即使其差异是次级估计，即使是次级估计的，其估计错误和遗憾将降低。对于标准的，非体，OPE/L，这是通过双重鲁棒（DR）方法来解决的，但它们并不自然地扩展到更复杂的drop/l，涉及最糟糕的期望。在本文中，我们提出了具有KL-Divergence不确定性集的DROPE/L的第一个DR算法。为了进行评估，我们提出了局部双重稳健的drope（LDR $^2 $ ope），并表明它在弱产品速率条件下实现了半摩托效率。多亏了本地化技术，LDR $^2 $ OPE仅需要安装少量回归，就像标准OPE的DR方法一样。为了学习，我们提出了连续的双重稳健下降（CDR $^2 $ opl），并表明，在涉及连续回归的产品速率条件下，它具有$ \ Mathcal {o} \ left的快速后悔率（n^） {-1/2} \ right）$即使未知的倾向是非参数估计的。我们从经验上验证了模拟中的算法，并将结果进一步扩展到一般$ f $ divergence的不确定性集。
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当前独立于域的经典计划者需要问题域和实例作为输入的符号模型，从而导致知识采集瓶颈。同时，尽管深度学习在许多领域都取得了重大成功，但知识是在与符号系统（例如计划者）不兼容的亚符号表示中编码的。我们提出了Latplan，这是一种无监督的建筑，结合了深度学习和经典计划。只有一组未标记的图像对，显示了环境中允许的过渡子集（训练输入），Latplan学习了环境的完整命题PDDL动作模型。稍后，当给出代表初始状态和目标状态（计划输入）的一对图像时，Latplan在符号潜在空间中找到了目标状态的计划，并返回可视化的计划执行。我们使用6个计划域的基于图像的版本来评估LATPLAN：8个插头，15个式嘴，Blockworld，Sokoban和两个LightsOut的变体。
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