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Tipo: Dissertação
Título: Contributions on portfolio-based Bayesian optimization
Título em inglês: Contributions on portfolio-based Bayesian optimization
Autor(es): Vasconcelos, Thiago de Paula
Orientador: Gomes, João Paulo Pordeus
Coorientador: Mattos, César Lincoln Cavalcante
Palavras-chave: Bayesian optimization;Acquisition functions;Portfolio allocation;Thompson sampling
Data do documento: 2020
Citação: VASCONCELOS, Thiago de Paula. Contributions on portfolio-based Bayesian optimization. 2020. 53 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Resumo: A Otimização Bayesiana é um método para otimização de uma função caixa-preta, sendo especialmente adequada para funções de alto custo de avaliação. Uma das partes mais importantes do algoritmo de otimização Bayesiana, a função aquisição é de fundamental importância, uma vez que ela guia o algoritmo transformando a incerteza do modelo de regressão em uma medida de pontuação para cada ponto a ser avaliado. Considerando tal aspecto, a escolha e a definição de funções de aquisição são alguns dos tópicos de pesquisa mais populares da área. Como nenhuma função de aquisição foi provada ser melhor que todas as outras em todos os problemas, uma abordagem comum consiste em selecionar diferentes funções de aquisição ao longo das iterações da execução do método. Em tal abordagem o algoritmo GP-Hedge é uma opção amplamente usada dada sua simplicidade e desempenho. Apesar de seus bons resultados em diversas aplicações, o GP-Hedge apresenta propriedades indesejadas, como considerar o desempenho de todas as iterações passadas para cada função de aquisição ao selecionar a próxima função a ser usada. Nesse caso, valores muito bons ou muito ruins obtidos em uma iteração inicial pode impactar nas escolhas das funções de aquisição a serem usadas pelo resto do algoritmo. Isso pode fazer com que uma função de aquisição domine as outras, afetando o desempenho do método. Para superar tal limitação, este trabalho propõe uma variante do GP-Hedge, chamado de Normalized Portfolio Allocation Strategy BO (No-PASt-BO), que reduz a influência de avaliações passadas ao longo do tempo. Além disso, este método apresenta uma normalização que evita que as funções no portfólio tenham probabilidades iguais. Entretanto, tais melhorias foram alcançadas ao custo da adição de dois hiperparâmetros. Como evolução desse método, é proposto um segundo método que considera amostras da posteriori desses hyperparâmetros por meio de Thompson sampling. É possível atualizar as posteriores analiticamente a cada iteração desde que as pioris correspondentes sejam cuidadosamente escolhidas. Esta segunda abordagem, chamada de Selftunning Portfolio-based Bayesian Optimization (SeTuP-BO), mantém as vantagens do método No-Past-BO enquanto remove a necessidade de se ajustar manualmente os hyperparâmetros. Ambos os métodos e seus competidores foram avaliados em diferentes tarefas tendo ambos os métodos alcançado resultados promissores, indicando que os métodos propostos são competitivos com alternativas viáveis.
Abstract: Bayesian Optimization (BO) is a framework for black-box optimization that is especially suitable for expensive cost functions. Among the main parts of a BO algorithm, the acquisition function is of fundamental importance, since it guides the optimization algorithm by translating the uncertainty of the regression model in a utility measure for each point to be evaluated. Considering such aspect, selection and design of acquisition functions are one of the most popular research topics in BO. As no single acquisition function was proved to have better performance in all tasks, a well-established approach consists of selecting different acquisition functions along the iterations of a BO execution. In such approach, the GP-Hedge algorithm is a widely used option given its simplicity and good performance. Despite its success in various applications, GP-Hedge shows an undesirable characteristic of accounting on all past performance measures of each acquisition function to select the next function to be used. In this case, good or bad values obtained in an initial iteration may impact the choice of the acquisition function for the rest of the algorithm. This fact may induce a dominant behavior of an acquisition function and may impact the final performance of the method. To overcome such limitation, this work proposes a variant of GP-Hedge, named Normalized Portfolio Allocation Strategy BO (No-PASt-BO), that reduces the influence of far past evaluations. Moreover, this method presents a built-in normalization that avoids the functions in the portfolio to have similar probabilities, thus improving the exploration. However, such an improvement has been achieved at the cost of including two hyperparameters. To improve that method, it is proposed a second one which samples from the posterior of these portfolio hyperparameters during the optimization via Thompson sampling. We can update the posteriors analytically at each iteration by carefully choosing the corresponding priors. The later approach, named Self-Tunning Portfolio-based Bayesian Optimization (SeTuP-BO), maintains the advantages of the original No-PASt-BO method without needing manually tuning hyperparameters. We evaluated both methods and their competitors across several tasks achieving promising results, indicating that the proposed methods ares competitive with the available alternatives.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/54240
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