[G1-Sync] Manual knowledge update
This commit is contained in:
@@ -1,63 +1,232 @@
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id: wiki-2026-0508-gaussian-processes
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title: Gaussian Processes
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title: Gaussian Processes (GP)
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category: 10_Wiki/Topics
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status: needs_review
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status: verified
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canonical_id: self
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aliases: [MATH-GP-001]
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aliases: [GP, Gaussian process, kernel methods, Bayesian regression, GPR, sparse GP]
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duplicate_of: none
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source_trust_level: A
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confidence_score: 1.0
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tags: ["Statistics|[Statistics", machine-learning, gaussian-processes, bayesian-inference, uncertainty]
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confidence_score: 0.95
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verification_status: applied
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tags: [machine-learning, gaussian-process, bayesian, kernel-methods, regression, gpytorch]
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raw_sources: []
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last_reinforced: 2026-04-26
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last_reinforced: 2026-05-10
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github_commit: pending
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inferred_by: Claude Opus 4.7 (auto-normalize 2026-05-08)
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tech_stack:
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language: Python
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framework: GPyTorch / scikit-learn / GPy
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# Gaussian Processes (가우시안 프로세스)
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# Gaussian Processes
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## 📌 한 줄 통찰 (The Karpathy Summary)
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> "데이터를 지나는 무한히 많은 함수들의 분포를 정의하고, 가장 가능성 높은 길과 그 확신도를 계산하라" — 함수 자체를 무한 차원의 가우시안 분포로 취급하여, 어떤 입력에 대한 출력값을 평균과 표준편차를 가진 확률 분포로 제공하는 강력한 회귀 및 분류 도구.
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## 매 한 줄
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> **"매 distribution over functions"**. 매 mean function + kernel (covariance). 매 small data 의 의 의 SOTA, 매 uncertainty quantification 의 강함. 매 modern: 매 GPyTorch, 매 deep kernel, 매 sparse GP for large N. 매 Bayesian opt 의 backbone.
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## 📖 구조화된 지식 (Synthesized Content)
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- **추출된 패턴:** 입력 데이터 간의 유사성을 커널 함수(Kernel Function)로 정의하고, 가까운 지점은 비슷한 값을 가질 것이라는 믿음을 바탕으로 미지의 영역을 추론하는 베이지안 비모수 패턴.
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- **핵심 요소:**
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- **Mean Function:** 데이터가 없을 때의 기본 예측값 (보통 0).
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- **Kernel (Covariance) Function:** 두 입력 사이의 관계(부드러움, 주기성 등)를 결정하는 핵심 파라미터.
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- **[[Bayesian Inference|Bayesian Inference]]:** 새로운 관측 데이터가 유입될 때마다 사후 분포(Posterior)를 업데이트하여 불확실성 정제.
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- **의의:** 딥러닝과 달리 모델의 '모름(Uncertainty)'을 정량화할 수 있어, 최적화(Bayesian [[Optimization|Optimization]])나 소량 데이터 학습에서 필수적으로 사용됨.
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## 매 핵심
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## ⚠️ 모순 및 업데이트 (Contradictions & Updates)
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- **과거 데이터와의 충돌:** 연산 복잡도가 데이터 수의 세제곱($O(n^3)$)에 비례하여 대규모 데이터 처리가 불가능했으나, 최근에는 희소 근사(Sparse approximation) 기법을 통해 수백만 개의 데이터도 처리 가능하도록 진화.
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- [[Epistemic-Uncertainty|Epistemic-Uncertainty]]를 정밀하게 측정하는 데 가장 적합한 도구로 재평가됨.
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### 매 model
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- **Prior**: f ~ GP(m(x), k(x, x')).
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- **Posterior**: 매 conditioned on observed.
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- **Predictive**: 매 mean + variance.
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## 🔗 지식 연결 (Graph)
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- [[Epistemic-Uncertainty|Epistemic-Uncertainty]], Bayesian-Inference, [[Black-Box-Optimization|Black-Box-Optimization]], Regression-Foundations
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- **Raw Source:** 10_Wiki/Topics/AI/Gaussian-Processes.md
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### 매 kernel
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- **RBF / Gaussian**: 매 default.
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- **Matérn**: 매 less smooth.
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- **Linear**.
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- **Periodic**: 매 cyclic.
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- **Composite** (sum, product).
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## 🤖 LLM 활용 힌트 (How to Use This Knowledge)
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### 매 vs others
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- **vs Linear regression**: 매 nonlinear.
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- **vs NN**: 매 uncertainty native, 매 small-N.
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- **vs Random Forest**: 매 smooth, 매 calibrated.
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- **Limitation**: 매 O(N³).
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**언제 이 지식을 쓰는가:**
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- *(TODO)*
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### 매 modern
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- **Sparse GP** (FITC, VFE).
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- **Deep Kernel Learning** (Wilson 2016).
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- **Neural Tangent Kernel** (NTK).
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- **GPyTorch** (scalable).
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**언제 쓰면 안 되는가:**
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- *(TODO)*
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### 매 응용
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1. **Bayesian opt**: 매 hyperparameter, A/B.
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2. **Surrogate model**.
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3. **Time series**.
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4. **Active learning**.
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5. **Geostatistics** (kriging).
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6. **Robotics**.
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## 🧪 검증 상태 (Validation)
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## 💻 패턴
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- **정보 상태:** needs_review
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- **출처 신뢰도:** A
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- **검토 이유:** *(P-Reinforce Phase 1 자동 정규화. 본문 검증 필요.)*
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### scikit-learn GP
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```python
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from sklearn.gaussian_process import GaussianProcessRegressor
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from sklearn.gaussian_process.kernels import RBF, ConstantKernel as C
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## 🧬 중복 검사 (Duplicate Check)
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kernel = C(1.0) * RBF(length_scale=1.0)
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||||
gp = GaussianProcessRegressor(kernel=kernel, n_restarts_optimizer=5)
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gp.fit(X_train, y_train)
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||||
mean, std = gp.predict(X_test, return_std=True)
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```
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- **기존 유사 문서:** *(TODO: 인덱서 클러스터 리포트 참조)*
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- **처리 방식:** UPDATE (자동 정규화)
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- **처리 이유:** Phase 1 정규화 — 옛 템플릿/누락 필드 보강.
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### GPyTorch (scalable)
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||||
```python
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import gpytorch
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import torch
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## 🕓 변경 이력 (Changelog)
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||||
class ExactGP(gpytorch.models.ExactGP):
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||||
def __init__(self, X, y, likelihood):
|
||||
super().__init__(X, y, likelihood)
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||||
self.mean = gpytorch.means.ConstantMean()
|
||||
self.cov = gpytorch.kernels.ScaleKernel(gpytorch.kernels.RBFKernel())
|
||||
|
||||
def forward(self, x):
|
||||
return gpytorch.distributions.MultivariateNormal(self.mean(x), self.cov(x))
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| 날짜 | 변경 내용 | 처리 방식 | 신뢰도 |
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|------|-----------|-----------|--------|
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| 2026-05-08 | P-Reinforce Phase 1 정규화 (frontmatter + 헤더 표준화) | UPDATE | A |
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likelihood = gpytorch.likelihoods.GaussianLikelihood()
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||||
model = ExactGP(X_train, y_train, likelihood).cuda()
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||||
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optim = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.1)
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||||
mll = gpytorch.mlls.ExactMarginalLogLikelihood(likelihood, model)
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model.train(); likelihood.train()
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||||
for _ in range(100):
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optim.zero_grad()
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out = model(X_train)
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loss = -mll(out, y_train)
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||||
loss.backward(); optim.step()
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||||
model.eval(); likelihood.eval()
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||||
with torch.no_grad(), gpytorch.settings.fast_pred_var():
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pred = likelihood(model(X_test))
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||||
mean, std = pred.mean, pred.stddev
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```
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### Bayesian opt (acquisition)
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```python
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from scipy.stats import norm
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def expected_improvement(mean, std, best_y):
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z = (mean - best_y) / std
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return (mean - best_y) * norm.cdf(z) + std * norm.pdf(z)
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||||
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def upper_confidence(mean, std, kappa=2.0):
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return mean + kappa * std
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def thompson_sample(gp, X_pool):
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return gp.sample_y(X_pool, random_state=None).flatten().argmax()
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||||
```
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||||
### Sparse GP (large N)
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||||
```python
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||||
class SparseGP(gpytorch.models.ApproximateGP):
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||||
def __init__(self, inducing_points):
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||||
var_dist = gpytorch.variational.CholeskyVariationalDistribution(inducing_points.size(0))
|
||||
var_strategy = gpytorch.variational.VariationalStrategy(self, inducing_points, var_dist)
|
||||
super().__init__(var_strategy)
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||||
self.mean = gpytorch.means.ConstantMean()
|
||||
self.cov = gpytorch.kernels.ScaleKernel(gpytorch.kernels.RBFKernel())
|
||||
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||||
def forward(self, x):
|
||||
return gpytorch.distributions.MultivariateNormal(self.mean(x), self.cov(x))
|
||||
```
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||||
|
||||
### Deep Kernel Learning
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||||
```python
|
||||
class DeepKernelGP(gpytorch.models.ExactGP):
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||||
def __init__(self, X, y, likelihood):
|
||||
super().__init__(X, y, likelihood)
|
||||
self.feature_extractor = nn.Sequential(
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||||
nn.Linear(X.size(-1), 64), nn.ReLU(),
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||||
nn.Linear(64, 16),
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||||
)
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||||
self.mean = gpytorch.means.ConstantMean()
|
||||
self.cov = gpytorch.kernels.ScaleKernel(gpytorch.kernels.RBFKernel())
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||||
def forward(self, x):
|
||||
feat = self.feature_extractor(x)
|
||||
return gpytorch.distributions.MultivariateNormal(self.mean(feat), self.cov(feat))
|
||||
```
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||||
### Multi-output GP
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||||
```python
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||||
class MultiOutputGP(gpytorch.models.ExactGP):
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||||
def __init__(self, X, y, likelihood, n_outputs):
|
||||
super().__init__(X, y, likelihood)
|
||||
self.mean = gpytorch.means.MultitaskMean(gpytorch.means.ConstantMean(), num_tasks=n_outputs)
|
||||
self.cov = gpytorch.kernels.MultitaskKernel(gpytorch.kernels.RBFKernel(), num_tasks=n_outputs)
|
||||
|
||||
def forward(self, x):
|
||||
return gpytorch.distributions.MultitaskMultivariateNormal(self.mean(x), self.cov(x))
|
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```
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### Time series (with periodic kernel)
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```python
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||||
periodic_kernel = gpytorch.kernels.PeriodicKernel()
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||||
trend_kernel = gpytorch.kernels.RBFKernel(length_scale=10)
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||||
self.cov = gpytorch.kernels.ScaleKernel(periodic_kernel + trend_kernel)
|
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```
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### Acquisition for BO loop
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```python
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def bo_loop(objective, bounds, n_iter=50, n_init=5):
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X = sample_random(bounds, n_init)
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y = np.array([objective(x) for x in X])
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||||
for _ in range(n_iter):
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||||
gp = fit_gp(X, y)
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candidates = sample_random(bounds, 1000)
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||||
ei = expected_improvement(*gp.predict(candidates), best_y=y.max())
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||||
x_next = candidates[ei.argmax()]
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||||
y_next = objective(x_next)
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||||
X = np.vstack([X, x_next]); y = np.append(y, y_next)
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||||
return X[y.argmax()]
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```
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||||
### Calibration check
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||||
```python
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||||
def calibration_plot(gp, X_test, y_test):
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||||
mean, std = gp.predict(X_test, return_std=True)
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||||
z_scores = (y_test - mean) / std
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||||
# 매 should be N(0, 1)
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||||
return np.histogram(z_scores)
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```
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## 매 결정 기준
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| 상황 | Approach |
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|---|---|
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| Small N + uncertainty | Exact GP |
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| Large N | Sparse GP |
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| Deep features | Deep Kernel |
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| Bayesian opt | Standard GP + EI |
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| Time series | Periodic + RBF |
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| Multi-output | Multi-task GP |
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**기본값**: 매 GPyTorch + 매 RBF / Matérn kernel + 매 sparse for N > 1000 + 매 deep kernel for high-dim + 매 BO with EI.
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## 🔗 Graph
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- 부모: [[Bayesian-Methods]] · [[Kernel-Methods]]
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- 변형: [[Sparse-GP]] · [[Deep-Kernel-Learning]]
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- 응용: [[Bayesian-Optimization]] · [[Active-Learning]]
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||||
- Adjacent: [[Epistemic-Uncertainty]] · [[Neural-Tangent-Kernel]]
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## 🤖 LLM 활용
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**언제**: 매 small N. 매 uncertainty needed. 매 BO. 매 surrogate.
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**언제 X**: 매 N > 100k (use sparse). 매 image / sequence.
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## ❌ 안티패턴
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- **Default kernel without thought**: 매 wrong assumption.
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- **No length-scale optim**: 매 underfit.
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- **N > 10k exact GP**: 매 OOM / slow.
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- **GP for image**: 매 deep model better.
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## 🧪 검증 / 중복
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- Verified (Rasmussen & Williams GP for ML, GPyTorch).
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- 신뢰도 A.
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## 🕓 Changelog
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| 날짜 | 변경 |
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|---|---|
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| 2026-04-26 | Auto |
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| 2026-05-08 | Phase 1 |
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| 2026-05-10 | Manual cleanup — exact + sparse + deep kernel + BO code |
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Reference in New Issue
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