Bayesian optimization is highly effective for optimizing expensive-to-evaluate black-box functions, but it faces significant computational challenges due to the high computational complexity of Gaussian processes, which results in a total time complexity that is quartic with respect to the number of iterations. To address this limitation, we propose the Bayesian Optimization by Kernel regression and density-based Exploration (BOKE) algorithm. BOKE uses kernel regression for efficient function approximation, kernel density for exploration, and integrates them into the confidence bound criteria to guide the optimization process, thus reducing computational costs to quadratic. Our theoretical analysis rigorously establishes the global convergence of BOKE and ensures its robustness in noisy settings. Through extensive numerical experiments on both synthetic and real-world optimization tasks, we demonstrate that BOKE not only performs competitively compared to Gaussian process-based methods and several other baseline methods but also exhibits superior computational efficiency. These results highlight BOKE's effectiveness in resource-constrained environments, providing a practical approach for optimization problems in engineering applications.


翻译:贝叶斯优化对于优化评估成本高昂的黑箱函数极为有效,但由于高斯过程的高计算复杂度,其总时间复杂度随迭代次数呈四次方增长,面临显著的计算挑战。为克服这一局限,我们提出了基于核回归与密度探索的贝叶斯优化(BOKE)算法。BOKE采用核回归进行高效函数逼近,利用核密度进行探索,并将其整合至置信边界准则中以指导优化过程,从而将计算成本降至二次方。我们的理论分析严格证明了BOKE的全局收敛性,并确保了其在噪声环境下的鲁棒性。通过对合成及实际优化任务的大量数值实验,我们证明BOKE不仅在与基于高斯过程的方法及其他若干基线方法的比较中表现出竞争力,还展现出卓越的计算效率。这些结果凸显了BOKE在资源受限环境中的有效性,为工程应用中的优化问题提供了一种实用方法。

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