Jensen Inequality是众多领域的广泛使用的工具，例如信息理论和机器学习。它还可以用于得出其他标准不等式，例如算术和几何手段的不等式或H \“较旧的不等式。在概率设置中，Jensen不等式描述了凸起函数和预期值之间的关系。在这项工作中，我们希望从不平等的反向方向看概率设置。我们表明在最小的限制和适当的缩放下，Jensen不等式可以逆转。我们相信由此产生的工具对许多应用有所帮助与当前估算器相比，相互信息的变分估计，反向不等式导致具有卓越训练行为的新估计。

基于神经网络驱动的相互信息（MI）界限，在许多机器学习领域取得了显着进展。但是，由于其实际和数学局限性，利用常规MI的损失通常是具有挑战性的。在这项工作中，我们首先确定其不稳定性背后的症状：（1）即使损失似乎收敛后，神经网络也不会融合，并且（2）饱和神经网络输出导致损失分歧。我们通过在现有损失中添加一个新颖的正规化术语来减轻这两个问题。我们从理论上和实验上证明了添加正规化稳定训练。最后，我们提出了一种新颖的基准测试，该基准评估了MI估计功率及其在下游任务上的能力上的基于MI的损失，紧密遵循先前存在的监督和对比度学习环境。我们在多个基准上评估了六个不同的基于MI的损失及其正规化的损失，以表明我们的方法简单而有效。

Estimating and optimizing Mutual Information (MI) is core to many problems in machine learning; however, bounding MI in high dimensions is challenging. To establish tractable and scalable objectives, recent work has turned to variational bounds parameterized by neural networks, but the relationships and tradeoffs between these bounds remains unclear. In this work, we unify these recent developments in a single framework. We find that the existing variational lower bounds degrade when the MI is large, exhibiting either high bias or high variance. To address this problem, we introduce a continuum of lower bounds that encompasses previous bounds and flexibly trades off bias and variance. On high-dimensional, controlled problems, we empirically characterize the bias and variance of the bounds and their gradients and demonstrate the effectiveness of our new bounds for estimation and representation learning.

在本文中，我们介绍了超模块化$ \ mf $ -Diverences，并为它们提供了三个应用程序：（i）我们在基于超模型$ \ MF $ - 基于独立随机变量的尾部引入了Sanov的上限。分歧并表明我们的广义萨诺夫（Sanov）严格改善了普通的界限，（ii）我们考虑了有损耗的压缩问题，该问题研究了给定失真和代码长度的一组可实现的速率。我们使用互助$ \ mf $ - 信息扩展了利率 - 延伸函数，并使用超模块化$ \ mf $ -Diverences在有限的区块长度方面提供了新的，严格的更好的界限，并且（iii）我们提供了连接具有有限输入/输出共同$ \ mf $的算法的概括误差和广义率延伸问题。该连接使我们能够使用速率函数的下限来限制学习算法的概括误差。我们的界限是基于对利率延伸函数的新下限，该函数（对于某些示例）严格改善了以前最著名的界限。此外，使用超模块化$ \ mf $ -Divergences来减少问题的尺寸并获得单字母界限。

We develop and analyze M -estimation methods for divergence functionals and the likelihood ratios of two probability distributions. Our method is based on a non-asymptotic variational characterization of f -divergences, which allows the problem of estimating divergences to be tackled via convex empirical risk optimization. The resulting estimators are simple to implement, requiring only the solution of standard convex programs. We present an analysis of consistency and convergence for these estimators. Given conditions only on the ratios of densities, we show that our estimators can achieve optimal minimax rates for the likelihood ratio and the divergence functionals in certain regimes. We derive an efficient optimization algorithm for computing our estimates, and illustrate their convergence behavior and practical viability by simulations. 1

对于高维和非参数统计模型，速率最优估计器平衡平方偏差和方差是一种常见的现象。虽然这种平衡被广泛观察到，但很少知道是否存在可以避免偏差和方差之间的权衡的方法。我们提出了一般的策略，以获得对任何估计方差的下限，偏差小于预先限定的界限。这表明偏差差异折衷的程度是不可避免的，并且允许量化不服从其的方法的性能损失。该方法基于许多抽象的下限，用于涉及关于不同概率措施的预期变化以及诸如Kullback-Leibler或Chi-Sque-diversence的信息措施的变化。其中一些不平等依赖于信息矩阵的新概念。在该物品的第二部分中，将抽象的下限应用于几种统计模型，包括高斯白噪声模型，边界估计问题，高斯序列模型和高维线性回归模型。对于这些特定的统计应用，发生不同类型的偏差差异发生，其实力变化很大。对于高斯白噪声模型中集成平方偏置和集成方差之间的权衡，我们将较低界限的一般策略与减少技术相结合。这允许我们将原始问题与估计的估计器中的偏差折衷联动，以更简单的统计模型中具有额外的对称性属性。在高斯序列模型中，发生偏差差异的不同相位转换。虽然偏差和方差之间存在非平凡的相互作用，但是平方偏差的速率和方差不必平衡以实现最小估计速率。

切成薄片的相互信息（SMI）定义为在随机变量的一维随机投影之间的平均值（MI）项。它是对经典MI依赖的替代度量，该量子保留了许多特性，但更可扩展到高维度。但是，对SMI本身和其估计率的定量表征取决于环境维度，这对于理解可伸缩性至关重要，仍然晦涩难懂。这项工作将原始的SMI定义扩展到$ K $ -SMI，该定义将预测视为$ k $维二维子空间，并提供了有关其依赖性尺寸的多方面帐户。在2-Wasserstein指标中使用差分熵连续性的新结果，我们对Monte Carlo（MC）基于$ K $ -SMI的估计的错误得出了尖锐的界限，并明确依赖于$ K $和环境维度，揭示了他们与样品数量的相互作用。然后，我们将MC Integrator与神经估计框架相结合，以提供端到端$ K $ -SMI估算器，为此建立了最佳的收敛率。随着尺寸的增长，我们还探索了人口$ k $ -smi的渐近学，从而为高斯近似结果提供了在适当的力矩范围下衰减的残差。我们的理论通过数值实验验证，并适用于切片Infogan，该切片完全提供了$ k $ -smi的可伸缩性问题的全面定量说明，包括SMI作为特殊情况，当$ k = 1 $。

最佳运输（OT）及其熵正则后代最近在机器学习和AI域中获得了很多关注。特别地，最优传输已被用于在概率分布之间开发概率度量。我们在本文中介绍了基于熵正常的最佳运输的独立性标准。我们的标准可用于测试两个样本之间的独立性。我们为测试统计制定非渐近界，研究其在零和替代假设下的统计行为。我们的理论结果涉及来自U-Process理论和最佳运输理论的工具。我们在现有的基准上提出了实验结果，说明了所提出的标准的兴趣。

速率 - 失真（R-D）函数，信息理论中的关键数量，其特征在于，通过任何压缩算法，通过任何压缩算法将数据源可以压缩到保真标准的基本限制。随着研究人员推动了不断提高的压缩性能，建立给定数据源的R-D功能不仅具有科学的兴趣，而且还在可能的空间上揭示了改善压缩算法的可能性。以前的解决此问题依赖于数据源上的分布假设（Gibson，2017）或仅应用于离散数据。相比之下，本文使得第一次尝试播放常规（不一定是离散的）源仅需要i.i.d的算法的算法。数据样本。我们估计高斯和高尺寸香蕉形源的R-D三明治界，以及GaN生成的图像。我们在自然图像上的R-D上限表示在各种比特率的PSNR中提高最先进的图像压缩方法的性能的空间。

在因果推理和强盗文献中，基于观察数据的线性功能估算线性功能的问题是规范的。我们分析了首先估计治疗效果函数的广泛的两阶段程序，然后使用该数量来估计线性功能。我们证明了此类过程的均方误差上的非反应性上限：这些边界表明，为了获得非反应性最佳程序，应在特定加权$ l^2 $中最大程度地估算治疗效果的误差。 -规范。我们根据该加权规范的约束回归分析了两阶段的程序，并通过匹配非轴突局部局部最小值下限，在有限样品中建立了实例依赖性最优性。这些结果表明，除了取决于渐近效率方差之外，最佳的非质子风险除了取决于样本量支持的最富有函数类别的真实结果函数与其近似类别之间的加权规范距离。

考虑Huber污染高斯模型下的位置与差异矩阵的同时估计问题。首先，我们在人口层面上学习最低$ F $估计，对应于具有非参数鉴别者的生成对抗方法，并在$ F $建立条件，这导致强大的估计，类似于最小距离估计的鲁棒性。更重要的是，我们开发具有简单的样条鉴别器的贸易对抗算法，其可以通过嵌套优化实现，使得可以通过给出当前发生器来最大化凹形物理函数来完全更新鉴别器参数。提出的方法显示，根据$ F $ -diverence和所使用的罚款，可以实现最低限度的最佳速率或接近最佳速率。我们提出了模拟研究，以证明具有经典鲁棒估算器，成对方法和神经网络鉴别器的成对方法和生成对抗方法的提出方法的优势。

鉴于$ n $ i.i.d.从未知的分发$ P $绘制的样本，何时可以生成更大的$ n + m $ samples，这些标题不能与$ n + m $ i.i.d区别区别。从$ p $绘制的样品？（AXELROD等人2019）将该问题正式化为样本放大问题，并为离散分布和高斯位置模型提供了最佳放大程序。然而，这些程序和相关的下限定制到特定分布类，对样本扩增的一般统计理解仍然很大程度上。在这项工作中，我们通过推出通常适用的放大程序，下限技术和与现有统计概念的联系来放置对公司统计基础的样本放大问题。我们的技术适用于一大类分布，包括指数家庭，并在样本放大和分配学习之间建立严格的联系。

对比表示学习旨在通过估计数据的多个视图之间的共享信息来获得有用的表示形式。在这里，数据增强的选择对学会表示的质量很敏感：随着更难的应用，数据增加了，视图共享更多与任务相关的信息，但也可以妨碍表示代表的概括能力。在此激励的基础上，我们提出了一种新的强大的对比度学习计划，即r \'enyicl，可以通过利用r \'enyi差异来有效地管理更艰难的增强。我们的方法建立在r \'enyi差异的变异下限基础上，但是由于差异很大，对变异方法的使用是不切实际的。要应对这一挑战，我们提出了一个新颖的对比目标，该目标是进行变异估计的新型对比目标偏斜r \'enyi的分歧，并提供理论保证，以确保偏差差异如何导致稳定训练。我们表明，r \'enyi对比度学习目标执行先天的硬性负面样本和易于选择的阳性抽样学习有用的功能并忽略滋扰功能。通过在Imagenet上进行实验，我们表明，r \'enyi对比度学习具有更强的增强性能优于其他自我监督的方法，而无需额外的正则化或计算上的开销。图形和表格，显示了与其他对比方法相比的经验增益。

基于样本的连续分布信息衡量估算是统计和机器学习中的一个基本问题。在本文中，当概率密度函数属于预定的凸面族{P} $时，我们分析了从有限数量的样本计算的差分熵的估计。首先，如果$ \ mathcal {p} $的密度差异熵是无限的，显然表达出额外假设的必要性，则估计差动熵将是不可行的。随后，我们调查了足够的条件，使差动熵估计能够置信界限。特别地，假设概率密度函数是LipsChitz恒定和已知的界限支持的概率密度函数是LipsChitz的差分熵的简单直方图估计的基于差分熵的差分估计。我们的重点是在差分熵上，但我们提供了示例，表明相似的结果适用于相互信息和相对熵。

最近，已经提出了几种方法，用于使用深神经网络估计来自样本数据的互信息，并且没有知道数据的特写形式分布。这类估算器被称为神经互动信息估计。虽然非常有希望，但是这种技术尚未严格地标记，以便建立它们的功效，易于实现和能力估计的稳定性，这是关节最大化帧工作。在本文中，我们比较文献中提出的不同技术，以估算能力，并提供从业者的效力。特别是，我们研究了相互信息神经估算器（MINE），平滑的互信息下限估计器（微笑）的性能，以及指导信息神经估算器（DINE），并提供对INCONCE的见解。我们在他们学习作为AWGN通道的容量接近的容量接近的输入分布的能力方面评估了这些算法，光学强度信道和峰值功率受限AWGN通道。对于这两种情况，我们对培训过程的各个方面提供了富有洞察力的评论，例如稳定性，初始化的敏感性。

我们研究了广义熵的连续性属性作为潜在的概率分布的函数，用动作空间和损失函数定义，并使用此属性来回答统计学习理论中的基本问题：各种学习方法的过度风险分析。我们首先在几种常用的F分歧，Wassersein距离的熵差异导出了两个分布的熵差，这取决于动作空间的距离和损失函数，以及由熵产生的Bregman发散，这也诱导了两个分布之间的欧几里德距离方面的界限。对于每个一般结果的讨论给出了示例，使用现有的熵差界进行比较，并且基于新结果导出新的相互信息上限。然后，我们将熵差异界限应用于统计学习理论。结果表明，两种流行的学习范式，频繁学习和贝叶斯学习中的过度风险都可以用不同形式的广义熵的连续性研究。然后将分析扩展到广义条件熵的连续性。扩展为贝叶斯决策提供了不匹配的分布来提供性能范围。它也会导致第三个划分的学习范式的过度风险范围，其中决策规则是在经验分布的预定分布家族的预测下进行最佳设计。因此，我们通过广义熵的连续性建立了统计学习三大范式的过度风险分析的统一方法。

我们提出了一种统一的技术，用于顺序估计分布之间的凸面分歧，包括内核最大差异等积分概率度量，$ \ varphi $ - 像Kullback-Leibler发散，以及最佳运输成本，例如Wassersein距离的权力。这是通过观察到经验凸起分歧（部分有序）反向半角分离的实现来实现的，而可交换过滤耦合，其具有这些方法的最大不等式。这些技术似乎是对置信度序列和凸分流的现有文献的互补和强大的补充。我们构建一个离线到顺序设备，将各种现有的离线浓度不等式转换为可以连续监测的时间均匀置信序列，在任意停止时间提供有效的测试或置信区间。得到的顺序边界仅在相应的固定时间范围内支付迭代对数价格，保留对问题参数的相同依赖性（如适用的尺寸或字母大小）。这些结果也适用于更一般的凸起功能，如负差分熵，实证过程的高度和V型统计。

我们考虑通过复制内核希尔伯特空间的相关协方差操作员对概率分布进行分析。我们表明，冯·诺伊曼（Von Neumann）的熵和这些操作员的相对熵与香农熵和相对熵的通常概念密切相关，并具有许多特性。它们与来自概率分布的各种口径的有效估计算法结合在一起。我们还考虑了产品空间，并表明对于张量产品内核，我们可以定义互信息和联合熵的概念，然后可以完美地表征独立性，但只能部分条件独立。我们最终展示了这些新的相对熵概念如何导致对数分区函数的新上限，这些函数可以与变异推理方法中的凸优化一起使用，从而提供了新的概率推理方法家族。

在线学习和决策中的一个核心问题 - 从土匪到强化学习 - 是要了解哪种建模假设会导致样本有效的学习保证。我们考虑了一个普遍的对抗性决策框架，该框架涵盖了（结构化的）匪徒问题，这些问题与对抗性动力学有关。我们的主要结果是通过新的上限和下限显示决策估计系数，这是Foster等人引入的复杂度度量。在与我们环境的随机对应物中，对于对抗性决策而言是必要和足够的遗憾。但是，与随机设置相比，必须将决策估计系数应用于所考虑的模型类（或假设）的凸壳。这就确定了容纳对抗奖励或动态的价格受凸层化模型类的行为的约束，并恢复了许多现有结果 - 既积极又负面。在获得这些保证的途径中，我们提供了新的结构结果，将决策估计系数与其他众所周知的复杂性度量的变体联系起来，包括Russo和Van Roy的信息比以及Lattimore和Gy的探索目标\“ {o} rgy。

我们考虑从网络中的量化样本中学习参数分布的问题。具体而言，$ n $代理或传感器可观察到未知参数分布的独立样本；他们每个人都使用$ k $位来描述其观察到的样本到中央处理器，其目标是估计未知分布。首先，我们将著名的货车树木不平等地概括为一般的$ l_p $ - norms（$ p> 1 $），就广义渔民信息而言。然后，我们在两次损失的估计误差上开发了最小值下限：一般$ l_p $ - norms和最佳运输中相关的瓦斯坦损失。