深度学习体系结构中离散算法组件的集成具有许多应用。最近，隐含的最大似然估计（Imle，Niepert，Minervini和Franceschi 2021）是一类用于离散指数家庭分布的梯度估计器，是通过通过与路径级别梯度估计器组合隐式分化来结合隐式分化的。但是，由于梯度的有限差近似，它对需要由用户指定的有限差步长的选择特别敏感。在这项工作中，我们提出了自适应IMLE（AIMLE），是第一个用于复杂离散分布的自适应梯度估计器：它通过在梯度估计中以偏见程度来换取梯度信息的密度来适应IMLE的目标分布。我们从经验上评估了关于合成示例的估计量，以及学习解释，离散的变异自动编码器和神经关系推理任务。在我们的实验中，我们表明我们的自适应梯度估计器可以产生忠实的估计值，同时需要的样本较少，而样品比其他梯度估计器少。

The reparameterization trick enables optimizing large scale stochastic computation graphs via gradient descent. The essence of the trick is to refactor each stochastic node into a differentiable function of its parameters and a random variable with fixed distribution. After refactoring, the gradients of the loss propagated by the chain rule through the graph are low variance unbiased estimators of the gradients of the expected loss. While many continuous random variables have such reparameterizations, discrete random variables lack useful reparameterizations due to the discontinuous nature of discrete states. In this work we introduce CONCRETE random variables-CONtinuous relaxations of disCRETE random variables. The Concrete distribution is a new family of distributions with closed form densities and a simple reparameterization. Whenever a discrete stochastic node of a computation graph can be refactored into a one-hot bit representation that is treated continuously, Concrete stochastic nodes can be used with automatic differentiation to produce low-variance biased gradients of objectives (including objectives that depend on the log-probability of latent stochastic nodes) on the corresponding discrete graph. We demonstrate the effectiveness of Concrete relaxations on density estimation and structured prediction tasks using neural networks.

Outstanding achievements of graph neural networks for spatiotemporal time series analysis show that relational constraints introduce an effective inductive bias into neural forecasting architectures. Often, however, the relational information characterizing the underlying data-generating process is unavailable and the practitioner is left with the problem of inferring from data which relational graph to use in the subsequent processing stages. We propose novel, principled - yet practical - probabilistic score-based methods that learn the relational dependencies as distributions over graphs while maximizing end-to-end the performance at task. The proposed graph learning framework is based on consolidated variance reduction techniques for Monte Carlo score-based gradient estimation, is theoretically grounded, and, as we show, effective in practice. In this paper, we focus on the time series forecasting problem and show that, by tailoring the gradient estimators to the graph learning problem, we are able to achieve state-of-the-art performance while controlling the sparsity of the learned graph and the computational scalability. We empirically assess the effectiveness of the proposed method on synthetic and real-world benchmarks, showing that the proposed solution can be used as a stand-alone graph identification procedure as well as a graph learning component of an end-to-end forecasting architecture.

Perturb-and-MAP offers an elegant approach to approximately sample from an energy-based model (EBM) by computing the maximum-a-posteriori (MAP) configuration of a perturbed version of the model. Sampling in turn enables learning. However, this line of research has been hindered by the general intractability of the MAP computation. Very few works venture outside tractable models, and when they do, they use linear programming approaches, which as we show, have several limitations. In this work, we present perturb-and-max-product (PMP), a parallel and scalable mechanism for sampling and learning in discrete EBMs. Models can be arbitrary as long as they are built using tractable factors. We show that (a) for Ising models, PMP is orders of magnitude faster than Gibbs and Gibbs-with-Gradients (GWG) at learning and generating samples of similar or better quality; (b) PMP is able to learn and sample from RBMs; (c) in a large, entangled graphical model in which Gibbs and GWG fail to mix, PMP succeeds.Preprint. Under review.

贝叶斯结构学习允许从数据推断贝叶斯网络结构，同时推理认识性不确定性 - 朝着实现现实世界系统的主动因果发现和设计干预的关键因素。在这项工作中，我们为贝叶斯结构学习（DIBS）提出了一般，完全可微分的框架，其在潜在概率图表表示的连续空间中运行。与现有的工作相反，DIBS对局部条件分布的形式不可知，并且允许图形结构和条件分布参数的关节后部推理。这使得我们的配方直接适用于复杂贝叶斯网络模型的后部推理，例如，具有由神经网络编码的非线性依赖性。使用DIBS，我们设计了一种高效，通用的变分推理方法，用于近似结构模型的分布。在模拟和现实世界数据的评估中，我们的方法显着优于关节后部推理的相关方法。

图神经网络（GNN）是一类流行的机器学习模型。受到学习解释（L2X）范式的启发，我们提出了L2XGNN，这是一个可解释的GNN的框架，该框架通过设计提供了忠实的解释。L2XGNN学习了一种选择解释性子图（主题）的机制，该机制仅在GNNS消息通话操作中使用。L2XGNN能够为每个输入图选择具有特定属性的子图，例如稀疏和连接。对主题施加这种限制通常会导致更容易解释和有效的解释。几个数据集的实验表明，L2XGNN使用整个输入图实现了与基线方法相同的分类精度，同时确保仅使用提供的解释来进行预测。此外，我们表明L2XGNN能够识别负责预测图形属性的主题。

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。

Interacting systems are prevalent in nature, from dynamical systems in physics to complex societal dynamics. The interplay of components can give rise to complex behavior, which can often be explained using a simple model of the system's constituent parts. In this work, we introduce the neural relational inference (NRI) model: an unsupervised model that learns to infer interactions while simultaneously learning the dynamics purely from observational data. Our model takes the form of a variational auto-encoder, in which the latent code represents the underlying interaction graph and the reconstruction is based on graph neural networks. In experiments on simulated physical systems, we show that our NRI model can accurately recover ground-truth interactions in an unsupervised manner. We further demonstrate that we can find an interpretable structure and predict complex dynamics in real motion capture and sports tracking data.

最近出现了许多子图增强图神经网络（GNN），可证明增强了标准（消息通话）GNN的表达能力。但是，对这些方法之间的相互关系和weisfeiler层次结构的关系有限。此外，当前的方法要么使用给定尺寸的所有子图，要随机均匀地对其进行采样，或者使用手工制作的启发式方法，而不是学习以数据驱动的方式选择子图。在这里，我们提供了一种统一的方法来研究此类体系结构，通过引入理论框架并扩展了亚图增强GNN的已知表达结果。具体而言，我们表明，增加子图的大小总是会增加表达能力，并通过将它们与已建立的$ k \ text { - } \ Mathsf {Wl} $ hierArchy联系起来，从而更好地理解其局限性。此外，我们还使用最近通过复杂的离散概率分布进行反向传播的方法探索了学习对子图进行采样的不同方法。从经验上讲，我们研究了不同子图增强的GNN的预测性能，表明我们的数据驱动体系结构与非DATA驱动的亚图增强图形神经网络相比，在标准基准数据集上提高了对标准基准数据集的预测准确性，同时减少了计算时间。

机器学习（ML）管道中的组合优化（CO）层是解决数据驱动决策任务的强大工具，但它们面临两个主要挑战。首先，CO问题的解通常是其客观参数的分段常数函数。鉴于通常使用随机梯度下降对ML管道进行训练，因此缺乏斜率信息是非常有害的。其次，标准ML损失在组合设置中不能很好地工作。越来越多的研究通过各种方法解决了这些挑战。不幸的是，缺乏维护良好的实现会减慢采用CO层的速度。在本文的基础上，我们对CO层介绍了一种概率的观点，该观点自然而然地是近似分化和结构化损失的构建。我们从文献中恢复了许多特殊情况的方法，我们也得出了新方法。基于这个统一的观点，我们提出了inferpopt.jl，一个开源的朱莉娅软件包，1）允许将任何具有线性物镜的Co Oracle转换为可区分的层，以及2）定义足够的损失以训练包含此类层的管道。我们的图书馆使用任意优化算法，并且与朱莉娅的ML生态系统完全兼容。我们使用视频游戏地图上的探索问题来证明其能力。

Categorical variables are a natural choice for representing discrete structure in the world. However, stochastic neural networks rarely use categorical latent variables due to the inability to backpropagate through samples. In this work, we present an efficient gradient estimator that replaces the non-differentiable sample from a categorical distribution with a differentiable sample from a novel Gumbel-Softmax distribution. This distribution has the essential property that it can be smoothly annealed into a categorical distribution. We show that our Gumbel-Softmax estimator outperforms state-of-the-art gradient estimators on structured output prediction and unsupervised generative modeling tasks with categorical latent variables, and enables large speedups on semi-supervised classification. * Work done during an internship at Google Brain.

统计模型是机器学习的核心，具有广泛适用性，跨各种下游任务。模型通常由通过最大似然估计从数据估计的自由参数控制。但是，当面对现实世界数据集时，许多模型运行到一个关键问题：它们是在完全观察到的数据方面配制的，而在实践中，数据集会困扰缺失数据。来自不完整数据的统计模型估计理论在概念上类似于潜在变量模型的估计，其中存在强大的工具，例如变分推理（VI）。然而，与标准潜在变量模型相比，具有不完整数据的参数估计通常需要估计缺失变量的指数 - 许多条件分布，因此使标准的VI方法是棘手的。通过引入变分Gibbs推理（VGI），是一种新的通用方法来解决这个差距，以估计来自不完整数据的统计模型参数。我们在一组合成和实际估算任务上验证VGI，从不完整的数据中估算重要的机器学习模型，VAE和标准化流程。拟议的方法，同时通用，实现比现有的特定模型特定估计方法竞争或更好的性能。

变异推理（VI）的核心原理是将计算复杂后概率密度计算的统计推断问题转换为可拖动的优化问题。该属性使VI比几种基于采样的技术更快。但是，传统的VI算法无法扩展到大型数据集，并且无法轻易推断出越野数据点，而无需重新运行优化过程。该领域的最新发展，例如随机，黑框和摊销VI，已帮助解决了这些问题。如今，生成的建模任务广泛利用摊销VI来实现其效率和可扩展性，因为它利用参数化函数来学习近似的后验密度参数。在本文中，我们回顾了各种VI技术的数学基础，以构成理解摊销VI的基础。此外，我们还概述了最近解决摊销VI问题的趋势，例如摊销差距，泛化问题，不一致的表示学习和后验崩溃。最后，我们分析了改善VI优化的替代差异度量。

概率分布允许从业者发现数据中的隐藏结构，并构建模型，以使用有限的数据解决监督的学习问题。该报告的重点是变异自动编码器，这是一种学习大型复杂数据集概率分布的方法。该报告提供了对变异自动编码器的理论理解，并巩固了该领域的当前研究。该报告分为多个章节，第一章介绍了问题，描述了变异自动编码器并标识了该领域的关键研究方向。第2、3、4和5章深入研究了每个关键研究领域的细节。第6章总结了报告，并提出了未来工作的指示。具有机器学习基本思想但想了解机器学习研究中的一般主题的读者可以从报告中受益。该报告解释了有关学习概率分布的中心思想，人们为使这种危险做些什么，并介绍了有关当前如何应用深度学习的细节。该报告还为希望为这个子场做出贡献的人提供了温和的介绍。

Gumbel-Softmax是对单纯形的连续分布，通常用作离散分布的放松。因为它可以轻松解释和容易重新聚集，所以它可以广泛使用。我们提出了一个模块化，更灵活的可重新聚集分布家族，其中高斯噪声通过可逆函数转化为单热近似。这种可逆函数由修改后的软磁性组成，可以结合具有不同特定目的的各种转换。例如，破坏过程使我们能够将重新聚集技巧扩展到具有无数支持的分布，从而使我们沿非参数模型的分布使用或归一化流量使我们提高了分布的灵活性。我们的构造具有比Gumbel-Softmax（例如封闭形式KL）的理论优势，并且在各种实验中都显着优于它。我们的代码可在https://github.com/cunningham-lab/igr上获得。

基于连续的潜在空间（例如变异自动编码器）的概率模型可以理解为无数混合模型，其中组件连续取决于潜在代码。它们具有用于生成和概率建模的表达性工具，但与可牵引的概率推断不符，即计算代表概率分布的边际和条件。同时，可以将概率模型（例如概率电路（PC））理解为层次离散混合模型，从而使它们可以执行精确的推断，但是与连续的潜在空间模型相比，它们通常显示出低于标准的性能。在本文中，我们研究了一种混合方法，即具有较小潜在尺寸的可拖动模型的连续混合物。尽管这些模型在分析上是棘手的，但基于一组有限的集成点，它们非常适合数值集成方案。有足够数量的集成点，近似值变得精确。此外，使用一组有限的集成点，可以将近似方法编译成PC中，以“在近似模型中的精确推断”执行。在实验中，我们表明这种简单的方案被证明非常有效，因为PC在许多标准密度估计基准上以这种方式为可拖动模型设定了新的最新模型。

结构方程模型（SEM）是一种有效的框架，其原因是通过定向非循环图（DAG）表示的因果关系。最近的进步使得能够从观察数据中实现了DAG的最大似然点估计。然而，在实际场景中，可以不能准确地捕获在推断下面的底层图中的不确定性，其中真正的DAG是不可识别的并且/或观察到的数据集是有限的。我们提出了贝叶斯因果发现网（BCD网），一个变分推理框架，用于估算表征线性高斯SEM的DAG的分布。由于图形的离散和组合性质，开发一个完整的贝叶斯后面是挑战。我们通过表达变分别家庭分析可扩展VI的可扩展VI的关键设计选择，例如1）表达性变分别家庭，2）连续弛豫，使低方差随机优化和3）在潜在变量上具有合适的前置。我们提供了一系列关于实际和合成数据的实验，显示BCD网在低数据制度中的标准因果发现度量上的最大似然方法，例如结构汉明距离。

We marry ideas from deep neural networks and approximate Bayesian inference to derive a generalised class of deep, directed generative models, endowed with a new algorithm for scalable inference and learning. Our algorithm introduces a recognition model to represent an approximate posterior distribution and uses this for optimisation of a variational lower bound. We develop stochastic backpropagation -rules for gradient backpropagation through stochastic variables -and derive an algorithm that allows for joint optimisation of the parameters of both the generative and recognition models. We demonstrate on several real-world data sets that by using stochastic backpropagation and variational inference, we obtain models that are able to generate realistic samples of data, allow for accurate imputations of missing data, and provide a useful tool for high-dimensional data visualisation.

该报告解释，实施和扩展了“更紧密的变化界限不一定更好”所介绍的作品（T Rainforth等，2018）。我们提供了理论和经验证据，这些证据增加了重要性的重要性数量$ k $在重要性加权自动编码器（IWAE）中（Burda等，2016）降低了推理中梯度估计量的信噪比（SNR）网络，从而影响完整的学习过程。换句话说，即使增加$ k $减少了梯度的标准偏差，但它也会更快地降低真实梯度的幅度，从而增加梯度更新的相对差异。进行广泛的实验以了解$ k $的重要性。这些实验表明，更紧密的变化界限对生成网络有益，而宽松的边界对推理网络来说是可取的。通过这些见解，可以实施和研究三种方法：部分重要性加权自动编码器（PIWAE），倍增重要性加权自动编码器（MIWAE）和组合重要性加权自动编码器（CIWAE）。这三种方法中的每一种都需要IWAE作为一种特殊情况，但采用不同的重量权重，以确保较高的梯度估计器的SNR。在我们的研究和分析中，这些算法的疗效在多个数据集（如MNIST和Omniglot）上进行了测试。最后，我们证明了三种呈现的IWAE变化能够产生近似后验分布，这些分布与IWAE更接近真正的后验分布，同时匹配IWAE生成网络的性能，或者在PIWAE的情况下可能超过其表现。

The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning.