情报依赖于代理商对其不知道的知识。可以根据多个输入的标签的联合预测质量来评估此能力。传统的神经网络缺乏这种能力，并且由于大多数研究都集中在边际预测上，因此这种缺点在很大程度上被忽略了。我们将认知神经网络（ENN）作为模型的界面，代表产生有用的关节预测所需的不确定性。虽然先前的不确定性建模方法（例如贝叶斯神经网络）可以表示为ENN，但这种新界面促进了联合预测和新型体系结构和算法的设计的比较。特别是，我们介绍了Epinet：一种可以补充任何常规神经网络（包括大型模型）的体系结构，并且可以通过适度的增量计算进行培训以估计不确定性。有了Epact，传统的神经网络的表现优于非常大的合奏，包括数百个或更多的颗粒，计算的数量级较低。我们在合成数据，成像网和一些强化学习任务中证明了这种功效。作为这项工作的一部分，我们开放源实验代码。

在机器学习中，代理需要估计不确定性，以有效地探索和适应并做出有效的决策。不确定性估计的一种常见方法维护了模型的合奏。近年来，已经提出了几种用于培训合奏的方法，并且在这些方法的各种成分的重要性方面占上风。在本文中，我们旨在解决已受到质疑的两种成分的好处 - 先前的功能和引导。我们表明，先前的功能可以显着改善整体代理在输入之间的关节预测，如果信噪比在输入之间有所不同，则引导程序为其他好处提供了额外的好处。我们的主张是通过理论和实验结果证明的。

最近的工作引入了该日期，作为深度学习中不确定性建模的一种新方法。Epatet是一个添加到传统神经网络中的小神经网络，它可以共同产生预测分布。尤其是，使用音调可以大大提高多个输入的联合预测的质量，这是神经网络了解其不知道的程度的衡量标准。在本文中，我们检查了在分配变化下是否可以提供类似的优势。我们发现，在ImageNet-A/O/C中，谐调通常可以改善稳健性指标。此外，这些改进比非常大的合奏所提供的改进更为重要，即计算成本较低的数量级。但是，与分配稳定深度学习的杰出问题相比，这些改进相对较小。播集可能是工具箱中的有用工具，但它们远非完整的解决方案。

在无模型的深度加强学习（RL）算法中，利用嘈杂的值估计监督政策评估和优化对样品效率有害。由于这种噪声是异源的，因此可以在优化过程中使用基于不确定性的权重来缓解其效果。以前的方法依赖于采样的合奏，这不会捕获不确定性的所有方面。我们对在RL的嘈杂监管中提供了对不确定性的不确定性来源的系统分析，并引入了诸如将概率集合和批处理逆差加权组合的贝叶斯框架的逆差异RL。我们提出了一种方法，其中两个互补的不确定性估计方法占Q值和环境随机性，以更好地减轻嘈杂监督的负面影响。我们的结果表明，对离散和连续控制任务的采样效率方面显着改进。

Efficient exploration remains a major challenge for reinforcement learning (RL). Common dithering strategies for exploration, such as -greedy, do not carry out temporally-extended (or deep) exploration; this can lead to exponentially larger data requirements. However, most algorithms for statistically efficient RL are not computationally tractable in complex environments. Randomized value functions offer a promising approach to efficient exploration with generalization, but existing algorithms are not compatible with nonlinearly parameterized value functions. As a first step towards addressing such contexts we develop bootstrapped DQN. We demonstrate that bootstrapped DQN can combine deep exploration with deep neural networks for exponentially faster learning than any dithering strategy. In the Arcade Learning Environment bootstrapped DQN substantially improves learning speed and cumulative performance across most games.

Accurate uncertainty quantification is a major challenge in deep learning, as neural networks can make overconfident errors and assign high confidence predictions to out-of-distribution (OOD) inputs. The most popular approaches to estimate predictive uncertainty in deep learning are methods that combine predictions from multiple neural networks, such as Bayesian neural networks (BNNs) and deep ensembles. However their practicality in real-time, industrial-scale applications are limited due to the high memory and computational cost. Furthermore, ensembles and BNNs do not necessarily fix all the issues with the underlying member networks. In this work, we study principled approaches to improve uncertainty property of a single network, based on a single, deterministic representation. By formalizing the uncertainty quantification as a minimax learning problem, we first identify distance awareness, i.e., the model's ability to quantify the distance of a testing example from the training data, as a necessary condition for a DNN to achieve high-quality (i.e., minimax optimal) uncertainty estimation. We then propose Spectral-normalized Neural Gaussian Process (SNGP), a simple method that improves the distance-awareness ability of modern DNNs with two simple changes: (1) applying spectral normalization to hidden weights to enforce bi-Lipschitz smoothness in representations and (2) replacing the last output layer with a Gaussian process layer. On a suite of vision and language understanding benchmarks, SNGP outperforms other single-model approaches in prediction, calibration and out-of-domain detection. Furthermore, SNGP provides complementary benefits to popular techniques such as deep ensembles and data augmentation, making it a simple and scalable building block for probabilistic deep learning. Code is open-sourced at https://github.com/google/uncertainty-baselines

减少大深度学习模型的处理时间的问题是许多现实世界应用中的根本挑战。早期退出方法通过将附加内部分类器（IC）附加到神经网络的中间层来努力实现这一目标。 IC可以快速返回简单示例的预测，结果，降低整个模型的平均推理时间。但是，如果特定IC不决定早期回答，则其预测被丢弃，其计算有效地浪费。为了解决这个问题，我们引入零时间浪费（ZTW），这是一种新的方法，其中每个IC重用由其前辈返回的预测（1）在IC和（2）之间以相对于类似的方式组合先前输出之间的直接连接。我们对各个数据集和架构进行了广泛的实验，以证明ZTW实现了比最近提出的早期退出方法的其他更好的比例与推理时间权衡。

The ability to estimate epistemic uncertainty is often crucial when deploying machine learning in the real world, but modern methods often produce overconfident, uncalibrated uncertainty predictions. A common approach to quantify epistemic uncertainty, usable across a wide class of prediction models, is to train a model ensemble. In a naive implementation, the ensemble approach has high computational cost and high memory demand. This challenges in particular modern deep learning, where even a single deep network is already demanding in terms of compute and memory, and has given rise to a number of attempts to emulate the model ensemble without actually instantiating separate ensemble members. We introduce FiLM-Ensemble, a deep, implicit ensemble method based on the concept of Feature-wise Linear Modulation (FiLM). That technique was originally developed for multi-task learning, with the aim of decoupling different tasks. We show that the idea can be extended to uncertainty quantification: by modulating the network activations of a single deep network with FiLM, one obtains a model ensemble with high diversity, and consequently well-calibrated estimates of epistemic uncertainty, with low computational overhead in comparison. Empirically, FiLM-Ensemble outperforms other implicit ensemble methods, and it and comes very close to the upper bound of an explicit ensemble of networks (sometimes even beating it), at a fraction of the memory cost.

深度强化学习（RL）导致了许多最近和开创性的进步。但是，这些进步通常以培训的基础体系结构的规模增加以及用于训练它们的RL算法的复杂性提高，而均以增加规模的成本。这些增长反过来又使研究人员更难迅速原型新想法或复制已发表的RL算法。为了解决这些问题，这项工作描述了ACME，这是一个用于构建新型RL算法的框架，这些框架是专门设计的，用于启用使用简单的模块化组件构建的代理，这些组件可以在各种执行范围内使用。尽管ACME的主要目标是为算法开发提供一个框架，但第二个目标是提供重要或最先进算法的简单参考实现。这些实现既是对我们的设计决策的验证，也是对RL研究中可重复性的重要贡献。在这项工作中，我们描述了ACME内部做出的主要设计决策，并提供了有关如何使用其组件来实施各种算法的进一步详细信息。我们的实验为许多常见和最先进的算法提供了基准，并显示了如何为更大且更复杂的环境扩展这些算法。这突出了ACME的主要优点之一，即它可用于实现大型，分布式的RL算法，这些算法可以以较大的尺度运行，同时仍保持该实现的固有可读性。这项工作提出了第二篇文章的版本，恰好与模块化的增加相吻合，对离线，模仿和从演示算法学习以及作为ACME的一部分实现的各种新代理。

神经线性模型（NLM）是深度贝叶斯模型，通过从数据中学习特征，然后对这些特征进行贝叶斯线性回归来产生预测的不确定性。尽管他们受欢迎，但很少有作品专注于有条理地评估这些模型的预测性不确定性。在这项工作中，我们证明了NLMS的传统培训程序急剧低估了分发输入的不确定性，因此它们不能在风险敏感的应用中暂时部署。我们确定了这种行为的基本原因，并提出了一种新的培训框架，捕获下游任务的有用预测不确定性。

使用环境模型和值函数，代理可以通过向不同长度展开模型来构造状态值的许多估计，并使用其值函数引导。我们的关键识别是，人们可以将这组价值估计视为一类合奏，我们称之为\ eNPH {隐式值合奏}（IVE）。因此，这些估计之间的差异可用作代理人的认知不确定性的代理;我们将此信号术语\ EMPH {Model-Value不一致}或\ EMPH {自给智而不一致。与先前的工作不同，该工作估计通过培训许多模型和/或价值函数的集合来估计不确定性，这种方法只需要在大多数基于模型的加强学习算法中学习的单一模型和价值函数。我们在单板和函数近似设置中提供了从像素的表格和函数近似设置中的经验证据是有用的（i）作为探索的信号，（ii）在分发班次下安全地行动，（iii），用于使用基于价值的规划模型。

我们研究了回归中神经网络（NNS）的模型不确定性的方法。为了隔离模型不确定性的效果，我们专注于稀缺训练数据的无噪声环境。我们介绍了关于任何方法都应满足的模型不确定性的五个重要的逃亡者。但是，我们发现，建立的基准通常无法可靠地捕获其中一些逃避者，即使是贝叶斯理论要求的基准。为了解决这个问题，我们介绍了一种新方法来捕获NNS的模型不确定性，我们称之为基于神经优化的模型不确定性（NOMU）。 NOMU的主要思想是设计一个由两个连接的子NN组成的网络体系结构，一个用于模型预测，一个用于模型不确定性，并使用精心设计的损耗函数进行训练。重要的是，我们的设计执行NOMU满足我们的五个Desiderata。由于其模块化体系结构，NOMU可以为任何给定（先前训练）NN提供模型不确定性，如果访问其培训数据。我们在各种回归任务和无嘈杂的贝叶斯优化（BO）中评估NOMU，并具有昂贵的评估。在回归中，NOMU至少和最先进的方法。在BO中，Nomu甚至胜过所有考虑的基准。

自成立以来，建立在广泛任务中表现出色的普通代理的任务一直是强化学习的重要目标。这个问题一直是对Alarge工作体系的研究的主题，并且经常通过观察Atari 57基准中包含的广泛范围环境的分数来衡量的性能。 Agent57是所有57场比赛中第一个超过人类基准的代理商，但这是以数据效率差的代价，需要实现近800亿帧的经验。以Agent57为起点，我们采用了各种各样的形式，以降低超过人类基线所需的经验200倍。在减少数据制度和Propose有效的解决方案时，我们遇到了一系列不稳定性和瓶颈，以构建更强大，更有效的代理。我们还使用诸如Muesli和Muzero之类的高性能方法证明了竞争性的性能。 TOOUR方法的四个关键组成部分是（1）近似信任区域方法，该方法可以从TheOnline网络中稳定引导，（2）损失和优先级的归一化方案，在学习具有广泛量表的一组值函数时，可以提高鲁棒性， （3）改进的体系结构采用了NFNET的技术技术来利用更深的网络而无需标准化层，并且（4）政策蒸馏方法可使瞬时贪婪的策略加班。

We propose SWA-Gaussian (SWAG), a simple, scalable, and general purpose approach for uncertainty representation and calibration in deep learning. Stochastic Weight Averaging (SWA), which computes the first moment of stochastic gradient descent (SGD) iterates with a modified learning rate schedule, has recently been shown to improve generalization in deep learning. With SWAG, we fit a Gaussian using the SWA solution as the first moment and a low rank plus diagonal covariance also derived from the SGD iterates, forming an approximate posterior distribution over neural network weights; we then sample from this Gaussian distribution to perform Bayesian model averaging. We empirically find that SWAG approximates the shape of the true posterior, in accordance with results describing the stationary distribution of SGD iterates. Moreover, we demonstrate that SWAG performs well on a wide variety of tasks, including out of sample detection, calibration, and transfer learning, in comparison to many popular alternatives including MC dropout, KFAC Laplace, SGLD, and temperature scaling.

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

We introduce a new, efficient, principled and backpropagation-compatible algorithm for learning a probability distribution on the weights of a neural network, called Bayes by Backprop. It regularises the weights by minimising a compression cost, known as the variational free energy or the expected lower bound on the marginal likelihood. We show that this principled kind of regularisation yields comparable performance to dropout on MNIST classification. We then demonstrate how the learnt uncertainty in the weights can be used to improve generalisation in non-linear regression problems, and how this weight uncertainty can be used to drive the exploration-exploitation trade-off in reinforcement learning.

We introduce a new, efficient, principled and backpropagation-compatible algorithm for learning a probability distribution on the weights of a neural network, called Bayes by Backprop. It regularises the weights by minimising a compression cost, known as the variational free energy or the expected lower bound on the marginal likelihood. We show that this principled kind of regularisation yields comparable performance to dropout on MNIST classification. We then demonstrate how the learnt uncertainty in the weights can be used to improve generalisation in non-linear regression problems, and how this weight uncertainty can be used to drive the exploration-exploitation trade-off in reinforcement learning.

深入学习的强化学习（RL）的结合导致了一系列令人印象深刻的壮举，许多相信（深）RL提供了一般能力的代理。然而，RL代理商的成功往往对培训过程中的设计选择非常敏感，这可能需要繁琐和易于易于的手动调整。这使得利用RL对新问题充满挑战，同时也限制了其全部潜力。在许多其他机器学习领域，AutomL已经示出了可以自动化这样的设计选择，并且在应用于RL时也会产生有希望的初始结果。然而，自动化强化学习（AutorL）不仅涉及Automl的标准应用，而且还包括RL独特的额外挑战，其自然地产生了不同的方法。因此，Autorl已成为RL中的一个重要研究领域，提供来自RNA设计的各种应用中的承诺，以便玩游戏等游戏。鉴于RL中考虑的方法和环境的多样性，在不同的子领域进行了大部分研究，从Meta学习到进化。在这项调查中，我们寻求统一自动的领域，我们提供常见的分类法，详细讨论每个区域并对研究人员来说是一个兴趣的开放问题。

现代深度学习方法构成了令人难以置信的强大工具，以解决无数的挑战问题。然而，由于深度学习方法作为黑匣子运作，因此与其预测相关的不确定性往往是挑战量化。贝叶斯统计数据提供了一种形式主义来理解和量化与深度神经网络预测相关的不确定性。本教程概述了相关文献和完整的工具集，用于设计，实施，列车，使用和评估贝叶斯神经网络，即使用贝叶斯方法培训的随机人工神经网络。