我们介绍了用于生成建模的广义能量模型（GEBM）。这些模型组合了两个训练有素的组件：基本分布（通常是隐式模型），可以在高维空间中学习具有低固有尺寸的数据的支持;和能量功能，优化学习支持的概率质量。能量函数和基座都共同构成了最终模型，与GANS不同，它仅保留基本分布（“发电机”）。通过在学习能量和基础之间交替进行培训GEBMS。我们表明，两种培训阶段都明确定义：通过最大化广义可能性来学习能量，并且由此产生的能源的损失提供了学习基础的信息梯度。可以通过MCMC获得来自训练模型的潜在空间的后部的样品，从而在该空间中找到产生更好的质量样本的区域。经验上，图像生成任务上的GEBM样本比来自学习发电机的图像更好，表明所有其他相同，GEBM将优于同样复杂性的GAN。当使用归一化流作为基础测量时，GEBMS成功地启动密度建模任务，返回相当的性能以直接相同网络的最大可能性。

We investigate the training and performance of generative adversarial networks using the Maximum Mean Discrepancy (MMD) as critic, termed MMD GANs. As our main theoretical contribution, we clarify the situation with bias in GAN loss functions raised by recent work: we show that gradient estimators used in the optimization process for both MMD GANs and Wasserstein GANs are unbiased, but learning a discriminator based on samples leads to biased gradients for the generator parameters. We also discuss the issue of kernel choice for the MMD critic, and characterize the kernel corresponding to the energy distance used for the Cramér GAN critic. Being an integral probability metric, the MMD benefits from training strategies recently developed for Wasserstein GANs. In experiments, the MMD GAN is able to employ a smaller critic network than the Wasserstein GAN, resulting in a simpler and faster-training algorithm with matching performance. We also propose an improved measure of GAN convergence, the Kernel Inception Distance, and show how to use it to dynamically adapt learning rates during GAN training.

在概率密度范围内相对于Wassersein度量的空间的梯度流程通常具有很好的特性，并且已在几种机器学习应用中使用。计算Wasserstein梯度流量的标准方法是有限差异，使网格上的基础空间离散，并且不可扩展。在这项工作中，我们提出了一种可扩展的近端梯度型算法，用于Wassersein梯度流。我们的方法的关键是目标函数的变分形式，这使得可以通过引流 - 双重优化实现JKO近端地图。可以通过替代地更新内部和外环中的参数来有效地解决该原始问题。我们的框架涵盖了包括热方程和多孔介质方程的所有经典Wasserstein梯度流。我们展示了若干数值示例的算法的性能和可扩展性。

The modeling of probability distributions, specifically generative modeling and density estimation, has become an immensely popular subject in recent years by virtue of its outstanding performance on sophisticated data such as images and texts. Nevertheless, a theoretical understanding of its success is still incomplete. One mystery is the paradox between memorization and generalization: In theory, the model is trained to be exactly the same as the empirical distribution of the finite samples, whereas in practice, the trained model can generate new samples or estimate the likelihood of unseen samples. Likewise, the overwhelming diversity of distribution learning models calls for a unified perspective on this subject. This paper provides a mathematical framework such that all the well-known models can be derived based on simple principles. To demonstrate its efficacy, we present a survey of our results on the approximation error, training error and generalization error of these models, which can all be established based on this framework. In particular, the aforementioned paradox is resolved by proving that these models enjoy implicit regularization during training, so that the generalization error at early-stopping avoids the curse of dimensionality. Furthermore, we provide some new results on landscape analysis and the mode collapse phenomenon.

变性推理（VI）为基于传统的采样方法提供了一种吸引人的替代方法，用于实施贝叶斯推断，因为其概念性的简单性，统计准确性和计算可扩展性。然而，常见的变分近似方案（例如平均场（MF）近似）需要某些共轭结构以促进有效的计算，这可能会增加不必要的限制对可行的先验分布家族，并对变异近似族对差异进行进一步的限制。在这项工作中，我们开发了一个通用计算框架，用于实施MF-VI VIA WASSERSTEIN梯度流（WGF），这是概率度量空间上的梯度流。当专门针对贝叶斯潜在变量模型时，我们将分析基于时间消化的WGF交替最小化方案的算法收敛，用于实现MF近似。特别是，所提出的算法类似于EM算法的分布版本，包括更新潜在变量变异分布的E step以及在参数的变异分布上进行最陡峭下降的m step。我们的理论分析依赖于概率度量空间中的最佳运输理论和细分微积分。我们证明了时间限制的WGF的指数收敛性，以最大程度地减少普通大地测量学严格的凸度的通用物镜功能。我们还提供了通过使用时间限制的WGF的固定点方程从MF近似获得的变异分布的指数收缩的新证明。我们将方法和理论应用于两个经典的贝叶斯潜在变量模型，即高斯混合模型和回归模型的混合物。还进行了数值实验，以补充这两个模型下的理论发现。

对复杂模型执行精确的贝叶斯推理是计算的难治性的。马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）算法可以提供后部分布的可靠近似，但对于大型数据集和高维模型昂贵。减轻这种复杂性的标准方法包括使用子采样技术或在群集中分发数据。然而，这些方法通常在高维方案中不可靠。我们在此处专注于最近的替代类别的MCMC方案，利用类似于乘客（ADMM）优化算法的庆祝交替方向使用的分裂策略。这些方法似乎提供了凭经验最先进的性能，但其高维层的理论行为目前未知。在本文中，我们提出了一个详细的理论研究，该算法之一称为分裂Gibbs采样器。在规律条件下，我们使用RICCI曲率和耦合思路为此方案建立了明确的收敛速率。我们以数字插图支持我们的理论。

We consider the constrained sampling problem where the goal is to sample from a distribution $\pi(x)\propto e^{-f(x)}$ and $x$ is constrained on a convex body $\mathcal{C}\subset \mathbb{R}^d$. Motivated by penalty methods from optimization, we propose penalized Langevin Dynamics (PLD) and penalized Hamiltonian Monte Carlo (PHMC) that convert the constrained sampling problem into an unconstrained one by introducing a penalty function for constraint violations. When $f$ is smooth and the gradient is available, we show $\tilde{\mathcal{O}}(d/\varepsilon^{10})$ iteration complexity for PLD to sample the target up to an $\varepsilon$-error where the error is measured in terms of the total variation distance and $\tilde{\mathcal{O}}(\cdot)$ hides some logarithmic factors. For PHMC, we improve this result to $\tilde{\mathcal{O}}(\sqrt{d}/\varepsilon^{7})$ when the Hessian of $f$ is Lipschitz and the boundary of $\mathcal{C}$ is sufficiently smooth. To our knowledge, these are the first convergence rate results for Hamiltonian Monte Carlo methods in the constrained sampling setting that can handle non-convex $f$ and can provide guarantees with the best dimension dependency among existing methods with deterministic gradients. We then consider the setting where unbiased stochastic gradients are available. We propose PSGLD and PSGHMC that can handle stochastic gradients without Metropolis-Hasting correction steps. When $f$ is strongly convex and smooth, we obtain an iteration complexity of $\tilde{\mathcal{O}}(d/\varepsilon^{18})$ and $\tilde{\mathcal{O}}(d\sqrt{d}/\varepsilon^{39})$ respectively in the 2-Wasserstein distance. For the more general case, when $f$ is smooth and non-convex, we also provide finite-time performance bounds and iteration complexity results. Finally, we test our algorithms on Bayesian LASSO regression and Bayesian constrained deep learning problems.

生成对抗网络（GAN）在数据生成方面取得了巨大成功。但是，其统计特性尚未完全理解。在本文中，我们考虑了GAN的一般$ f $ divergence公式的统计行为，其中包括Kullback- Leibler Divergence与最大似然原理密切相关。我们表明，对于正确指定的参数生成模型，在适当的规律性条件下，所有具有相同歧视类别类别的$ f $ divergence gans均在渐近上等效。 Moreover, with an appropriately chosen local discriminator, they become equivalent to the maximum likelihood estimate asymptotically.对于被误解的生成模型，具有不同$ f $ -Divergences {收敛到不同估计器}的gan，因此无法直接比较。但是，结果表明，对于某些常用的$ f $ -Diverences，原始的$ f $ gan并不是最佳的，因为当更换原始$ f $ gan配方中的判别器培训时，可以实现较小的渐近方差通过逻辑回归。结果估计方法称为对抗梯度估计（年龄）。提供了实证研究来支持该理论，并证明了年龄的优势，而不是模型错误的原始$ f $ gans。

基于能量的模型（EBMS）提供灵活的分布参数化。然而，由于难以应变的分隔功能，它们通常通过对比发散培训，以获得最大似然估计。在本文中，我们提出了伪球形对比偏差（PS-CD）来概括eBM的最大似然学习。 PS-CD源自严格适当的同质评分规则系列的最大化，这避免了难以处理分区功能的计算，并提供了包括对比分歧的广义学习目标作为特殊情况。此外，PS-CD允许我们灵活地选择各种学习目标，以便在没有额外的计算成本或变分性最低限度优化的情况下培训EBM。关于合成数据和常用图像数据集的提出方法和广泛实验的理论分析证明了PS-CD的有效性和建模灵活性，以及​​其对数据污染的鲁棒性，从而显示出其最大可能性和$ F $的优势 - ebms。

逐步应用高斯噪声将复杂的数据分布转换为大约高斯。逆转此动态定义了一种生成模型。当前进通知过程由随机微分方程（SDE），Song等人提供。 （2021）证明可以使用分数匹配估计相关反向时间SDE的时间不均匀漂移。这种方法的限制是必须在最终分布到高斯的最终分布必须运行前进时间SDE。相反，解决Schr \“odinger桥问题（SB），即路径空间上的熵正常化的最佳运输问题，产生从有限时间内从数据分布产生样本的扩散。我们存在扩散SB（DSB），原始近似迭代比例拟合（IPF）程序来解决SB问题，并提供理论分析以及生成建模实验。第一个DSB迭代恢复Song等人提出的方法。（2021），使用较短时间的灵活性间隔，随后的DSB迭代减少了前进（RESP。后向）SDE的最终时间边际之间的差异，相对于先前（RESP。数据）分布。除了生成的建模之外，DSB提供了广泛适用的计算最优运输工具流行池算法的连续状态空间模拟（Cuturi，2013）。

标准化流动，扩散归一化流量和变形自动置换器是强大的生成模型。在本文中，我们提供了一个统一的框架来通过马尔可夫链处理这些方法。实际上，我们考虑随机标准化流量作为一对马尔可夫链，满足一些属性，并表明许多用于数据生成的最先进模型适合该框架。马尔可夫链的观点使我们能够将确定性层作为可逆的神经网络和随机层作为大都会加速层，Langevin层和变形自身偏移，以数学上的声音方式。除了具有Langevin层的密度的层，扩散层或变形自身形式，也可以处理与确定性层或大都会加热器层没有密度的层。因此，我们的框架建立了一个有用的数学工具来结合各种方法。

我们开发了一个探索漏洞利用马尔可夫链Monte Carlo算法（$ \ OperatorName {ex ^ 2mcmc} $），它结合了多个全局提议和本地移动。所提出的方法是巨大的平行化和极其计算的高效。我们证明$ \ operatorname {ex ^ 2mcmc} $下的$ v $ v $ -unique几何ergodicity在现实条件下，并计算混合速率的显式界限，显示多个全局移动带来的改进。我们展示$ \ operatorname {ex ^ 2mcmc} $允许通过提出依赖全局移动的新方法进行微调剥削（本地移动）和探索（全球移动）。最后，我们开发了一个自适应方案，$ \ OperatorName {Flex ^ 2mcmc} $，它学习使用归一化流的全局动作的分布。我们说明了许多经典采样基准测试的$ \ OperatorName {ex ^ 2mccmc} $及其自适应版本的效率。我们还表明，这些算法提高了对基于能量的模型的抽样GAN的质量。

基于似然或显式的深层生成模型使用神经网络来构建灵活的高维密度。该公式直接与歧管假设相矛盾，该假设指出，观察到的数据位于嵌入高维环境空间中的低维歧管上。在本文中，我们研究了在这种维度不匹配的情况下，最大可能的训练的病理。我们正式证明，在学习歧管本身而不是分布的情况下，可以实现堕落的优点，而我们称之为多种歧视的现象过于拟合。我们提出了一类两步程序，该过程包括降低降低步骤，然后进行最大样子密度估计，并证明它们在非参数方面恢复了数据生成分布，从而避免了多种歧视。我们还表明，这些过程能够对隐式模型（例如生成对抗网络）学到的流形进行密度估计，从而解决了这些模型的主要缺点。最近提出的几种方法是我们两步程序的实例。因此，我们统一，扩展和理论上证明了一大批模型。

度量的运输提供了一种用于建模复杂概率分布的多功能方法，并具有密度估计，贝叶斯推理，生成建模及其他方法的应用。单调三角传输地图$ \ unicode {x2014} $近似值$ \ unicode {x2013} $ rosenblatt（kr）重新安排$ \ unicode {x2014} $是这些任务的规范选择。然而，此类地图的表示和参数化对它们的一般性和表现力以及对从数据学习地图学习（例如，通过最大似然估计）出现的优化问题的属性产生了重大影响。我们提出了一个通用框架，用于通过平滑函数的可逆变换来表示单调三角图。我们建立了有关转化的条件，以使相关的无限维度最小化问题没有伪造的局部最小值，即所有局部最小值都是全球最小值。我们展示了满足某些尾巴条件的目标分布，唯一的全局最小化器与KR地图相对应。鉴于来自目标的样品，我们提出了一种自适应算法，该算法估计了基础KR映射的稀疏半参数近似。我们证明了如何将该框架应用于关节和条件密度估计，无可能的推断以及有向图形模型的结构学习，并在一系列样本量之间具有稳定的概括性能。

比较概率分布是许多机器学习算法的关键。最大平均差异（MMD）和最佳运输距离（OT）是在过去几年吸引丰富的关注的概率措施之间的两类距离。本文建立了一些条件，可以通过MMD规范控制Wassersein距离。我们的作品受到压缩统计学习（CSL）理论的推动，资源有效的大规模学习的一般框架，其中训练数据总结在单个向量（称为草图）中，该训练数据捕获与所考虑的学习任务相关的信息。在CSL中的现有结果启发，我们介绍了H \“较旧的较低限制的等距属性（H \”较旧的LRIP）并表明这家属性具有有趣的保证对压缩统计学习。基于MMD与Wassersein距离之间的关系，我们通过引入和研究学习任务的Wassersein可读性的概念来提供压缩统计学习的保证，即概率分布之间的某些特定于特定的特定度量，可以由Wassersein界定距离。

我们为生成对抗网络（GAN）提出了一个新颖的理论框架。我们揭示了先前分析的基本缺陷，通过错误地对GANS的训练计划进行了错误的建模，该缺陷受到定义不定的鉴别梯度的约束。我们克服了这个问题，该问题阻碍了对GAN培训的原则研究，并考虑了歧视者的体系结构在我们的框架内解决它。为此，我们通过其神经切线核为歧视者提供了无限宽度神经网络的理论。我们表征了训练有素的判别器，以实现广泛的损失，并建立网络的一般可怜性属性。由此，我们获得了有关生成分布的融合的新见解，从而促进了我们对GANS训练动态的理解。我们通过基于我们的框架的分析工具包来证实这些结果，并揭示了与GAN实践一致的直觉。

我们开发了对对抗估计量（“ A-估计器”）的渐近理论。它们将最大样品型估计量（“ M-估计器”）推广为平均目标，以通过某些参数最大化，而其他参数则最小化。该课程涵盖了瞬间的瞬间通用方法，生成的对抗网络以及机器学习和计量经济学方面的最新建议。在这些示例中，研究人员指出，原则上可以使用哪些方面进行估计，并且对手学习如何最佳地强调它们。我们在重点和部分识别下得出A估计剂的收敛速率，以及其参数功能的正态性。未知功能可以通过筛子（例如深神经网络）近似，我们为此提供简化的低级条件。作为推论，我们获得了神经网络估计剂的正态性，克服了文献先前确定的技术问题。我们的理论产生了有关各种A估计器的新成果，为它们在最近的应用中的成功提供了直觉和正式的理由。

We introduce and study a novel model-selection strategy for Bayesian learning, based on optimal transport, along with its associated predictive posterior law: the Wasserstein population barycenter of the posterior law over models. We first show how this estimator, termed Bayesian Wasserstein barycenter (BWB), arises naturally in a general, parameter-free Bayesian model-selection framework, when the considered Bayesian risk is the Wasserstein distance. Examples are given, illustrating how the BWB extends some classic parametric and non-parametric selection strategies. Furthermore, we also provide explicit conditions granting the existence and statistical consistency of the BWB, and discuss some of its general and specific properties, providing insights into its advantages compared to usual choices, such as the model average estimator. Finally, we illustrate how this estimator can be computed using the stochastic gradient descent (SGD) algorithm in Wasserstein space introduced in a companion paper arXiv:2201.04232v2 [math.OC], and provide a numerical example for experimental validation of the proposed method.

Lipschitz regularized f-divergences are constructed by imposing a bound on the Lipschitz constant of the discriminator in the variational representation. They interpolate between the Wasserstein metric and f-divergences and provide a flexible family of loss functions for non-absolutely continuous (e.g. empirical) distributions, possibly with heavy tails. We construct Lipschitz regularized gradient flows on the space of probability measures based on these divergences. Examples of such gradient flows are Lipschitz regularized Fokker-Planck and porous medium partial differential equations (PDEs) for the Kullback-Leibler and alpha-divergences, respectively. The regularization corresponds to imposing a Courant-Friedrichs-Lewy numerical stability condition on the PDEs. For empirical measures, the Lipschitz regularization on gradient flows induces a numerically stable transporter/discriminator particle algorithm, where the generative particles are transported along the gradient of the discriminator. The gradient structure leads to a regularized Fisher information (particle kinetic energy) used to track the convergence of the algorithm. The Lipschitz regularized discriminator can be implemented via neural network spectral normalization and the particle algorithm generates approximate samples from possibly high-dimensional distributions known only from data. Notably, our particle algorithm can generate synthetic data even in small sample size regimes. A new data processing inequality for the regularized divergence allows us to combine our particle algorithm with representation learning, e.g. autoencoder architectures. The resulting algorithm yields markedly improved generative properties in terms of efficiency and quality of the synthetic samples. From a statistical mechanics perspective the encoding can be interpreted dynamically as learning a better mobility for the generative particles.

Normalizing flows provide a general mechanism for defining expressive probability distributions, only requiring the specification of a (usually simple) base distribution and a series of bijective transformations. There has been much recent work on normalizing flows, ranging from improving their expressive power to expanding their application. We believe the field has now matured and is in need of a unified perspective. In this review, we attempt to provide such a perspective by describing flows through the lens of probabilistic modeling and inference. We place special emphasis on the fundamental principles of flow design, and discuss foundational topics such as expressive power and computational trade-offs. We also broaden the conceptual framing of flows by relating them to more general probability transformations. Lastly, we summarize the use of flows for tasks such as generative modeling, approximate inference, and supervised learning.