Gradient estimation -- approximating the gradient of an expectation with respect to the parameters of a distribution -- is central to the solution of many machine learning problems. However, when the distribution is discrete, most common gradient estimators suffer from excessive variance. To improve the quality of gradient estimation, we introduce a variance reduction technique based on Stein operators for discrete distributions. We then use this technique to build flexible control variates for the REINFORCE leave-one-out estimator. Our control variates can be adapted online to minimize variance and do not require extra evaluations of the target function. In benchmark generative modeling tasks such as training binary variational autoencoders, our gradient estimator achieves substantially lower variance than state-of-the-art estimators with the same number of function evaluations.

由于梯度的高差导致，离散潜变模型的随机梯度基于优化是挑战。我们引入了用于使用双控制变体的刻痕函数估计的方差减少技术。这些控制变体在主控制变化的顶部上的作用，并尝试进一步降低总估计器的方差。我们使用泰勒扩展开发了加强休养估计器的双重控制变化。对于培训离散潜变量模型，例如具有二进制潜变量的变形自动化器，与使用加强休假估计器的标准培训相比，我们的方法没有增加额外的计算成本。我们将我们的方法应用于挑战高维玩具示例和具有二进制潜变量的变形自动探测器。我们表明，与其他最先进的估计器相比，我们的估算器可能具有较低的方差。

在诸如增强学习和变分自动编码器（VAE）培训等上下文中，梯度估计通常是将生成模型与离散潜在变量拟合的必要条件。撤销估计器（Yin等，2020; Dong，Mnih和Tucker 2020）在许多情况下实现了Bernoulli潜在变量模型的最新梯度差异。然而，撤消和其他估计器在参数空间的边界附近可能会爆炸方差，而解决方案倾向于存在。为了改善此问题，我们提出了一个新的梯度估计器\ textIt {BitFlip} -1，该{Bitflip} -1在参数空间边界的方差较低。由于BITFLIP-1具有与现有估计器的互补属性，因此我们引入了一个汇总的估计器，\ textIt {无偏梯度方差剪辑}（UGC），该估计量使用BITFLIP-1或每个坐标的摘要梯度更新。从理论上讲，我们证明UGC的差异均高于解除武装。从经验上讲，我们观察到UGC在玩具实验，离散的VAE训练以及最佳子集选择问题中实现了优化目标的最佳价值。

How can we perform efficient inference and learning in directed probabilistic models, in the presence of continuous latent variables with intractable posterior distributions, and large datasets? We introduce a stochastic variational inference and learning algorithm that scales to large datasets and, under some mild differentiability conditions, even works in the intractable case. Our contributions is two-fold. First, we show that a reparameterization of the variational lower bound yields a lower bound estimator that can be straightforwardly optimized using standard stochastic gradient methods. Second, we show that for i.i.d. datasets with continuous latent variables per datapoint, posterior inference can be made especially efficient by fitting an approximate inference model (also called a recognition model) to the intractable posterior using the proposed lower bound estimator. Theoretical advantages are reflected in experimental results.

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。

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。

我们提出了离散的Langevin提案（DLP），这是一种简单且可扩展的基于梯度的建议，用于对复杂的高维离散分布进行采样。与基于Gibbs采样的方法相反，DLP能够单个步骤并行更新所有坐标，并且更改的幅度由步骤尺寸控制。这允许在高维且密切相关的变量的空间中进行廉价，有效的探索。我们通过证明其固定分布的渐近偏置对于对数季度分布而言是零，并且对于接近对数季度的分布而言，我们证明了DLP的效率为零。使用DLP，我们开发了几种采样算法的变体，包括未经调整的，大都市调整后的，随机和预处理版本。DLP在各种任务上都优于许多受欢迎的替代方案，包括ISING模型，受限的Boltzmann机器，基于深层的基于能量的模型，二进制神经网络和语言生成。

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。

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。

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.

引入后二十年多，退火重要性采样（AIS）仍然是边际可能性估计的最有效方法之一。它依赖于一系列分布序列在可聊天的初始分布和利益的目标分布之间插值，我们从大约使用非均匀的马尔可夫链中模拟了分布。为了获得边际可能性的重要性采样估计，AIS引入了扩展的目标分布，以重新持续马尔可夫链提案。尽管已经大量努力通过更改AIS使用的提案分布，通过更改中间分布和相应的马尔可夫内核，但不被评估的问题是AIS使用方便但次优的扩展目标分布。这可能会阻碍其性能。我们在这里利用基于分数的生成建模（SGM）的最新进展来近似与Langevin和Hamiltonian Dynamics离散化相对应的AIS建议的最佳扩展目标分布。我们在许多合成基准分布和变异自动编码器上展示了这些新颖的，可区分的AIS程序。

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。

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.

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。

We investigate a local reparameterizaton technique for greatly reducing the variance of stochastic gradients for variational Bayesian inference (SGVB) of a posterior over model parameters, while retaining parallelizability. This local reparameterization translates uncertainty about global parameters into local noise that is independent across datapoints in the minibatch. Such parameterizations can be trivially parallelized and have variance that is inversely proportional to the minibatch size, generally leading to much faster convergence. Additionally, we explore a connection with dropout: Gaussian dropout objectives correspond to SGVB with local reparameterization, a scale-invariant prior and proportionally fixed posterior variance. Our method allows inference of more flexibly parameterized posteriors; specifically, we propose variational dropout, a generalization of Gaussian dropout where the dropout rates are learned, often leading to better models. The method is demonstrated through several experiments.

我们介绍了本地自动平衡采样器（LSB），这是一种本地马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，用于在纯离散域中采样，该方法能够自主适应目标分布并减少收敛所需的目标评估数量。LSB基于（i）局部平衡建议的参数化，（ii）基于相互信息的新提出的目标函数和（iii）自平衡学习过程，该过程最大程度地降低了提议的目标以更新提案参数。基于能量的模型和马尔可夫网络的实验表明，与最近的本地MCMC采样器相比，LSB使用较少数量的Oracle分布收敛。

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.

The framework of normalizing flows provides a general strategy for flexible variational inference of posteriors over latent variables. We propose a new type of normalizing flow, inverse autoregressive flow (IAF), that, in contrast to earlier published flows, scales well to high-dimensional latent spaces. The proposed flow consists of a chain of invertible transformations, where each transformation is based on an autoregressive neural network. In experiments, we show that IAF significantly improves upon diagonal Gaussian approximate posteriors. In addition, we demonstrate that a novel type of variational autoencoder, coupled with IAF, is competitive with neural autoregressive models in terms of attained log-likelihood on natural images, while allowing significantly faster synthesis.

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.

自动编码变化贝叶斯（AEVB）是一种用于拟合潜在变量模型（无监督学习的有前途的方向）的强大而通用的算法，并且是训练变量自动编码器（VAE）的众所周知的。在本教程中，我们专注于从经典的期望最大化（EM）算法中激励AEVB，而不是确定性自动编码器。尽管自然而有些不言而喻，但在最近的深度学习文献中并未强调EM与AEVB之间的联系，我们认为强调这种联系可以改善社区对AEVB的理解。特别是，我们发现（1）优化有关推理参数的证据下限（ELBO）作为近似E-step，并且（2）优化ELBO相对于生成参数作为近似M-step；然后，与AEVB中的同时进行同时进行，然后同时拧紧并推动Elbo。我们讨论如何将近似E-Step解释为执行变异推断。详细讨论了诸如摊销和修复技巧之类的重要概念。最后，我们从划痕中得出了非深度和几个深层变量模型的AEVB训练程序，包括VAE，有条件的VAE，高斯混合物VAE和变异RNN。我们希望读者能够将AEVB认识为一种通用算法，可用于拟合广泛的潜在变量模型（不仅仅是VAE），并将AEVB应用于自己的研究领域中出现的此类模型。所有纳入型号的Pytorch代码均可公开使用。