We show that standard ResNet architectures can be made invertible, allowing the same model to be used for classification, density estimation, and generation. Typically, enforcing invertibility requires partitioning dimensions or restricting network architectures. In contrast, our approach only requires adding a simple normalization step during training, already available in standard frameworks. Invertible ResNets define a generative model which can be trained by maximum likelihood on unlabeled data. To compute likelihoods, we introduce a tractable approximation to the Jacobian log-determinant of a residual block. Our empirical evaluation shows that invertible ResNets perform competitively with both stateof-the-art image classifiers and flow-based generative models, something that has not been previously achieved with a single architecture.

可逆的神经网络（Inns）已被用于设计生成模型，实现节省内存梯度计算，并解决逆问题。在这项工作中，我们展示了普通二手纪念架构遭受爆炸逆，因此易于变得数值不可逆转。在广泛的Inn用例中，我们揭示了包括在分配和分配的变化（OOD）数据的变化公式的不适用性的失败，用于节省内存返回的不正确渐变，以及无法从标准化流量模型中采样。我们进一步推出了普通架构原子构建块的双嘴唇特性。这些见解对旅馆的稳定性然后提供了前进的方法来解决这些故障。对于本地可释放足够的任务，如记忆保存的倒退，我们提出了一种灵活且高效的常规器。对于必要的全球可逆性的问题，例如在ood数据上应用标准化流动，我们展示了设计稳定的旅馆构建块的重要性。

正常化流动在过去几年中已经变得更加流行;然而，他们继续计算得昂贵，使得它们难以被接受到更广泛的机器学习界中。在本文中，我们介绍了一个简单的一维一层网络，其封闭形式的Lipschitz常数;使用此，我们介绍了一种新的精确嘴唇流（ELF），这些流量（ELF）结合了剩余流量的易于采样，并具有自回归流的强烈性能。此外，我们表明，与多个其他流相比，ELF被证明是通用密度近似器，更新和参数有效，并且在多个大规模数据集上实现最先进的性能。

归一化流提供一种优雅的方法，用于通过使用可逆的变换获得来自分布的易于密度估计。主要挑战是提高模型的表现，同时保持可逆性约束完整。我们建议通过纳入本地化的自我关注来这样做。然而，传统的自我关注机制不满足获得可逆流的要求，并且不能胆无利地结合到标准化流中。为了解决这一点，我们介绍了一种称为细微的收缩流（ACF）的新方法，它利用了一种特殊类别的基于流的生成模型 - 收缩流。我们证明可以以即插即用的方式将ACF引入到最新的现有技术的状态。这被证明是不仅改善了这些模型的表示力（改善了每次昏暗度量的比特），而且还导致训练它们的速度明显更快。在包括测试图像之间的分隔的定性结果证明样本更加现实并捕获数据中的本地相关性。我们通过使用AWGN进行扰动分析来进一步评估结果，证明ACF模型（特别是点 - 产品变体）表现出更好，更加一致的恢复能力噪声。

Normalizing Flows are generative models which produce tractable distributions where both sampling and density evaluation can be efficient and exact. The goal of this survey article is to give a coherent and comprehensive review of the literature around the construction and use of Normalizing Flows for distribution learning. We aim to provide context and explanation of the models, review current state-of-the-art literature, and identify open questions and promising future directions.

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.

使用通过组成可逆层获得的地图进行标准化模型复杂概率分布。特殊的线性层（例如蒙版和1x1卷积）在现有体系结构中起着关键作用，因为它们在具有可拖动的Jacobians和倒置的同时增加表达能力。我们提出了一个基于蝴蝶层的新的可逆线性层家族，理论上捕获复杂的线性结构，包括排列和周期性，但可以有效地倒置。这种代表力是我们方法的关键优势，因为这些结构在许多现实世界数据集中很常见。根据我们的可逆蝴蝶层，我们构建了一个新的称为蝴蝶流的归一化流量模型。从经验上讲，我们证明蝴蝶不仅可以在MNIST，CIFAR-10和Imagenet 32​​x32等自然图像上实现强密度估计结果，而且还可以在结构化数据集中获得明显更好的对数可能性，例如Galaxy图像和Mimic-III患者群体 - - 同时，在记忆和计算方面比相关基线更有效。

生成建模旨在揭示产生观察到的数据的潜在因素，这些数据通常可以被建模为自然对称性，这些对称性是通过不变和对某些转型定律等效的表现出来的。但是，当前代表这些对称性的方法是在需要构建模棱两可矢量场的连续正式化流中所掩盖的 - 抑制了它们在常规的高维生成建模域（如自然图像）中的简单应用。在本文中，我们专注于使用离散层建立归一化流量。首先，我们从理论上证明了对紧凑空间的紧凑型组的模棱两可的图。我们进一步介绍了三个新的品牌流：$ g $ - 剩余的流量，$ g $ - 耦合流量和$ g $ - inverse自动回旋的回旋流量，可以提升经典的残留剩余，耦合和反向自动性流量，并带有等效的地图， $。从某种意义上说，我们证明$ g $ equivariant的差异性可以通过$ g $ - $ residual流量映射，我们的$ g $ - 剩余流量也很普遍。最后，我们首次在诸如CIFAR-10之类的图像数据集中对我们的理论见解进行了补充，并显示出$ G $ equivariant有限的有限流量，从而提高了数据效率，更快的收敛性和提高的可能性估计。

We introduce a new family of deep neural network models. Instead of specifying a discrete sequence of hidden layers, we parameterize the derivative of the hidden state using a neural network. The output of the network is computed using a blackbox differential equation solver. These continuous-depth models have constant memory cost, adapt their evaluation strategy to each input, and can explicitly trade numerical precision for speed. We demonstrate these properties in continuous-depth residual networks and continuous-time latent variable models. We also construct continuous normalizing flows, a generative model that can train by maximum likelihood, without partitioning or ordering the data dimensions. For training, we show how to scalably backpropagate through any ODE solver, without access to its internal operations. This allows end-to-end training of ODEs within larger models.

A normalizing flow models a complex probability density as an invertible transformation of a simple base density. Flows based on either coupling or autoregressive transforms both offer exact density evaluation and sampling, but rely on the parameterization of an easily invertible elementwise transformation, whose choice determines the flexibility of these models. Building upon recent work, we propose a fully-differentiable module based on monotonic rational-quadratic splines, which enhances the flexibility of both coupling and autoregressive transforms while retaining analytic invertibility. We demonstrate that neural spline flows improve density estimation, variational inference, and generative modeling of images.

神经普通微分方程（神经ODE）是残留神经网络（RESNETS）的连续类似物。我们研究了重新NET定义的离散动力学是否接近连续的神经颂歌。我们首先量化了Resnet的隐藏状态轨迹与其相应神经ODE的解之间的距离。我们的界限很紧，在负面的一侧，如果残留函数的深度不光滑，则不会以深度为0。在正面，我们表明这种平滑度是通过梯度下降来保留的，该梯度下降具有线性残留功能和足够小的初始损失的重新系统。它确保在n上以1的速率1均匀地沿速率1的速率和优化时间对极限神经的隐式正则化。作为我们分析的副产品，我们考虑使用不含内存的离散伴随方法来训练重新NET，通过通过网络的向后传动恢复激活，并证明该方法理论上在大深度上取得了成功，如果残留功能是带有输入的Lipschitz。然后，我们证明HEUN的方法是一种二阶Ode集成方案，当残留函数及其深度平滑时，使用伴随方法进行更好的梯度估计。我们通过实验验证我们的伴随方法在很大程度上取得了成功，并且Heun方法需要更少的层才能成功。我们最终成功地使用了伴随方法来微调非常深的重新连接，而无需残留层的内存消耗。

标准化流是生成模型，其通过从简单的基本分布到复杂的目标分布的可逆性转换提供易于变换的工艺模型。然而，该技术不能直接模拟支持未知的低维歧管的数据，在诸如图像数据之类的现实世界域中的公共发生。最近的补救措施的尝试引入了击败归一化流量的中央好处的几何并发症：精确密度估计。我们通过保形嵌入流量来恢复这种福利，这是一种设计流动与贸易密度的流动的流动的框架。我们争辩说，使用培训保育嵌入的标准流量是模型支持数据的最自然的方式。为此，我们提出了一系列保形构建块，并在具有合成和实际数据的实验中应用它们，以证明流动可以在不牺牲贸易可能性的情况下模拟歧管支持的分布。

最近的工作已经为简单的高斯分布建立了一个路径梯度估计量，并认为该路径梯度在变化分布接近确切目标分布的状态下尤其有益。但是，在许多应用中，这种制度无法通过简单的高斯分布来达到。在这项工作中，我们通过提出一个途径梯度估计量来克服这一关键限制，以使连续归一化流的表达性变异家族更加表现力。我们概述了一种有效的算法来计算该估计器并通过经验建立其出色的性能。

深度学习的一个有前景的趋势取代了具有隐式网络的传统馈送网络。与传统网络不同，隐式网络解决了一个固定点方程来计算推断。解决固定点的复杂性变化，具体取决于提供的数据和误差容差。重要的是，可以通过与前馈网络的STARK对比度训练隐式网络，其内存需求与深度线性缩放。但是，没有免费的午餐 - 通过隐式网络锻造BackPropagation通常需要解决从隐式功能定理引起的昂贵的Jacobian等方程。我们提出了无雅各比的BackPropagation（JFB），一种固定内存方法，这些方法旨在解决基于雅略族裔的基于雅代族人的方程。 JFB使隐式网络更快地培训，并明显更容易实现，而不会牺牲测试精度。我们的实验表明，使用JFB培训的隐式网络与给出相同数量的参数的前馈网络和现有的隐式网络具有竞争力。

A neural network deployed in the wild may be asked to make predictions for inputs that were drawn from a different distribution than that of the training data. A plethora of work has demonstrated that it is easy to find or synthesize inputs for which a neural network is highly confident yet wrong. Generative models are widely viewed to be robust to such mistaken confidence as modeling the density of the input features can be used to detect novel, out-of-distribution inputs. In this paper we challenge this assumption. We find that the density learned by flow-based models, VAEs, and PixelCNNs cannot distinguish images of common objects such as dogs, trucks, and horses (i.e. CIFAR-10) from those of house numbers (i.e. SVHN), assigning a higher likelihood to the latter when the model is trained on the former. Moreover, we find evidence of this phenomenon when pairing several popular image data sets: FashionMNIST vs MNIST, CelebA vs SVHN, ImageNet vs CIFAR-10 / CIFAR-100 / SVHN. To investigate this curious behavior, we focus analysis on flow-based generative models in particular since they are trained and evaluated via the exact marginal likelihood. We find such behavior persists even when we restrict the flows to constant-volume transformations. These transformations admit some theoretical analysis, and we show that the difference in likelihoods can be explained by the location and variances of the data and the model curvature. Our results caution against using the density estimates from deep generative models to identify inputs similar to the training distribution until their behavior for out-of-distribution inputs is better understood.

归一化流量是具有易于易变量的神经网络的可逆性网络，其允许通过最大可能性优化它们的参数来有效地执行。然而，通常假设感兴趣的数据生活在嵌入在高维环境空间中的一些（通常未知）的低维歧管中。结果是自建设中以来的建模不匹配 - 可逆性要求意味着学习分布的高维支持。注射流量，从低到高维空间的映射，旨在通过学习歧管的分布来解决这种差异，但是由此产生的体积变化术语变得更具挑战性。目前方法避免完全使用各种启发式计算该术语，或者假设歧管预先已知，因此不广泛适用。相反，我们提出了两种方法来对模型的参数来促进该术语的梯度，依赖于仔细使用来自数值线性代数的自动分化和技术。两种方法都对将其投射到这种歧管上的数据执行端到端非线性歧管学习和密度估计。我们研究了我们所提出的方法之间的权衡，经验验证我们优于更准确地学习歧管和对应的相应分布忽略音量变化术语的优先级，并显示出对分布外检测的有希望的结果。我们的代码可在https://github.com/layer6ai-labs/rectangular-flows中找到。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

平均场游戏（MFGS）是针对具有大量交互代理的系统的建模框架。他们在经济学，金融和游戏理论中有应用。标准化流（NFS）是一个深层生成模型的家族，通过使用可逆映射来计算数据的可能性，该映射通常通过使用神经网络进行参数化。它们对于密度建模和数据生成很有用。尽管对这两种模型进行了积极的研究，但很少有人注意到两者之间的关系。在这项工作中，我们通过将NF的训练视为解决MFG来揭示MFGS和NFS之间的联系。这是通过根据试剂轨迹重新解决MFG问题的实现，并通过流量体系结构对所得MFG的离散化进行参数化。通过这种联系，我们探讨了两个研究方向。首先，我们采用表达的NF体系结构来准确地求解高维MFG，以避开传统数值方法中维度的诅咒。与其他深度学习方法相比，我们的基于轨迹的公式编码神经网络中的连续性方程，从而更好地近似人口动态。其次，我们对NFS进行运输成本的培训正规，并显示了控制模型Lipschitz绑定的有效性，从而获得了更好的概括性能。我们通过对各种合成和现实生活数据集的全面实验来展示数值结果。

用于估计模型不确定性的线性拉普拉斯方法在贝叶斯深度学习社区中引起了人们的重新关注。该方法提供了可靠的误差线，并接受模型证据的封闭式表达式，从而可以选择模型超参数。在这项工作中，我们检查了这种方法背后的假设，尤其是与模型选择结合在一起。我们表明，这些与一些深度学习的标准工具（构成近似方法和归一化层）相互作用，并为如何更好地适应这种经典方法对现代环境提出建议。我们为我们的建议提供理论支持，并在MLP，经典CNN，具有正常化层，生成性自动编码器和变压器的剩余网络上进行经验验证它们。

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。