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.

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.

生成对抗网络（GAN）是基于生成器和歧视器之间的两种玩家游戏的一类分配学习方法，通常可以根据未知与生成的生成的差异表示的变异表示形式来表达为Minmax问题。分布。我们通过开发针对差异的新变分表示，将结构传播的gans作为学习分布的数据效率框架。我们的理论表明，我们可以利用与与基础结构相关的Sigma-algebra的条件期望，将歧视空间缩小为对不变歧视空间的投影。此外，我们证明了鉴别空间的缩小必须伴随着结构化发电机的仔细设计，因为有缺陷的设计很容易导致学习分布的灾难性的“模式崩溃”。我们通过构建具有对称性的gan来进行固有的群体对称性分布来使我们的框架背景化，并证明两个参与者，即epoiriant发电机和不变歧视者，都在学习过程中扮演重要但独特的角色。跨广泛的数据集的经验实验和消融研究，包括现实世界的医学成像，验证我们的理论，并显示我们所提出的方法可显着提高样品保真度和多样性 - 几乎是在FR \'Echet Intection中衡量的数量级距离 - 尤其是在小型数据制度中。

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。

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。

我们提出了整流的流程，这是一种令人惊讶的简单学习方法（神经）的普通微分方程（ODE）模型，用于在两个经验观察到的分布\ pi_0和\ pi_1之间运输，因此为生成建模和域转移提供了统一的解决方案，以及其他各种任务。涉及分配运输。整流流的想法是学习ode，以遵循尽可能多的连接从\ pi_0和\ pi_1的直径。这是通过解决直接的非线性最小二乘优化问题来实现的，该问题可以轻松地缩放到大型模型，而无需在标准监督学习之外引入额外的参数。直径是特殊的，因此是特殊的，因为它们是两个点之间的最短路径，并且可以精确模拟而无需时间离散，因此可以在计算上产生高效的模型。我们表明，从数据（称为整流）中学习的整流流的过程将\ pi_0和\ pi_1的任意耦合转变为新的确定性耦合，并证明是非侵入的凸面运输成本。此外，递归应用矫正使我们能够获得具有越来越直的路径的流动序列，可以在推理阶段进行粗略的时间离散化来准确地模拟。在实证研究中，我们表明，整流流对图像产生，图像到图像翻译和域的适应性表现出色。特别是，在图像生成和翻译上，我们的方法几乎产生了几乎直流的流，即使是单个Euler离散步骤，也会产生高质量的结果。

Normalizing flow is a class of deep generative models for efficient sampling and density estimation. In practice, the flow often appears as a chain of invertible neural network blocks; to facilitate training, existing works have regularized flow trajectories and designed special network architectures. The current paper develops a neural ODE flow network inspired by the Jordan-Kinderleherer-Otto (JKO) scheme, which allows efficient block-wise training of the residual blocks and avoids inner loops of score matching or variational learning. As the JKO scheme unfolds the dynamic of gradient flow, the proposed model naturally stacks residual network blocks one-by-one, reducing the memory load and difficulty of performing end-to-end training of deep flow networks. We also develop adaptive time reparameterization of the flow network with a progressive refinement of the trajectory in probability space, which improves the model training efficiency and accuracy in practice. Using numerical experiments with synthetic and real data, we show that the proposed JKO-iFlow model achieves similar or better performance in generating new samples compared with existing flow and diffusion models at a significantly reduced computational and memory cost.

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。

在本文中，我们提出了一种确定性变分推理方法，通过最小化内核差异来产生低差异点，也称为最大均值差异或MMD。基于Wang Et的一般能量变分推理框架。 al。 （2021），最小化内核差异被转换为通过显式欧拉方案求解动态颂音系统。我们将结果算法EVI-MMD命名，并通过其中统一化常数的常规规定常量规定的实例，并以培训数据的形式明确地已知的示例。与分布近似，数值集成和生成式学习中的应用中的替代方法相比，其性能令人满意。 EVI-MMD算法克服了现有MMD-DESCLITHMS的瓶颈，主要适用于两个样本问题。可以在EVI框架下开发具有更复杂结构和潜在优势的算法。

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。

渐变流是一种强大的工具，用于优化一般度量空间中的功能，包括赋予WasserseIn度量标准的概率空间。解决这种优化问题的典型方法依赖于它与最佳运输的动态配方的连接和庆祝的Jordan-KinderLehrer-Otto（JKO）方案。然而，该制剂涉及优化凸起功能，这是具有挑战性的，尤其是高维度。在这项工作中，我们提出了一种依赖于最近引入的输入 - 凸神经网络（ICNN）的方法，以参加凸起功能的空间，以便近似JKO方案，以及在享受收敛保证的措施中设计功能。我们推出了这种JKO-ICNN框架的计算上有效的实现，并通过了解具有已知解决方案的低维局部微分方程的近似解的可行性和有效性。我们还通过对分子发现的受控生成的实验展示其在高维应用中的可行性。

许多生成模型通过使用确定性神经网络转换标准高斯随机变量来合成数据。这些模型包括变异自动编码器和生成对抗网络。在这项工作中，我们称它们为“推动”模型并研究其表现力。我们表明，这些生成网络的Lipschitz常数必须很大才能拟合多模式分布。更确切地说，我们表明，生成的和数据分布之间的总变化距离和kullback-leibler差异是根据模式分离和Lipschitz常数从下面界定的。由于限制神经网络的Lipschitz常数是稳定生成模型的一种常见方法，因此推动向前模型近似多模式分布的能力与训练的稳定性之间存在可证明的权衡。我们在一维和图像数据集上验证了我们的发现，并从经验上表明，在每个步骤中具有随机输入的堆叠网络组成的生成模型，例如扩散模型不会受到此类限制。

尽管存在扩散模型的各种变化，但将线性扩散扩散到非线性扩散过程中仅由几项作品研究。非线性效应几乎没有被理解，但是直觉上，将有更多有希望的扩散模式来最佳地训练生成分布向数据分布。本文介绍了基于分数扩散模型的数据自适应和非线性扩散过程。提出的隐式非线性扩散模型（INDM）通过结合归一化流量和扩散过程来学习非线性扩散过程。具体而言，INDM通过通过流网络利用\ textIt {litex {litex {littent Space}的线性扩散来隐式构建\ textIt {data Space}的非线性扩散。由于非线性完全取决于流网络，因此该流网络是形成非线性扩散的关键。这种灵活的非线性是针对DDPM ++的非MLE训练，将INDM的学习曲线提高到了几乎最大的似然估计（MLE）训练，事实证明，这是具有身份流量的INDM的特殊情况。同样，训练非线性扩散可以通过离散的步骤大小产生采样鲁棒性。在实验中，INDM实现了Celeba的最新FID。

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。

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）。

Learning high-dimensional distributions is often done with explicit likelihood modeling or implicit modeling via minimizing integral probability metrics (IPMs). In this paper, we expand this learning paradigm to stochastic orders, namely, the convex or Choquet order between probability measures. Towards this end, exploiting the relation between convex orders and optimal transport, we introduce the Choquet-Toland distance between probability measures, that can be used as a drop-in replacement for IPMs. We also introduce the Variational Dominance Criterion (VDC) to learn probability measures with dominance constraints, that encode the desired stochastic order between the learned measure and a known baseline. We analyze both quantities and show that they suffer from the curse of dimensionality and propose surrogates via input convex maxout networks (ICMNs), that enjoy parametric rates. We provide a min-max framework for learning with stochastic orders and validate it experimentally on synthetic and high-dimensional image generation, with promising results. Finally, our ICMNs class of convex functions and its derived Rademacher Complexity are of independent interest beyond their application in convex orders.

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。

生成的对抗网络（GaN）是学习高维分布的众所周知的模型，但是没有理解其泛化能力的机制。特别是，GaN容易受到记忆现象的影响，最终会聚到经验分布。我们考虑一个简化的GaN模型，发电机替换为密度，分析鉴别者如何有助于泛化。我们表明，随着早期停下来，威尔斯坦度量测量的泛化误差从维度的诅咒中逃脱，尽管长期来看，记忆是不可避免的。此外，我们展示了WAN的学习结果的硬度。

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.