在$ \ mathbb {r}^n $中观察到的自然数据通常被限制为$ m $ dimensional歧管$ \ mathcal {m} $，其中$ m <n $。当前的生成模型通过通过神经网络$ f_ \ theta映射$ m $二维潜在变量来表示此流形：\ mathbb {r}^m \ to \ mathbb {r}^n $。我们称之为Pushforward模型的此类过程产生了一个直接的限制：通常不能以单个参数化表示歧管，这意味着尝试这样做的方法将导致计算不稳定性或无法在歧管内学习概率密度。为了解决这个问题，我们建议将$ \ mathcal {m} $建模为神经隐式歧管：神经网络的零零。为了了解$ \ Mathcal {M} $中的数据分布，我们引入了受限的基于能量的模型，该模型使用Langevin Dynamics的约束变体来训练和示例在学习的歧管中。可以用歧管的算术来操纵所得模型，该模型使从业者可以采用工会和模型歧管的交叉点。在有关合成和自然数据的实验中，我们表明，受约束的EBM可以比推送模型更准确地学习具有复杂拓扑的歧管支配分布。

我们提出了一个利用归一化流的拓扑非平凡流形的学习概率分布的框架。当前的方法集中在对欧几里得空间同质形态的流形上，在学习模型上执行强大的结构先验或不容易扩展到高维度的操作。相比之下，我们的方法通过将多个局部模型“粘合”一起学习数据歧管上的分布，从而定义了数据歧管的开放覆盖。我们证明了我们的方法在已知流形的合成数据以及未知拓扑的较高维歧管上的效率，在许多任务中，我们的方法在许多任务中表现出更好的样品效率和竞争性或优越的性能。

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。

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。

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.

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。

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。

归一化的流提供了一种优雅的生成建模方法，可以有效地采样和确切的数据分布的密度评估。但是，当在低维歧管上支持数据分布或具有非平凡的拓扑结构时，当前技术的表现性有显着局限性。我们介绍了一个新的统计框架，用于学习局部正常流的混合物作为数据歧管上的“图表图”。我们的框架增强了最近方法的表现力，同时保留了标准化流的签名特性，他们承认了精确的密度评估。我们通过量化自动编码器（VQ-AE）学习了数据歧管图表的合适地图集，并使用条件流量学习了它们的分布。我们通过实验验证我们的概率框架可以使现有方法更好地模拟数据分布，而不是复杂的歧管。

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。

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.

我们对通过歧管（例如球形，Tori和其他隐式表面）描述的复杂几何形状的学习生成模型感兴趣。现有（欧几里德）生成模型的当前延伸仅限于特定几何形状，并且通常遭受高计算成本。我们介绍了Moser Flow（MF），是连续标准化流量（CNF）系列内的一类新的生成型号。 MF还通过解决方案产生CNF，然而，与其他CNF方法不同，其模型（学习）密度被参数化，因为源（先前）密度减去神经网络（NN）的发散。分歧是局部线性差分操作员，易于近似和计算歧管。因此，与其他CNFS不同，MF不需要在训练期间通过颂歌求解器调用或反向。此外，将模型密度明确表示为NN的发散而不是作为颂歌的解决方案有助于学习高保真密度。从理论上讲，我们证明了MF在合适的假设下构成了通用密度近似器。经验上，我们首次证明了流动模型的使用从一般曲面采样，并在挑战地球和气候的挑战性几何形状和现实世界基准中实现了密度估计，样本质量和培训复杂性的显着改善科学。

The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning.

引入了Wasserstein距离的许多变体，以减轻其原始计算负担。尤其是切成薄片的距离（SW），该距离（SW）利用了一维投影，可以使用封闭式的瓦斯汀距离解决方案。然而，它仅限于生活在欧几里得空间中的数据，而Wasserstein距离已被研究和最近在歧管上使用。我们更具体地专门地关注球体，为此定义了新颖的SW差异，我们称之为球形切片 - 拖鞋，这是朝着定义SW差异的第一步。我们的构造明显基于圆圈上瓦斯汀距离的封闭式解决方案，以及新的球形ra径。除了有效的算法和相应的实现外，我们在几个机器学习用例中说明了它的属性，这些用例中，数据的球形表示受到威胁：在球体上的密度估计，变异推理或超球体自动编码器。

由编码器和解码器组成的自动编码器被广泛用于机器学习，以缩小高维数据的尺寸。编码器将输入数据歧管嵌入到较低的潜在空间中，而解码器表示反向映射，从而提供了潜在空间中的歧管的数据歧管的参数化。嵌入式歧管的良好规律性和结构可以实质性地简化进一步的数据处理任务，例如群集分析或数据插值。我们提出并分析了一种新的正则化，以学习自动编码器的编码器组件：一种损失功能，可倾向于等距，外层平坦的嵌入，并允许自行训练编码器。为了进行训练，假定对于输入歧管上的附近点，他们的本地riemannian距离及其本地riemannian平均水平可以评估。损失函数是通过蒙特卡洛集成计算的，具有不同的采样策略，用于输入歧管上的一对点。我们的主要定理将嵌入图的几何损失函数识别为$ \ gamma $ - 依赖于采样损失功能的限制。使用编码不同明确给定的数据歧管的图像数据的数值测试表明，将获得平滑的歧管嵌入到潜在空间中。由于促进了外部平坦度，这些嵌入足够规律，因此在潜在空间中线性插值可以作为一种可能的后处理。

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。

深度生成模型正在跨科学和工业广泛用于各种目的。共同挑战是实现数据概率密度的精确隐式或明确表示。最近的建议已经建议使用分类器权重来改进深生成模型的学习密度。我们向所有类型的生成模型扩展了这个想法，并展示了通过迭代生成建模的潜在空间改进，可以避免拓扑障碍，提高精度。该方法也适用于案例是目标模型是不可差异的，并且具有许多内部潜在的内部潜在尺寸，必须在细化之前被边缘化。我们在各种示例上展示了我们的潜在空间改进（激光）协议，专注于标准化流动和生成对抗网络的组合。

反事实可以以人类的可解释方式解释神经网络的分类决策。我们提出了一种简单但有效的方法来产生这种反事实。更具体地说，我们执行合适的差异坐标转换，然后在这些坐标中执行梯度上升，以查找反事实，这些反事实是由置信度良好的指定目标类别分类的。我们提出了两种方法来利用生成模型来构建完全或大约差异的合适坐标系。我们使用Riemannian差异几何形状分析了生成过程，并使用各种定性和定量测量方法验证了生成的反事实质量。

我们研究是否使用两个条件型号$ p（x | z）$和$ q（z | x）$，以使用循环的两个条件型号，我们如何建模联合分配$ p（x，z）$。这是通过观察到深入生成模型的动机，除了可能的型号$ p（x | z）$，通常也使用推理型号$ q（z | x）$来提取表示，但它们通常依赖不表征的先前分配$ P（z）$来定义联合分布，这可能会使后塌和歧管不匹配等问题。为了探讨仅使用$ p（x | z）$和$ q（z | x）$模拟联合分布的可能性，我们研究其兼容性和确定性，对应于其条件分布一致的联合分布的存在和唯一性跟他们。我们为可操作的等价标准开发了一般理论，以实现兼容性，以及足够的确定条件。基于该理论，我们提出了一种新颖的生成建模框架来源，仅使用两个循环条件模型。我们开发方法以实现兼容性和确定性，并使用条件模型适合和生成数据。通过预先删除的约束，Cygen更好地适合数据并捕获由合成和现实世界实验支持的更多代表性特征。

机器学习中的一个基本问题是从低维潜在空间$ \ MATHCAL {y} $找到映射$ f $到高维观察空间$ \ MATHCAL {x} $。深层神经网络等现代工具能够代表一般的非线性映射。学习者可以轻松找到完美适合所有观察结果的映射。但是，这样的映射通常不被认为是好的，因为它不够简单并且可以过度合适。如何定义简单性？我们试图对非线性映射$ f $施加的信息量进行正式定义。直观地，我们测量了回溯几何形状和潜在空间的内在几何形状之间的局部差异。我们的定义基于信息几何形状，并且独立于经验观察，也不是特定的参数化。我们证明其基本属性，并与相关的机器学习方法讨论关系。

在本章中，我们确定了基本的几何结构，这些几何结构是采样，优化，推理和自适应决策问题的基础。基于此识别，我们得出了利用这些几何结构来有效解决这些问题的算法。我们表明，在这些领域中自然出现了广泛的几何理论，范围从测量过程，信息差异，泊松几何和几何整合。具体而言，我们解释了（i）如何利用汉密尔顿系统的符合性几何形状，使我们能够构建（加速）采样和优化方法，（ii）希尔伯特亚空间和Stein操作员的理论提供了一种通用方法来获得可靠的估计器，（iii）（iii）（iii）保留决策的信息几何形状会产生执行主动推理的自适应剂。在整个过程中，我们强调了这些领域之间的丰富联系。例如，推论借鉴了抽样和优化，并且自适应决策通过推断其反事实后果来评估决策。我们的博览会提供了基本思想的概念概述，而不是技术讨论，可以在本文中的参考文献中找到。