We propose an efficient method for approximating natural gradient descent in neural networks which we call Kronecker-factored Approximate Curvature (K-FAC). K-FAC is based on an efficiently invertible approximation of a neural network's Fisher information matrix which is neither diagonal nor low-rank, and in some cases is completely non-sparse. It is derived by approximating various large blocks of the Fisher (corresponding to entire layers) as being the Kronecker product of two much smaller matrices. While only several times more expensive to compute than the plain stochastic gradient, the updates produced by K-FAC make much more progress optimizing the objective, which results in an algorithm that can be much faster than stochastic gradient descent with momentum in practice. And unlike some previously proposed approximate natural-gradient/Newton methods which use high-quality non-diagonal curvature matrices (such as Hessian-free optimization), K-FAC works very well in highly stochastic optimization regimes. This is because the cost of storing and inverting K-FAC's approximation to the curvature matrix does not depend on the amount of data used to estimate it, which is a feature typically associated only with diagonal or low-rank approximations to the curvature matrix.

二阶优化器被认为具有加快神经网络训练的潜力，但是由于曲率矩阵的尺寸巨大，它们通常需要近似值才能计算。最成功的近似家庭是Kronecker因块状曲率估计值（KFAC）。在这里，我们结合了先前工作的工具，以评估确切的二阶更新和仔细消融以建立令人惊讶的结果：由于其近似值，KFAC与二阶更新无关，尤其是，它极大地胜过真实的第二阶段更新。订单更新。这一挑战广泛地相信，并立即提出了为什么KFAC表现如此出色的问题。为了回答这个问题，我们提出了强烈的证据，表明KFAC近似于一阶算法，该算法在神经元上执行梯度下降而不是权重。最后，我们表明，这种优化器通常会在计算成本和数据效率方面改善KFAC。

深度学习在广泛的AI应用方面取得了有希望的结果。较大的数据集和模型一致地产生更好的性能。但是，我们一般花费更长的培训时间，以更多的计算和沟通。在本调查中，我们的目标是在模型精度和模型效率方面提供关于大规模深度学习优化的清晰草图。我们调查最常用于优化的算法，详细阐述了大批量培训中出现的泛化差距的可辩论主题，并审查了解决通信开销并减少内存足迹的SOTA策略。

这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

目前，深层神经网络（DNN）主要使用一阶方法进行训练。其中一些方法（例如Adam，Adagrad和Rmsprop及其变体）通过使用对角线矩阵来预先处理随机梯度。最近，通过通过按层块 - diagonal矩阵对随机梯度进行预处理，已开发出有效的二阶方法，例如KFAC，K-BFGS，洗发水和TNT。在这里，我们提出了一种自适应的“迷你块Fisher（MBF）”预处理方法，其中在这两类方法之间。具体而言，我们的方法对经验渔民矩阵使用块对基近似值，在DNN中的每一层（无论是卷积还是馈送）和完全连接，相关的对角线本身都是块 - diagonal，并且由A组成。大量适度的迷你块。我们的新方法利用GPU的并行性来有效地对每一层的大量矩阵进行计算。因此，MBF的均值计算成本仅略高于一阶方法。将我们提出的方法的性能与在自动编码器和CNN问题上的几种基线方法进行了比较，以在时间效率和概括功率方面验证其有效性。最后，证明MBF的理想化版本线性收敛。

我们研究了使用尖刺，现场依赖的随机矩阵理论研究迷你批次对深神经网络损失景观的影响。我们表明，批量黑森州的极值值的大小大于经验丰富的黑森州。我们还获得了类似的结果对Hessian的概括高斯牛顿矩阵近似。由于我们的定理，我们推导出作为批量大小的最大学习速率的分析表达式，为随机梯度下降（线性缩放）和自适应算法（例如ADAM（Square Root Scaling）提供了通知实际培训方案，例如光滑，非凸深神经网络。虽然随机梯度下降的线性缩放是在我们概括的更多限制性条件下导出的，但是适应优化者的平方根缩放规则是我们的知识，完全小说。随机二阶方法和自适应方法的百分比，我们得出了最小阻尼系数与学习率与批量尺寸的比率成比例。我们在Cifar-$ 100 $和ImageNet数据集上验证了我们的VGG / WimerEsnet架构上的索赔。根据我们对象检的调查，我们基于飞行学习率和动量学习者开发了一个随机兰齐齐竞争，这避免了对这些关键的超参数进行昂贵的多重评估的需求，并在预残留的情况下显示出良好的初步结果Cifar的architecure - $ 100 $。

本文评价用机器学习问题的数值优化方法。由于机器学习模型是高度参数化的，我们专注于适合高维优化的方法。我们在二次模型上构建直觉，以确定哪种方法适用于非凸优化，并在凸函数上开发用于这种方法的凸起函数。随着随机梯度下降和动量方法的这种理论基础，我们试图解释为什么机器学习领域通常使用的方法非常成功。除了解释成功的启发式之外，最后一章还提供了对更多理论方法的广泛审查，这在实践中并不像惯例。所以在某些情况下，这项工作试图回答这个问题：为什么默认值中包含的默认TensorFlow优化器？

Helmholtz机器（HMS）是由两个Sigmoid信念网络（SBN）组成的一类生成模型，分别用作编码器和解码器。这些模型通常是使用称为唤醒 - 睡眠（WS）的两步优化算法对这些模型进行的，并且最近通过改进版本（例如重新恢复的尾流（RWS）和双向Helmholtz Machines（BIHM））进行了改进版本。 SBN中连接的局部性在与概率模型相关的Fisher信息矩阵中诱导稀疏性，并以细粒粒度的块状结构的形式引起。在本文中，我们利用自然梯度利用该特性来有效地训练SBN和HMS。我们提出了一种新颖的算法，称为“自然重新唤醒”（NRWS），该算法与其标准版本的几何适应相对应。以类似的方式，我们还引入了天然双向Helmholtz机器（NBIHM）。与以前的工作不同，我们将展示如何有效地计算自然梯度，而无需引入Fisher信息矩阵结构的任何近似值。在文献中进行的标准数据集进行的实验表明，NRW和NBIHM不仅在其非几何基准方面，而且在HMS的最先进培训算法方面都具有一致的改善。在训练后，汇聚速度以及对数可能达到的对数似然的值量化了改进。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

有效地近似损失函数的局部曲率信息是用于深神经网络的优化和压缩的关键工具。然而，大多数现有方法近似二阶信息具有高计算或存储成本，这可以限制其实用性。在这项工作中，我们调查矩阵，用于估计逆象征的矢量产品（IHVPS）的矩阵线性时间方法，因为当Hessian可以近似为乘语 - 一个矩阵的总和时，如Hessian的经典近似由经验丰富的Fisher矩阵。我们提出了两个新的算法作为称为M-FAC的框架的一部分：第一个算法朝着网络压缩量身定制，如果Hessian给出了M $等级的总和，则可以计算Dimension $ D $的IHVP。 ，使用$ O（DM ^ 2）$预压制，$ O（DM）$代价计算IHVP，并查询逆Hessian的任何单个元素的费用$ O（m）$。第二算法针对优化设置，我们希望在反向Hessian之间计算产品，估计在优化步骤的滑动窗口和给定梯度方向上，根据预先说明的SGD所需的梯度方向。我们为计算IHVP和OHVP和O（DM + M ^ 3）$ of $ o（dm + m ^ 2）$提供算法，以便从滑动窗口添加或删除任何渐变。这两种算法产生最先进的结果，用于网络修剪和相对于现有二阶方法的计算开销的优化。在[9]和[17]可用实现。

Deep Learning optimization involves minimizing a high-dimensional loss function in the weight space which is often perceived as difficult due to its inherent difficulties such as saddle points, local minima, ill-conditioning of the Hessian and limited compute resources. In this paper, we provide a comprehensive review of 12 standard optimization methods successfully used in deep learning research and a theoretical assessment of the difficulties in numerical optimization from the optimization literature.

We develop an optimization algorithm suitable for Bayesian learning in complex models. Our approach relies on natural gradient updates within a general black-box framework for efficient training with limited model-specific derivations. It applies within the class of exponential-family variational posterior distributions, for which we extensively discuss the Gaussian case for which the updates have a rather simple form. Our Quasi Black-box Variational Inference (QBVI) framework is readily applicable to a wide class of Bayesian inference problems and is of simple implementation as the updates of the variational posterior do not involve gradients with respect to the model parameters, nor the prescription of the Fisher information matrix. We develop QBVI under different hypotheses for the posterior covariance matrix, discuss details about its robust and feasible implementation, and provide a number of real-world applications to demonstrate its effectiveness.

尽管主要使用一阶方法来训练深层学习模型，但尤其是自然梯度方法，仍然是利益，因为它们通过使用曲率信息加速训练的可能性。已经提出了几种具有非对角线预处理矩阵，包括KFAC，洗发剂和K-BFG的方法，并显示有效。基于所谓的张量正常（TN）分布，我们提出并分析了一种全新的近似自然梯度方法，张量正常训练（TNT），如洗发水，只需要了解训练参数的形状。通过近似基于概率的Fisher矩阵，与经验丰富的Fisher矩阵相反，我们的方法使用基于采样的梯度的块明智的协方差作为预处理矩阵。此外，假设基于采样的（张量）梯度遵循TN分布，确保其协方差具有Kronecker可分离结构，这导致到Fisher矩阵的易逼近。因此，TNT的内存需求和迭代计算成本仅略高于一阶方法的计算成本。在我们的实验中，TNT对最先进的一阶方法以及最先进的二阶方法KFAC和洗发剂的可比优化性能表现出卓越的优化性能。此外，TNT证明了其概括的能力以及使用较少的时期的一级方法。

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

在针对机器学习（ML）的优化中，典型的曲率 - 矩阵（CM）估计依赖于局部估计的指数平均值（给出EA-CM算法）。这种方法几乎没有原则上的理由，但是经常在实践中使用。在本文中，我们在EA-CM算法和所谓的“二次正规化模型的唤醒”之间建立了联系。概述的连接使我们能够从优化的角度了解EA-CM算法正在做什么。从已建立的联系中概括，我们提出了一种新的算法系列，即“ KL-Divergence唤醒指定模型”（KLD-WRM）。我们给出了KLD-WRM的三种不同的实例化，并以数值的方式表明，这些实例化在MNIST上的表现优于K-FAC。

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.

Deep and recurrent neural networks (DNNs and RNNs respectively) are powerful models that were considered to be almost impossible to train using stochastic gradient descent with momentum. In this paper, we show that when stochastic gradient descent with momentum uses a well-designed random initialization and a particular type of slowly increasing schedule for the momentum parameter, it can train both DNNs and RNNs (on datasets with long-term dependencies) to levels of performance that were previously achievable only with Hessian-Free optimization. We find that both the initialization and the momentum are crucial since poorly initialized networks cannot be trained with momentum and well-initialized networks perform markedly worse when the momentum is absent or poorly tuned.Our success training these models suggests that previous attempts to train deep and recurrent neural networks from random initializations have likely failed due to poor initialization schemes. Furthermore, carefully tuned momentum methods su ce for dealing with the curvature issues in deep and recurrent network training objectives without the need for sophisticated second-order methods.

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.

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。