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.

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。

One of the core problems of modern statistics is to approximate difficult-to-compute probability densities. This problem is especially important in Bayesian statistics, which frames all inference about unknown quantities as a calculation involving the posterior density. In this paper, we review variational inference (VI), a method from machine learning that approximates probability densities through optimization. VI has been used in many applications and tends to be faster than classical methods, such as Markov chain Monte Carlo sampling. The idea behind VI is to first posit a family of densities and then to find the member of that family which is close to the target. Closeness is measured by Kullback-Leibler divergence. We review the ideas behind mean-field variational inference, discuss the special case of VI applied to exponential family models, present a full example with a Bayesian mixture of Gaussians, and derive a variant that uses stochastic optimization to scale up to massive data. We discuss modern research in VI and highlight important open problems. VI is powerful, but it is not yet well understood. Our hope in writing this paper is to catalyze statistical research on this class of algorithms.

我们提出了使用多级蒙特卡罗（MLMC）方法的变分推理的差异减少框架。我们的框架是基于Reparameterized梯度估计的梯度估计，并在优化中从过去更新历史记录获得的“回收”参数。此外，我们的框架还提供了一种基于随机梯度下降（SGD）的新优化算法，其自适应地估计根据梯度方差的比率用于梯度估计的样本大小。理论上，通过我们的方法，梯度估计器的方差随着优化进行而降低，并且学习率调度器函数有助于提高收敛。我们还表明，就\ Texit {信噪比}比率而言，我们的方法可以通过提高初始样本大小来提高学习速率调度器功能的梯度估计的质量。最后，我们确认我们的方法通过使用多个基准数据集的基线方法的实验比较来实现更快的收敛性并降低梯度估计器的方差，并降低了与其他方法相比的其他方法。

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.

结构方程模型（SEM）是一种有效的框架，其原因是通过定向非循环图（DAG）表示的因果关系。最近的进步使得能够从观察数据中实现了DAG的最大似然点估计。然而，在实际场景中，可以不能准确地捕获在推断下面的底层图中的不确定性，其中真正的DAG是不可识别的并且/或观察到的数据集是有限的。我们提出了贝叶斯因果发现网（BCD网），一个变分推理框架，用于估算表征线性高斯SEM的DAG的分布。由于图形的离散和组合性质，开发一个完整的贝叶斯后面是挑战。我们通过表达变分别家庭分析可扩展VI的可扩展VI的关键设计选择，例如1）表达性变分别家庭，2）连续弛豫，使低方差随机优化和3）在潜在变量上具有合适的前置。我们提供了一系列关于实际和合成数据的实验，显示BCD网在低数据制度中的标准因果发现度量上的最大似然方法，例如结构汉明距离。

结构化参数空间的自然梯度下降（NGD）（例如，低级CovariRces）是由于困难的Fisher矩阵计算而在计算上具有挑战性。我们通过使用\ emph {local-parameter坐标}来解决此问题，以获取灵活且高效的NGD方法，适用于各种结构化参数化。我们显示了四个应用程序，我们的方法（1）概括指数自然进化策略，（2）恢复现有的牛顿样算法，（3）通过矩阵组产生新的结构化二阶算法，（4）给出了新的算法高斯和基于Wishart的分布的协方差。我们展示了深度学习，变分推论和进化策略的一系列问题。我们的工作为可扩展结构化几何方法开辟了新的方向。

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。

广义贝叶斯推理使用损失函数而不是可能性的先前信仰更新，因此可以用于赋予鲁棒性，以防止可能的错误规范的可能性。在这里，我们认为广泛化的贝叶斯推论斯坦坦差异作为损失函数的损失，由应用程序的可能性含有难治性归一化常数。在这种情况下，斯坦因差异来避免归一化恒定的评估，并产生封闭形式或使用标准马尔可夫链蒙特卡罗的通用后出版物。在理论层面上，我们显示了一致性，渐近的正常性和偏见 - 稳健性，突出了这些物业如何受到斯坦因差异的选择。然后，我们提供关于一系列棘手分布的数值实验，包括基于内核的指数家庭模型和非高斯图形模型的应用。

Variational inference has become a widely used method to approximate posteriors in complex latent variables models. However, deriving a variational inference algorithm generally requires significant model-specific analysis, and these efforts can hinder and deter us from quickly developing and exploring a variety of models for a problem at hand. In this paper, we present a "black box" variational inference algorithm, one that can be quickly applied to many models with little additional derivation. Our method is based on a stochastic optimization of the variational objective where the noisy gradient is computed from Monte Carlo samples from the variational distribution. We develop a number of methods to reduce the variance of the gradient, always maintaining the criterion that we want to avoid difficult model-based derivations. We evaluate our method against the corresponding black box sampling based methods. We find that our method reaches better predictive likelihoods much faster than sampling methods. Finally, we demonstrate that Black Box Variational Inference lets us easily explore a wide space of models by quickly constructing and evaluating several models of longitudinal healthcare data.

具有伽马超高提升的分层模型提供了一个灵活，稀疏的促销框架，用于桥接$ l ^ 1 $和$ l ^ 2 $ scalalizations在贝叶斯的配方中致正问题。尽管对这些模型具有贝叶斯动机，但现有的方法仅限于\ Textit {最大后验}估计。尚未实现执行不确定性量化的可能性。本文介绍了伽马超高图的分层逆问题的变分迭代交替方案。所提出的变分推理方法产生精确的重建，提供有意义的不确定性量化，易于实施。此外，它自然地引入了用于选择超参数的模型选择。我们说明了我们在几个计算的示例中的方法的性能，包括从时间序列数据的动态系统的解卷积问题和稀疏识别。

我们提出了一种新的非参数混合物模型，用于多变量回归问题，灵感来自概率K-Nearthimest邻居算法。使用有条件指定的模型，对样本外输入的预测基于与每个观察到的数据点的相似性，从而产生高斯混合物表示的预测分布。在混合物组件的参数以及距离度量标准的参数上，使用平均场变化贝叶斯算法进行后推断，并具有基于随机梯度的优化过程。在与数据大小相比，输入 - 输出关系很复杂，预测分布可能偏向或多模式的情况下，输入相对较高的尺寸，该方法尤其有利。对五个数据集进行的计算研究，其中两个是合成生成的，这说明了我们的高维输入的专家混合物方法的明显优势，在验证指标和视觉检查方面都优于竞争者模型。

使用高斯混合模型（GMM）的变异推断能够学习可侵入性目标分布的高度扣除但多模式的近似值。 GMM与最多数百个维度的问题设置特别相关，例如机器人技术，用于对轨迹或联合分布进行建模。这项工作着重于基于GMM的两种非常有效的方法，这些方法既采用独立的自然梯度更新来为单个组件和权重的分类分布。我们首次表明，尽管它们的实际实现和理论保证有所不同，但他们的派生更新是等效的。我们确定了几种设计选择，可以区分两种方法，即在样本选择，自然梯度估计，步骤适应以及信任区域是否得到强制或适应的组件数量方面。我们对这些设计选择进行广泛的消融，并表明它们强烈影响了优化的效率和学习分布的可变性。基于我们的见解，我们提出了对广义框架的新颖实例化，该实例将一阶自然梯度估计与信任区域和组件适应相结合，并且在我们所有实验中都显着优于以前的两种方法。

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Recent advances in coreset methods have shown that a selection of representative datapoints can replace massive volumes of data for Bayesian inference, preserving the relevant statistical information and significantly accelerating subsequent downstream tasks. Existing variational coreset constructions rely on either selecting subsets of the observed datapoints, or jointly performing approximate inference and optimizing pseudodata in the observed space akin to inducing points methods in Gaussian Processes. So far, both approaches are limited by complexities in evaluating their objectives for general purpose models, and require generating samples from a typically intractable posterior over the coreset throughout inference and testing. In this work, we present a black-box variational inference framework for coresets that overcomes these constraints and enables principled application of variational coresets to intractable models, such as Bayesian neural networks. We apply our techniques to supervised learning problems, and compare them with existing approaches in the literature for data summarization and inference.

现代深度学习方法构成了令人难以置信的强大工具，以解决无数的挑战问题。然而，由于深度学习方法作为黑匣子运作，因此与其预测相关的不确定性往往是挑战量化。贝叶斯统计数据提供了一种形式主义来理解和量化与深度神经网络预测相关的不确定性。本教程概述了相关文献和完整的工具集，用于设计，实施，列车，使用和评估贝叶斯神经网络，即使用贝叶斯方法培训的随机人工神经网络。

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。

为了最大程度地减少一组对数符号函数的平均值，随机牛顿方法迭代使用完整目标的梯度和Hessian的亚采样版本更新其估计。我们将这个优化问题与具有区分指定观察过程的潜在状态空间模型上的顺序贝叶斯推断相关。然后，应用贝叶斯过滤会产生一种新颖的优化算法，该算法在形成更新时考虑了梯度和黑森的整个历史。我们建立基于基质的条件，在这种条件下，旧观测的影响随着时间的流逝而减少，类似于Polyak的重球动量。我们通过示例说明了我们方法的各个方面，并回顾了随机牛顿方法的其他相关创新。

We propose SWA-Gaussian (SWAG), a simple, scalable, and general purpose approach for uncertainty representation and calibration in deep learning. Stochastic Weight Averaging (SWA), which computes the first moment of stochastic gradient descent (SGD) iterates with a modified learning rate schedule, has recently been shown to improve generalization in deep learning. With SWAG, we fit a Gaussian using the SWA solution as the first moment and a low rank plus diagonal covariance also derived from the SGD iterates, forming an approximate posterior distribution over neural network weights; we then sample from this Gaussian distribution to perform Bayesian model averaging. We empirically find that SWAG approximates the shape of the true posterior, in accordance with results describing the stationary distribution of SGD iterates. Moreover, we demonstrate that SWAG performs well on a wide variety of tasks, including out of sample detection, calibration, and transfer learning, in comparison to many popular alternatives including MC dropout, KFAC Laplace, SGLD, and temperature scaling.

我们制定自然梯度变推理（VI），期望传播（EP），和后线性化（PL）作为牛顿法用于优化贝叶斯后验分布的参数扩展。这种观点明确地把数值优化框架下的推理算法。我们表明，通用近似牛顿法从优化文献，即高斯 - 牛顿和准牛顿方法（例如，该BFGS算法），仍然是这种“贝叶斯牛顿”框架下有效。这导致了一套这些都保证以产生半正定协方差矩阵，不像标准VI和EP新颖算法。我们统一的观点提供了新的见解各种推理方案之间的连接。所有提出的方法适用于具有高斯事先和非共轭的可能性，这是我们与（疏）高斯过程和状态空间模型展示任何模型。