变异蒙特卡洛（VMC）是一种计算地面波形的方法，由于引入基于神经网络的波函数参数化，最近它变得更加强大。但是，有效地训练神经波函数以收敛到最小能量仍然是一个困难的问题。在这项工作中，我们分析了VMC中使用的优化和采样方法，并引入了改动以提高其性能。首先，基于理论融合分析在无噪声的环境中，我们激励了一种新的优化器，我们称之为雷利 - 高斯 - 纽顿方法，该方法可以改善梯度下降和自然梯度下降，以实现超线性收敛，而计算成本小于两倍。其次，为了在存在随机噪声的情况下实现这种有利的比较，我们分析了采样误差对VMC参数更新的影响，并在实验上证明可以通过平行回火方法将其降低。特别是，我们证明，当采样器在配置空间的亚稳态区域之间移动时，可以使RGN具有强大的能量尖峰。最后，将理论付诸实践，我们将增强的优化和采样方法应用于大型晶格的横向场和XXZ模型，在仅200个参数更新后，以高度准确性地产生了基态能量估计。

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。

我们开发了一种多尺度方法，以从实验或模拟中观察到的物理字段或配置的数据集估算高维概率分布。通过这种方式，我们可以估计能量功能（或哈密顿量），并有效地在从统计物理学到宇宙学的各个领域中生成多体系统的新样本。我们的方法 - 小波条件重新归一化组（WC-RG） - 按比例进行估算，以估算由粗粒磁场来调节的“快速自由度”的条件概率的模型。这些概率分布是由与比例相互作用相关的能量函数建模的，并以正交小波为基础表示。 WC-RG将微观能量函数分解为各个尺度上的相互作用能量之和，并可以通过从粗尺度到细度来有效地生成新样品。近相变，它避免了直接估计和采样算法的“临界减速”。理论上通过结合RG和小波理论的结果来解释这一点，并为高斯和$ \ varphi^4 $字段理论进行数值验证。我们表明，多尺度WC-RG基于能量的模型比局部电位模型更通用，并且可以在所有长度尺度上捕获复杂的多体相互作用系统的物理。这是针对反映宇宙学中暗物质分布的弱透镜镜头的，其中包括与长尾概率分布的长距离相互作用。 WC-RG在非平衡系统中具有大量的潜在应用，其中未知基础分布{\ it先验}。最后，我们讨论了WC-RG和深层网络体系结构之间的联系。

我们介绍了Netket的版本3，机器学习工具箱适用于许多身体量子物理学。Netket围绕神经网络量子状态构建，并为其评估和优化提供有效的算法。这个新版本是基于JAX的顶部，一个用于Python编程语言的可差分编程和加速的线性代数框架。最重要的新功能是使用机器学习框架的简明符号来定义纯Python代码中的任意神经网络ANS \“凝固的可能性，这允许立即编译以及渐变的隐式生成自动化。Netket 3还带来了GPU和TPU加速器的支持，对离散对称组的高级支持，块以缩放多程度的自由度，Quantum动态应用程序的驱动程序，以及改进的模块化，允许用户仅使用部分工具箱是他们自己代码的基础。

基于标准化流的算法是由于有希望的机器学习方法，以便以可以使渐近精确的方式采样复杂的概率分布。在格子场理论的背景下，原则上的研究已经证明了这种方法对标量理论，衡量理论和统计系统的有效性。这项工作开发了能够使用动力学蜕皮的基于流动的理论采样的方法，这对于应用于粒子物理标准模型和许多冷凝物系的晶格场理论研究是必要的。作为一种实践演示，这些方法应用于通过Yukawa相互作用耦合到标量场的无大量交错的费米子的二维理论的现场配置的采样。

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？

机器学习，特别是深度学习方法在许多模式识别和数据处理问题，游戏玩法中都优于人类的能力，现在在科学发现中也起着越来越重要的作用。机器学习在分子科学中的关键应用是通过使用密度函数理论，耦合群或其他量子化学方法获得的电子schr \“ odinger方程的Ab-Initio溶液中的势能表面或力场。我们回顾了一种最新和互补的方法：使用机器学习来辅助从第一原理中直接解决量子化学问题。具体来说，我们专注于使用神经网络ANSATZ功能的量子蒙特卡洛（QMC）方法，以解决电子SCHR \ “ Odinger方程在第一和第二量化中，计算场和激发态，并概括多个核构型。与现有的量子化学方法相比，这些新的深QMC方法具有以相对适度的计算成本生成高度准确的Schr \“ Odinger方程的溶液。

我们解决了如何在没有严格缩放条件的情况下实现分布式分数回归中最佳推断的问题。由于分位数回归（QR）损失函数的非平滑性质，这是具有挑战性的，这使现有方法的使用无效。难度通过应用于本地（每个数据源）和全局目标函数的双光滑方法解决。尽管依赖局部和全球平滑参数的精致组合，但分位数回归模型是完全参数的，从而促进了解释。在低维度中，我们为顺序定义的分布式QR估计器建立了有限样本的理论框架。这揭示了通信成本和统计错误之间的权衡。我们进一步讨论并比较了基于WALD和得分型测试和重采样技术的反转的几种替代置信集结构，并详细介绍了对更极端分数系数有效的改进。在高维度中，采用了一个稀疏的框架，其中提出的双滑目标功能与$ \ ell_1 $ -penalty相辅相成。我们表明，相应的分布式QR估计器在近乎恒定的通信回合之后达到了全球收敛率。一项彻底的模拟研究进一步阐明了我们的发现。

随机梯度算法在大规模学习和推理问题中广泛用于优化和采样。但是，实际上，调整这些算法通常是使用启发式和反复试验而不是严格的，可概括的理论来完成的。为了解决理论和实践之间的这一差距，我们通过表征具有固定步长的非常通用的预处理随机梯度算法的迭代术的大样本行为来对调整参数的效果进行新的见解。在优化设置中，我们的结果表明，具有较大固定步长的迭代平均值可能会导致（局部）M-静态器的统计效率近似。在抽样环境中，我们的结果表明，通过适当的调整参数选择，限制固定协方差可以与Bernstein匹配 - 后验的von Mises限制，对模型错误指定后验的调整或MLE的渐近分布；而幼稚的调整极限与这些都不相对应。此外，我们认为可以在数据集对固定数量的通行证后获得基本独立的样本。我们使用模拟和真实数据通过多个实验来验证渐近样结果。总体而言，我们证明具有恒定步长的正确调整的随机梯度算法为获得点估计或后部样品提供了计算上有效且统计上健壮的方法。

我们考虑由一般随机序列驱动的随机梯度下降（SGD）算法，包括I.I.D噪声和随机行走，在任意图上等等；并以渐近意义进行分析。具体而言，我们采用了“效率排序”的概念，这是一种分析的工具，用于比较马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样器的性能，以sgd算法的形式以与量表矩阵相关的loewner订购形式长期。使用此顺序，我们表明对MCMC采样更有效的输入序列也导致限制中SGD算法的误差的较小协方差。这也表明，当受到更有效的链驱动时，任意加权的SGD迭代的MSE迭代会变小。我们的发现在分散的优化和群学习等应用程序中特别感兴趣，其中SGD是在基础通信图上以随机步行方式实施的，以解决成本问题和/或数据隐私。我们证明了某些非马克维亚过程如何在基于典型的混合时间的非轴突界限上是棘手的，在SGD的效率订购意义上，可以超越其马尔可夫对应物。我们通过将其应用于梯度下降，并以洗牌和小批量梯度下降将其应用于梯度下降，从而显示了我们的方法的实用性，从而在统一框架下重申了现有文献的关键结果。从经验上讲，我们还观察到SGD的变体（例如加速SGD和Adam）的效率排序，开辟了将我们的效率订购概念扩展到更广泛的随机优化算法的可能性。

量子计算有可能彻底改变和改变我们的生活和理解世界的方式。该审查旨在提供对量子计算的可访问介绍，重点是统计和数据分析中的应用。我们从介绍了了解量子计算所需的基本概念以及量子和经典计算之间的差异。我们描述了用作量子算法的构建块的核心量子子程序。然后，我们审查了一系列预期的量子算法，以便在统计和机器学习中提供计算优势。我们突出了将量子计算应用于统计问题的挑战和机遇，并讨论潜在的未来研究方向。

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.

我们研究了估计多元高斯分布中的精度矩阵的问题，其中所有部分相关性都是非负面的，也称为多变量完全阳性的顺序阳性（$ \ mathrm {mtp} _2 $）。近年来，这种模型得到了重大关注，主要是由于有趣的性质，例如，无论底层尺寸如何，最大似然估计值都存在于两个观察。我们将此问题作为加权$ \ ell_1 $ -norm正常化高斯的最大似然估计下$ \ mathrm {mtp} _2 $约束。在此方向上，我们提出了一种新颖的预计牛顿样算法，该算法包含精心设计的近似牛顿方向，这导致我们具有与一阶方法相同的计算和内存成本的算法。我们证明提出的预计牛顿样算法会聚到问题的最小值。从理论和实验中，我们进一步展示了我们使用加权$ \ ell_1 $ -norm的制剂的最小化器能够正确地恢复基础精密矩阵的支持，而无需在$ \ ell_1 $ -norm中存在不连贯状态方法。涉及合成和实世界数据的实验表明，我们所提出的算法从计算时间透视比最先进的方法显着更有效。最后，我们在金融时序数据中应用我们的方法，这些数据对于显示积极依赖性，在那里我们在学习金融网络上的模块间值方面观察到显着性能。

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。

在本文中，我们考虑了第一和二阶技术来解决机器学习中产生的连续优化问题。在一阶案例中，我们提出了一种从确定性或半确定性到随机二次正则化方法的转换框架。我们利用随机优化的两相性质提出了一种具有自适应采样和自适应步长的新型一阶算法。在二阶案例中，我们提出了一种新型随机阻尼L-BFGS方法，该方法可以在深度学习的高度非凸起背景下提高先前的算法。这两种算法都在众所周知的深度学习数据集上进行评估并表现出有希望的性能。

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.

计算科学和统计推断中的许多应用都需要计算有关具有未知归一化常数的复杂高维分布以及这些常数的估计。在这里，我们开发了一种基于从简单的基本分布生成样品，沿着速度场生成的流量运输的方法，并沿这些流程线执行平均值。这种非平衡重要性采样（NEIS）策略是直接实施的，可用于具有任意目标分布的计算。在理论方面，我们讨论了如何将速度场定制到目标，并建立所提出的估计器是一个完美的估计器，具有零变化。我们还通过将基本分布映射到目标上，通过传输图绘制了NEIS和方法之间的连接。在计算方面，我们展示了如何使用深度学习来代表神经网络，并将其训练为零方差最佳。这些结果在高维示例上进行了数值说明，我们表明训练速度场可以将NEIS估计量的方差降低至6个数量级，而不是Vanilla估计量。我们还表明，NEIS在这些示例上的表现要比NEAL的退火重要性采样（AIS）更好。

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。

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。

从降压和嘈杂的测量值（例如MRI和低剂量计算机断层扫描（CT））中重建图像是数学上不良的反问题。我们提出了一种基于期望传播（EP）技术的易于使用的重建方法。我们将蒙特卡洛（MC）方法，马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）和乘数（ADMM）算法的交替方向方法纳入EP方法，以解决EP中遇到的棘手性问题。我们在复杂的贝叶斯模型上演示了图像重建的方法。我们的技术应用于伽马相机扫描中的图像。我们仅将EPMC，EP-MCMC，EP-ADMM方法与MCMC进行比较。指标是更好的图像重建，速度和参数估计。在真实和模拟数据中使用伽马相机成像进行的实验表明，我们提出的方法在计算上比MCMC昂贵，并且产生相对更好的图像重建。