我们根据二阶Langevin动力学的集合近似提出了一种采样方法。对数目标密度的附加辅助动量变量中附加了二次项，并引入了阻尼驱动的汉密尔顿动力学。所得的随机微分方程对于Gibbs度量不变，而目标坐标的边际坐标。根据动力学定律，基于协方差的预处理不会改变此不变性属性，并且被引入以加速融合到吉布斯度量。可以通过合奏方法近似产生的平均场动力学。这导致无梯度和仿射不变的随机动力学系统。数值结果证明了其作为贝叶斯反问题中数值采样器的基础的潜力。

贝叶斯推理允许在贝叶斯神经网络的上下文中获取有关模型参数的有用信息，或者在贝叶斯神经网络的背景下。通常的Monte Carlo方法的计算成本，用于在贝叶斯推理中对贝叶斯推理的后验法律进行线性点的数量与数据点的数量进行线性。将其降低到这一成本的一小部分的一种选择是使用Langevin动态的未经调整的离散化来诉诸Mini-Batching，在这种情况下，只使用数据的随机分数来估计梯度。然而，这导致动态中的额外噪声，因此在马尔可夫链采样的不变度量上的偏差。我们倡导使用所谓的自适应Langevin动态，这是一种改进标准惯性Langevin动态，其动态摩擦力，可自动校正迷你批次引起的增加的噪声。我们调查假设适应性Langevin的假设（恒定协方差估计梯度的恒定协方差），这在贝叶斯推理的典型模型中不满足，并在这种情况下量化小型匹配诱导的偏差。我们还展示了如何扩展ADL，以便通过考虑根据参数的当前值来系统地减少后部分布的偏置。

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。

我们为Nesterov在概率空间中加速的梯度流提供了一个框架，以设计有效的平均田间马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）贝叶斯逆问题算法。在这里，考虑了四个信息指标的示例，包括Fisher-Rao Metric，Wasserstein-2 Metric，Kalman-Wasserstein Metric和Stein Metric。对于Fisher-Rao和Wasserstein-2指标，我们都证明了加速梯度流的收敛性。在实施中，我们建议使用重新启动技术的Wasserstein-2，Kalman-Wasseintein和Stein加速梯度流的抽样效率离散算法。我们还制定了一种内核带宽选择方法，该方法从布朗动物样品中学习了密度对数的梯度。与最先进的算法相比，包括贝叶斯逻辑回归和贝叶斯神经网络在内的数值实验显示了所提出方法的强度。

从卫星图像中提取的大气运动向量（AMV）是唯一具有良好全球覆盖范围的风观测。它们是进食数值天气预测（NWP）模型的重要特征。已经提出了几种贝叶斯模型来估计AMV。尽管对于正确同化NWP模型至关重要，但很少有方法可以彻底表征估计误差。估计误差的困难源于后验分布的特异性，这既是很高的维度，又是由于奇异的可能性而导致高度不良的条件，这在缺少数据（未观察到的像素）的情况下特别重要。这项工作研究了使用基于梯度的Markov链Monte Carlo（MCMC）算法评估AMV的预期误差。我们的主要贡献是提出一种回火策略，这相当于在点估计值附近的AMV和图像变量的联合后验分布的局部近似。此外，我们提供了与先前家庭本身有关的协方差（分数布朗运动），并具有不同的超参数。从理论的角度来看，我们表明，在规律性假设下，随着温度降低到{optimal}高斯近似值，在最大a后验（MAP）对数密度给出的点估计下，温度降低到{optimal}高斯近似值。从经验的角度来看，我们根据一些定量的贝叶斯评估标准评估了提出的方法。我们对合成和真实气象数据进行的数值模拟揭示了AMV点估计的准确性及其相关的预期误差估计值的显着提高，但在MCMC算法的收敛速度方面也有很大的加速度。

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。

在高维度中整合时间依赖性的fokker-planck方程的选择方法是通过集成相关的随机微分方程来生成溶液中的样品。在这里，我们介绍了基于整合描述概率流的普通微分方程的替代方案。与随机动力学不同，该方程式在以后的任何时候都会从初始密度将样品从溶液中的样品推到样品。该方法具有直接访问数量的优势，这些数量挑战仅估算仅给定解决方案的样品，例如概率电流，密度本身及其熵。概率流程方程取决于溶液对数的梯度（其“得分”），因此A-Priori未知也是如此。为了解决这种依赖性，我们用一个深神网络对分数进行建模，该网络通过根据瞬时概率电流传播一组粒子来实现，该网络可以在直接学习中学习。我们的方法是基于基于得分的生成建模的最新进展，其重要区别是训练程序是独立的，并且不需要来自目标密度的样本才能事先可用。为了证明该方法的有效性，我们考虑了相互作用粒子系统物理学的几个示例。我们发现该方法可以很好地缩放到高维系统，并准确匹配可用的分析解决方案和通过蒙特卡洛计算的力矩。

本论文主要涉及解决深层（时间）高斯过程（DGP）回归问题的状态空间方法。更具体地，我们代表DGP作为分层组合的随机微分方程（SDES），并且我们通过使用状态空间过滤和平滑方法来解决DGP回归问题。由此产生的状态空间DGP（SS-DGP）模型生成丰富的电视等级，与建模许多不规则信号/功能兼容。此外，由于他们的马尔可道结构，通过使用贝叶斯滤波和平滑方法可以有效地解决SS-DGPS回归问题。本论文的第二次贡献是我们通过使用泰勒力矩膨胀（TME）方法来解决连续离散高斯滤波和平滑问题。这诱导了一类滤波器和SmooThers，其可以渐近地精确地预测随机微分方程（SDES）解决方案的平均值和协方差。此外，TME方法和TME过滤器和SmoOthers兼容模拟SS-DGP并解决其回归问题。最后，本文具有多种状态 - 空间（深）GPS的应用。这些应用主要包括（i）来自部分观察到的轨迹的SDES的未知漂移功能和信号的光谱 - 时间特征估计。

我们引入了重新定性，这是一种数据依赖性的重新聚集化，将贝叶斯神经网络（BNN）转化为后部的分布，其KL对BNN对BNN的差异随着层宽度的增长而消失。重新定义图直接作用于参数，其分析简单性补充了宽BNN在功能空间中宽BNN的已知神经网络过程（NNGP）行为。利用重新定性，我们开发了马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）后采样算法，该算法将BNN更快地混合在一起。这与MCMC在高维度上的表现差异很差。对于完全连接和残留网络，我们观察到有效样本量高达50倍。在各个宽度上都取得了改进，并在层宽度的重新培训和标准BNN之间的边缘。

遵循与[SSJ20]相同的常规，我们继续在本文中介绍具有动量（SGD）的随机梯度下降的理论分析。不同的是，对于具有动量的SGD，我们证明了这是两个超参数在一起，学习率和动量系数，它在非convex优化中的线性收敛速率起着重要作用。我们的分析基于使用超参数依赖性随机微分方程（HP依赖性SDE），该方程是SGD的连续替代，并具有动量。同样，我们通过动量建立了SGD连续时间公式的线性收敛，并通过分析Kramers-Fokker-Planck操作员的光谱来获得最佳线性速率的显式表达。相比之下，我们证明，仅在引入动量时，仅在学习率方面的最佳线性收敛速率和SGD的最终差距如何随着动量系数从零增加到一个而变化。然后，我们提出了一种数学解释，为什么具有动量的SGD比在实践中比标准SGD更快，更强大的学习率收敛。最后，我们显示了在噪声存在下的Nesterov动量与标准动量没有根本差异。

Multilevel Stein variational gradient descent is a method for particle-based variational inference that leverages hierarchies of approximations of target distributions with varying costs and fidelity to computationally speed up inference. This work provides a cost complexity analysis of multilevel Stein variational gradient descent that applies under milder conditions than previous results, especially in discrete-in-time regimes and beyond the limited settings where Stein variational gradient descent achieves exponentially fast convergence. The analysis shows that the convergence rate of Stein variational gradient descent enters only as a constant factor for the cost complexity of the multilevel version, which means that the costs of the multilevel version scale independently of the convergence rate of Stein variational gradient descent on a single level. Numerical experiments with Bayesian inverse problems of inferring discretized basal sliding coefficient fields of the Arolla glacier ice demonstrate that multilevel Stein variational gradient descent achieves orders of magnitude speedups compared to its single-level version.

我们重新审视汉密尔顿随机微分方程（SDES）的理论属性，为贝叶斯后部采样，我们研究了来自数值SDE仿真的两种类型的误差：在数据附带的上下文中，离散化误差和由于噪声渐变估计而导致的错误。我们的主要结果是对迷你批次通过差分操作员分裂镜片影响的新颖分析，修改了先前的文献结果。Hamiltonian SDE的随机分量与梯度噪声分离，我们没有常规假设。这导致识别收敛瓶颈：在考虑迷你批次时，最佳可实现的错误率是$ \ mathcal {o}（\ eta ^ 2）$，带有$ \ eta $是集成器步长。我们的理论结果得到了贝叶斯神经网络各种回归和分类任务的实证研究。

对复杂模型执行精确的贝叶斯推理是计算的难治性的。马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）算法可以提供后部分布的可靠近似，但对于大型数据集和高维模型昂贵。减轻这种复杂性的标准方法包括使用子采样技术或在群集中分发数据。然而，这些方法通常在高维方案中不可靠。我们在此处专注于最近的替代类别的MCMC方案，利用类似于乘客（ADMM）优化算法的庆祝交替方向使用的分裂策略。这些方法似乎提供了凭经验最先进的性能，但其高维层的理论行为目前未知。在本文中，我们提出了一个详细的理论研究，该算法之一称为分裂Gibbs采样器。在规律条件下，我们使用RICCI曲率和耦合思路为此方案建立了明确的收敛速率。我们以数字插图支持我们的理论。

当使用有限的阶梯尺寸\ citep {shi20211undanding}时，Nesterov的加速梯度（NAG）进行优化的性能比其连续的时间限制（无噪声动力学Langevin）更好。这项工作探讨了该现象的采样对应物，并提出了一个扩散过程，其离散化可以产生基于梯度的MCMC方法。更确切地说，我们将NAG的优化器重新制定为强烈凸功能（NAG-SC）作为无Hessian的高分辨率ODE，将其高分辨率系数更改为超参数，注入适当的噪声，并将其离散化。新的超参数的加速效应是量化的，它不是由时间响应创造的人造效应。取而代之的是，在连续动力学级别和离散算法级别上，在$ w_2 $距离中以$ W_2 $距离的加速度均已定量确定。在对数符号和多模式案例中的经验实验也证明了这一加速度。

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。

滤波方程控制给定部分，并且可能嘈杂，依次到达的信号过程的条件分布的演变。它们的数值近似在许多真实应用中起着核心作用，包括数字天气预报，金融和工程。近似滤波方程解决方案的一种经典方法是使用由Gyongy，Krylov，Legland，Legland，Legland的PDE启发方法，称为分裂方法，其中包括其他贡献者。该方法和其他基于PDE的方法，具有特别适用性来解决低维问题。在这项工作中，我们将这种方法与神经网络表示相结合。新方法用于产生信号过程的无通知条件分布的近似值。我们进一步开发递归归一化程序，以恢复信号过程的归一化条件分布。新方案可以在多个时间步骤中迭代，同时保持其渐近无偏见属性完整。我们用Kalman和Benes滤波器的数值近似结果测试神经网络近似。

我们介绍了一种新颖的几何形状不可逆的扰动，该扰动加速了langevin算法的贝叶斯计算的收敛性。有充分的文献证明，兰格文动力学存在扰动，该动力学在加速其收敛的同时保留其不变度的度量。不可逆的扰动和可逆扰动（例如Riemannian歧管Langevin Dynamics（RMLD））已被单独显示以改善Langevin Samplers的性能。我们同时考虑了这两种扰动，通过呈现一种新型的RMLD不可逆扰动形式，该形式由基础几何形状告知。通过数值示例，我们表明，这种新的不可逆扰动可以改善估计性性能，而不是不可逆的扰动，而这些扰动不会考虑到几何。此外，我们证明，不可逆转的扰动通常可以与Langevin算法的随机梯度版本结合使用。最后，尽管连续的不可逆扰动不能损害兰格文估计器的性能，但考虑离散化时，情况有时会更加复杂。为此，我们描述了一个离散的示例，其中不可逆性增加了所得估计量的偏差和差异。

许多用于反问题和数据同化的现代算法都依赖于集成Kalman更新，以将先前的预测与观察到的数据融为一体。合奏Kalman方法通常具有小的合奏尺寸，这在生成每个粒子成本高昂的应用中至关重要。本文对合奏Kalman更新进行了非反应分析，该分析严格地解释了为什么由于快速衰减或近似稀疏性而导致先前的协方差具有适度的有效尺寸，那么小合奏的大小就足够了。我们在统一的框架中介绍了我们的理论，比较了使用扰动观测值，平方根滤波和本地化的集合卡尔曼更新的几个实现。作为我们分析的一部分，我们为可能具有独立感兴趣的大约稀疏矩阵开发了新的无维度协方差估计界限。

Hamiltonian Monte Carlo (HMC) sampling methods provide a mechanism for defining distant proposals with high acceptance probabilities in a Metropolis-Hastings framework, enabling more efficient exploration of the state space than standard random-walk proposals. The popularity of such methods has grown significantly in recent years. However, a limitation of HMC methods is the required gradient computation for simulation of the Hamiltonian dynamical system-such computation is infeasible in problems involving a large sample size or streaming data. Instead, we must rely on a noisy gradient estimate computed from a subset of the data. In this paper, we explore the properties of such a stochastic gradient HMC approach. Surprisingly, the natural implementation of the stochastic approximation can be arbitrarily bad. To address this problem we introduce a variant that uses second-order Langevin dynamics with a friction term that counteracts the effects of the noisy gradient, maintaining the desired target distribution as the invariant distribution. Results on simulated data validate our theory. We also provide an application of our methods to a classification task using neural networks and to online Bayesian matrix factorization.

内核Stein差异（KSD）是一种基于内核的广泛使用概率指标之间差异的非参数量度。它通常在用户从候选概率度量中收集的样本集合的情况下使用，并希望将它们与指定的目标概率度量进行比较。 KSD的一个有用属性是，它可以仅从候选度量的样本中计算出来，并且不知道目标度量的正常化常数。 KSD已用于一系列设置，包括合适的测试，参数推断，MCMC输出评估和生成建模。当前KSD方法论的两个主要问题是（i）超出有限维度欧几里得环境之外的适用性以及（ii）缺乏影响KSD性能的清晰度。本文提供了KSD的新频谱表示，这两种补救措施都使KSD适用于希尔伯特（Hilbert）评估数据，并揭示了内核和Stein oterator Choice对KSD的影响。我们通过在许多合成数据实验中对各种高斯和非高斯功能模型进行拟合优度测试来证明所提出的方法的功效。