We develop stochastic variational inference, a scalable algorithm for approximating posterior distributions. We develop this technique for a large class of probabilistic models and we demonstrate it with two probabilistic topic models, latent Dirichlet allocation and the hierarchical Dirichlet process topic model. Using stochastic variational inference, we analyze several large collections of documents: 300K articles from Nature, 1.8M articles from The New York Times, and 3.8M articles from Wikipedia. Stochastic inference can easily handle data sets of this size and outperforms traditional variational inference, which can only handle a smaller subset. (We also show that the Bayesian nonparametric topic model outperforms its parametric counterpart.) Stochastic variational inference lets us apply complex Bayesian models to massive data sets.

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.

We describe latent Dirichlet allocation (LDA), a generative probabilistic model for collections of discrete data such as text corpora. LDA is a three-level hierarchical Bayesian model, in which each item of a collection is modeled as a finite mixture over an underlying set of topics. Each topic is, in turn, modeled as an infinite mixture over an underlying set of topic probabilities. In the context of text modeling, the topic probabilities provide an explicit representation of a document. We present efficient approximate inference techniques based on variational methods and an EM algorithm for empirical Bayes parameter estimation. We report results in document modeling, text classification, and collaborative filtering, comparing to a mixture of unigrams model and the probabilistic LSI model.

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.

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。

分析短文（例如社交媒体帖子）由于其固有的简洁而非常困难。除了对此类帖子的主题进行分类之外，一个常见的下游任务是将这些文档的作者分组以进行后续分析。我们提出了一个新颖的模型，该模型通过对同一文档中的单词之间的强大依赖进行建模以及用户级主题分布来扩展潜在的Dirichlet分配。我们还同时群集用户，消除了对事后集群估计的需求，并通过将嘈杂的用户级主题分布缩小到典型值来改善主题估计。我们的方法的性能和比传统方法的性能（或更好），我们在美国参议员的推文数据集中证明了它的有用性，恢复了反映党派意识形态的有意义的主题和群集。我们还通过表征参议员群体讨论并提供不确定性量化的主题的遗产，从而在这些政治家中开发了一种新的回声室衡量标准。

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。

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。

在使用多模式贝叶斯后部分布时，马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）算法难以在模式之间移动，并且默认变分或基于模式的近似推动将低估后不确定性。并且，即使找到最重要的模式，难以评估后部的相对重量。在这里，我们提出了一种使用MCMC，变分或基于模式的模式的并行运行的方法，以便尽可能多地击中多种模式或分离的区域，然后使用贝叶斯堆叠来组合这些用于构建分布的加权平均值的可扩展方法。通过堆叠从多模式后分布的堆叠，最小化交叉验证预测误差的结果，并且代表了比变分推断更好的不确定度，但它不一定是相当于渐近的，以完全贝叶斯推断。我们呈现理论一致性，其中堆叠推断逼近来自未衰退的模型和非混合采样器的真实数据生成过程，预测性能优于完全贝叶斯推断，因此可以被视为祝福而不是模型拼写下的诅咒。我们展示了几个模型家庭的实际实施：潜在的Dirichlet分配，高斯过程回归，分层回归，马蹄素变量选择和神经网络。

象征性的AI社区越来越多地试图在神经符号结构中接受机器学习，但由于文化障碍，仍在挣扎。为了打破障碍，这份相当有思想的个人备忘录试图解释和纠正统计，机器学习和深入学习的惯例，从局外人的角度进行深入学习。它提供了一个分步协议，用于设计一个机器学习系统，该系统满足符号AI社区认真对待所必需的最低理论保证，即，它讨论“在哪些条件下，我们可以停止担心和接受统计机器学习。 “一些亮点：大多数教科书都是为计划专门研究STAT/ML/DL的人编写的，应该接受术语。该备忘录适用于经验丰富的象征研究人员，他们听到了很多嗡嗡声，但仍然不确定和持怀疑态度。有关STAT/ML/DL的信息目前太分散或嘈杂而无法投资。此备忘录优先考虑紧凑性，并特别注意与象征性范式相互共鸣的概念。我希望这份备忘录能节省时间。它优先考虑一般数学建模，并且不讨论任何特定的函数近似器，例如神经网络（NNS），SVMS，决策树等。它可以对校正开放。将此备忘录视为与博客文章相似的内容，采用有关Arxiv的论文的形式。

主题进化建模近几十年来收到了重大关注。虽然已经提出了各种主题演进模型，但大多数研究都关注单一文件语料库。但是，在实践中，我们可以轻松访问来自多个来源的数据，并且还可以观察它们之间的关系。然后，识别多个文本语料库之间的关系并进一步利用这种关系来提高主题建模。在这项工作中，我们专注于两个文本语料库之间的特殊关系，我们将其定义为“滞后关系”。这种关系表征了一个文本语料库会影响未来在另一个文本语料库中讨论的主题的现象。要发现引导滞后关系，我们提出了一个共同动态的主题模型，并开发了嵌入扩展，以解决大规模文本语料库的建模问题。通过认可的引导关系，可以改善两个文本语料库的相似性，可以改善在两种语料中学习的主题质量。我们使用合成数据进行数值调查联合动态主题建模方法的性能。最后，我们在两个文本语料库上应用拟议的模型，包括统计文件和毕业论文。结果表明，拟议的模型可以很好地认识到两种语料库之间的引导滞后关系，也发现了两种语料库的具体和共享主题模式。

项目反应理论（IRT）是一个无处不在的模型，可以根据他们对问题的回答理解人类行为和态度。大型现代数据集为捕捉人类行为的更多细微差别提供了机会，从而有可能改善心理测量模型，从而改善科学理解和公共政策。但是，尽管较大的数据集允许采用更灵活的方法，但许多用于拟合IRT模型的当代算法也可能具有禁止现实世界应用的巨大计算需求。为了解决这种瓶颈，我们引入了IRT的变异贝叶斯推理算法，并表明它在不牺牲准确性的情况下快速可扩展。将此方法应用于认知科学和教育的五个大规模项目响应数据集中，比替代推理算法更高的对数可能性和更高的准确性。然后，使用这种新的推论方法，我们将IRT概括为具有表现力的贝叶斯响应模型，利用深度学习的最新进展来捕获具有神经网络的非线性项目特征曲线（ICC）。使用TIMSS的特定级数学测试，我们显示我们的非线性IRT模型可以捕获有趣的不对称ICC。该算法实现是开源的，易于使用。

This paper presents a tutorial introduction to the use of variational methods for inference and learning in graphical models (Bayesian networks and Markov random fields). We present a number of examples of graphical models, including the QMR-DT database, the sigmoid belief network, the Boltzmann machine, and several variants of hidden Markov models, in which it is infeasible to run exact inference algorithms. We then introduce variational methods, which exploit laws of large numbers to transform the original graphical model into a simplified graphical model in which inference is efficient. Inference in the simpified model provides bounds on probabilities of interest in the original model. We describe a general framework for generating variational transformations based on convex duality. Finally we return to the examples and demonstrate how variational algorithms can be formulated in each case.

我们引入了一种新的经验贝叶斯方法，用于大规模多线性回归。我们的方法结合了两个关键思想：（i）使用灵活的“自适应收缩”先验，该先验近似于正常分布的有限混合物，近似于正常分布的非参数家族； （ii）使用变分近似来有效估计先前的超参数并计算近似后期。将这两个想法结合起来，将快速，灵活的方法与计算速度相当，可与快速惩罚的回归方法（例如Lasso）相当，并在各种场景中具有出色的预测准确性。此外，我们表明，我们方法中的后验平均值可以解释为解决惩罚性回归问题，并通过直接解决优化问题（而不是通过交叉验证来调整）从数据中学到的惩罚函数的精确形式。 。我们的方法是在r https://github.com/stephenslab/mr.ash.ash.alpha的r软件包中实现的

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.

近似复杂的概率密度是现代统计中的核心问题。在本文中，我们介绍了变分推理（VI）的概念，这是一种机器学习中的流行方法，该方法使用优化技术来估计复杂的概率密度。此属性允许VI汇聚速度比经典方法更快，例如Markov Chain Monte Carlo采样。概念上，VI通过选择一个概率密度函数，然后找到最接近实际概率密度的家庭 - 通常使用Kullback-Leibler（KL）发散作为优化度量。我们介绍了缩窄的证据，以促进近似的概率密度，我们审查了平均场变分推理背后的想法。最后，我们讨论VI对变分式自动编码器（VAE）和VAE-生成的对抗网络（VAE-GAN）的应用。用本文，我们的目标是解释VI的概念，并通过这种方法协助协助。

我们在这里采用贝叶斯非参数混合模型，以将多臂匪徒扩展到尤其是汤普森采样，以扩展到存在奖励模型不确定性的场景。在随机的多臂强盗中，播放臂的奖励是由未知分布产生的。奖励不确定性，即缺乏有关奖励生成分布的知识，引起了探索 - 开发权的权衡：强盗代理需要同时了解奖励分布的属性，并顺序决定下一步要采取哪种操作。在这项工作中，我们通过采用贝叶斯非参数高斯混合模型来进行奖励模型不确定性，将汤普森的抽样扩展到场景中，以进行灵活的奖励密度估计。提出的贝叶斯非参数混合物模型汤普森采样依次学习了奖励模型，该模型最能近似于真实但未知的每臂奖励分布，从而实现了成功的遗憾表现。我们基于基于后验分析的新颖的分析得出的，这是一种针对该方法的渐近遗憾。此外，我们从经验上评估了其在多样化和以前难以捉摸的匪徒环境中的性能，例如，在指数级的家族中，奖励不受异常值和不同的每臂奖励分布。我们表明，拟议的贝叶斯非参数汤普森取样优于表现，无论是平均累积的遗憾和遗憾的波动，最先进的替代方案。在存在强盗奖励模型不确定性的情况下，提出的方法很有价值，因为它避免了严格的逐案模型设计选择，但提供了重要的遗憾。

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。

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.

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。