When presented with a data stream of two statistically dependent variables, predicting the future of one of the variables (the target stream) can benefit from information about both its history and the history of the other variable (the source stream). For example, fluctuations in temperature at a weather station can be predicted using both temperatures and barometric readings. However, a challenge when modelling such data is that it is easy for a neural network to rely on the greatest joint correlations within the target stream, which may ignore a crucial but small information transfer from the source to the target stream. As well, there are often situations where the target stream may have previously been modelled independently and it would be useful to use that model to inform a new joint model. Here, we develop an information bottleneck approach for conditional learning on two dependent streams of data. Our method, which we call Transfer Entropy Bottleneck (TEB), allows one to learn a model that bottlenecks the directed information transferred from the source variable to the target variable, while quantifying this information transfer within the model. As such, TEB provides a useful new information bottleneck approach for modelling two statistically dependent streams of data in order to make predictions about one of them.

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

深度神经网络是一个很好的任务解决者，但是很难理解其操作。人们对如何形成有关其运作的解释有不同的想法。我们从一个新的角度来看这个问题，在该问题中，通过量化了用于解决以前任务的信息之外，还量化了多少以前未使用的信息来综合任务解决的解释。首先，在学习了几个任务之后，网络将获取与每个任务相关的几个信息分区。然后，我们建议该网络学习最小的信息分区，这些信息分区已补充以前学习的信息分区以更准确地表示输入。此额外的分区与以前任务中未使用的未概念的信息相关联。我们设法确定使用了哪些未概念的信息并量化了金额。为了解释网络如何解决新任务，我们量化了从每个分区中提取多少信息的元信息。我们使用各种信息瓶颈技术实现此框架。我们使用MNIST和CLEVR数据集测试框架。该框架被证明能够以元信息的形式构成信息分区并综合经验依赖性解释。该系统通过将未概念的信息分区的一部分转换为与任务相关的分区，从而逐步改善了对新体验的解释分辨率。它还可以通过对以前未概念的信息来解决新任务所需的以前的未感知信息的一部分来提供视觉解释。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

从视觉观察中了解动态系统的潜在因果因素被认为是对复杂环境中推理的推理的关键步骤。在本文中，我们提出了Citris，这是一种变异自动编码器框架，从图像的时间序列中学习因果表示，其中潜在的因果因素可能已被干预。与最近的文献相反，Citris利用了时间性和观察干预目标，以鉴定标量和多维因果因素，例如3D旋转角度。此外，通过引入归一化流，可以轻松扩展柑橘，以利用和删除已验证的自动编码器获得的删除表示形式。在标量因果因素上扩展了先前的结果，我们在更一般的环境中证明了可识别性，其中仅因果因素的某些成分受干预措施影响。在对3D渲染图像序列的实验中，柑橘类似于恢复基本因果变量的先前方法。此外，使用预验证的自动编码器，Citris甚至可以概括为因果因素的实例化，从而在SIM到现实的概括中开放了未来的研究领域，以进行因果关系学习。

提出了一种新的双峰生成模型，用于生成条件样品和关节样品，并采用学习简洁的瓶颈表示的训练方法。所提出的模型被称为变异Wyner模型，是基于网络信息理论中的两个经典问题（分布式仿真和信道综合）设计的，其中Wyner的共同信息是对公共表示简洁性的基本限制。该模型是通过最大程度地减少对称的kullback的训练 - 差异 - 变异分布和模型分布之间具有正则化项，用于常见信息，重建一致性和潜在空间匹配项，该术语是通过对逆密度比率估计技术进行的。通过与合成和现实世界数据集的联合和有条件生成的实验以及具有挑战性的零照片图像检索任务，证明了所提出的方法的实用性。

预测性编码提供了对皮质功能的潜在统一说明 - 假设大脑的核心功能是最小化有关世界生成模型的预测错误。该理论与贝叶斯大脑框架密切相关，在过去的二十年中，在理论和认知神经科学领域都产生了重大影响。基于经验测试的预测编码的改进和扩展的理论和数学模型，以及评估其在大脑中实施的潜在生物学合理性以及该理论所做的具体神经生理学和心理学预测。尽管存在这种持久的知名度，但仍未对预测编码理论，尤其是该领域的最新发展进行全面回顾。在这里，我们提供了核心数学结构和预测编码的逻辑的全面综述，从而补充了文献中最新的教程。我们还回顾了该框架中的各种经典和最新工作，从可以实施预测性编码的神经生物学现实的微电路到预测性编码和广泛使用的错误算法的重新传播之间的紧密关系，以及对近距离的调查。预测性编码和现代机器学习技术之间的关系。

We present a variational approximation to the information bottleneck of Tishby et al. (1999). This variational approach allows us to parameterize the information bottleneck model using a neural network and leverage the reparameterization trick for efficient training. We call this method "Deep Variational Information Bottleneck", or Deep VIB. We show that models trained with the VIB objective outperform those that are trained with other forms of regularization, in terms of generalization performance and robustness to adversarial attack.

速率 - 失真（R-D）函数，信息理论中的关键数量，其特征在于，通过任何压缩算法，通过任何压缩算法将数据源可以压缩到保真标准的基本限制。随着研究人员推动了不断提高的压缩性能，建立给定数据源的R-D功能不仅具有科学的兴趣，而且还在可能的空间上揭示了改善压缩算法的可能性。以前的解决此问题依赖于数据源上的分布假设（Gibson，2017）或仅应用于离散数据。相比之下，本文使得第一次尝试播放常规（不一定是离散的）源仅需要i.i.d的算法的算法。数据样本。我们估计高斯和高尺寸香蕉形源的R-D三明治界，以及GaN生成的图像。我们在自然图像上的R-D上限表示在各种比特率的PSNR中提高最先进的图像压缩方法的性能的空间。

当前独立于域的经典计划者需要问题域和实例作为输入的符号模型，从而导致知识采集瓶颈。同时，尽管深度学习在许多领域都取得了重大成功，但知识是在与符号系统（例如计划者）不兼容的亚符号表示中编码的。我们提出了Latplan，这是一种无监督的建筑，结合了深度学习和经典计划。只有一组未标记的图像对，显示了环境中允许的过渡子集（训练输入），Latplan学习了环境的完整命题PDDL动作模型。稍后，当给出代表初始状态和目标状态（计划输入）的一对图像时，Latplan在符号潜在空间中找到了目标状态的计划，并返回可视化的计划执行。我们使用6个计划域的基于图像的版本来评估LATPLAN：8个插头，15个式嘴，Blockworld，Sokoban和两个LightsOut的变体。

安全部署到现实世界的机器学习模式通常是一个具有挑战性的过程。从特定地理位置获得的数据训练的模型往往会在询问其他地方获得的数据时失败，在仿真中培训的代理可以在部署在现实世界或新颖的环境中进行适应时，以及适合于拟合的神经网络人口可能会将一些选择偏见纳入其决策过程。在这项工作中，我们描述了（i）通过（i）识别和描述了不同误差来源的新信息 - 理论观点的数据转移问题，（ii）比较最近域概括和公平探讨的一些最有前景的目标分类文献。从我们的理论分析和实证评估中，我们得出结论，需要通过关于观察到的数据，用于校正的因素的仔细考虑和数据生成过程的结构来指导模型选择程序。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

因果表示学习是识别基本因果变量及其从高维观察（例如图像）中的关系的任务。最近的工作表明，可以从观测的时间序列中重建因果变量，假设它们之间没有瞬时因果关系。但是，在实际应用中，我们的测量或帧速率可能比许多因果效应要慢。这有效地产生了“瞬时”效果，并使以前的可识别性结果无效。为了解决这个问题，我们提出了ICITRI，这是一种因果表示学习方法，当具有已知干预目标的完美干预措施时，可以在时间序列中处理瞬时效应。 Icitris从时间观察中识别因果因素，同时使用可区分的因果发现方法来学习其因果图。在三个视频数据集的实验中，Icitris准确地识别了因果因素及其因果图。

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。

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.

我们引入隐深自适应设计（iDAD），在实时与隐性模型进行适应性实验的新方法。iDAD通过学习设计政策网络的前期，然后可以在实验时快速部署摊销贝叶斯优化实验设计（BOED）的成本。该iDAD网络可以在其模拟微样品，不同于需要一个封闭的形式可能性和条件独立实验以前的设计政策工作的任何模型进行训练。在部署时，iDAD允许以毫秒为单位进行设计决策，而相比之下，需要实验本身期间繁重的计算传统BOED方法。我们说明了多项实验iDAD的适用性，并表明它提供了与隐式模型进行适应性设计一个快速和有效的机制。

The Information Bottleneck theory provides a theoretical and computational framework for finding approximate minimum sufficient statistics. Analysis of the Stochastic Gradient Descent (SGD) training of a neural network on a toy problem has shown the existence of two phases, fitting and compression. In this work, we analyze the SGD training process of a Deep Neural Network on MNIST classification and confirm the existence of two phases of SGD training. We also propose a setup for estimating the mutual information for a Deep Neural Network through Variational Inference.

瓶颈问题是一系列重要的优化问题，最近在机器学习和信息理论领域引起了人们的关注。它们被广泛用于生成模型，公平的机器学习算法，对隐私保护机制的设计，并在各种多用户通信问题中作为信息理论性能界限出现。在这项工作中，我们提出了一个普通的优化问题家族，称为复杂性 - 裸露的瓶颈（俱乐部）模型，该模型（i）提供了一个统一的理论框架，该框架将大多数最先进的文献推广到信息理论隐私模型（ii）建立了对流行的生成和判别模型的新解释，（iii）构建了生成压缩模型的新见解，并且（iv）可以在公平的生成模型中使用。我们首先将俱乐部模型作为复杂性约束的隐私性优化问题。然后，我们将其与密切相关的瓶颈问题（即信息瓶颈（IB），隐私渠道（PF），确定性IB（DIB），条件熵瓶颈（CEB）和有条件的PF（CPF）连接。我们表明，俱乐部模型概括了所有这些问题以及大多数其他信息理论隐私模型。然后，我们通过使用神经网络来参数化相关信息数量的变异近似来构建深层俱乐部（DVCLUB）模型。在这些信息数量的基础上，我们提出了监督和无监督的DVClub模型的统一目标。然后，我们在无监督的设置中利用DVClub模型，然后将其与最先进的生成模型（例如变异自动编码器（VAE），生成对抗网络（GAN）以及Wasserstein Gan（WGAN）连接起来，Wasserstein自动编码器（WAE）和对抗性自动编码器（AAE）通过最佳运输（OT）问题模型。然后，我们证明DVCLUB模型也可以用于公平表示学习问题，其目标是在机器学习模型的训练阶段减轻不希望的偏差。我们对彩色命名和Celeba数据集进行了广泛的定量实验，并提供了公共实施，以评估和分析俱乐部模型。

We explore an original strategy for building deep networks, based on stacking layers of denoising autoencoders which are trained locally to denoise corrupted versions of their inputs. The resulting algorithm is a straightforward variation on the stacking of ordinary autoencoders. It is however shown on a benchmark of classification problems to yield significantly lower classification error, thus bridging the performance gap with deep belief networks (DBN), and in several cases surpassing it. Higher level representations learnt in this purely unsupervised fashion also help boost the performance of subsequent SVM classifiers. Qualitative experiments show that, contrary to ordinary autoencoders, denoising autoencoders are able to learn Gabor-like edge detectors from natural image patches and larger stroke detectors from digit images. This work clearly establishes the value of using a denoising criterion as a tractable unsupervised objective to guide the learning of useful higher level representations.

在本文中，我们提出了一个旨在进行探测估计的学习动机方法的统一信息理论框架，这是许多机器人技术和视觉任务的关键组成部分，例如导航和虚拟现实，其中需要相对摄像头姿势。我们将此问题提出来优化变分信息瓶颈的目标函数，从而消除了潜在表示中的姿势 - 呈现信息。拟议的框架为信息理论语言中的性能评估和理解提供了优雅的工具。具体而言，我们绑定了深度信息瓶颈框架的概括错误和潜在表示的可预测性。这些不仅提供了绩效保证，还提供了模型设计，样本收集和传感器选择的实用指导。此外，随机潜在表示提供了一种自然的不确定性度量，而无需进行额外的结构或计算。在两个众所周知的探测数据集上进行的实验证明了我们方法的有效性。