目前，难以获得贝叶斯方法深入学习的好处，这允许明确的知识规范，准确地捕获模型不确定性。我们呈现先前数据拟合网络（PFN）。 PFN利用大规模机器学习技术来近似一组一组后索。 PFN唯一要求工作的要求是能够从先前分配通过监督的学习任务（或函数）来采样。我们的方法将后近似的目标重新定为具有带有值的输入的监督分类问题：它反复从先前绘制任务（或功能），从中绘制一组数据点及其标签，掩盖其中一个标签并学习基于其余数据点的设定值输入对其进行概率预测。呈现来自新的监督学习任务的一组样本作为输入，PFNS在单个前向传播中对任意其他数据点进行概率预测，从而学习到近似贝叶斯推断。我们展示了PFN可以接近完全模仿高斯过程，并且还可以实现高效的贝叶斯推理对难以处理的问题，与当前方法相比，多个设置中有超过200倍的加速。我们在非常多样化的地区获得强烈的结果，如高斯过程回归，贝叶斯神经网络，小型表格数据集的分类，以及少量图像分类，展示了PFN的一般性。代码和培训的PFN在https://github.com/automl/transformerscandobayesianinference发布。

我们提出了TABPFN，这是一种与小型表格数据集上的最新技术竞争性的自动化方法，而更快的速度超过1,000美元。我们的方法非常简单：它完全符合单个神经网络的权重，而单个正向通行证直接产生了对新数据集的预测。我们的AutoML方法是使用基于变压器的先验数据拟合网络（PFN）体系结构进行元学习的，并近似贝叶斯推断，其先验是基于简单性和因果结构的假设。先验包含庞大的结构性因果模型和贝叶斯神经网络，其偏见是小体系结构，因此复杂性较低。此外，我们扩展了PFN方法以在实际数据上校准Prior的超参数。通过这样做，我们将抽象先前的假设与对真实数据的启发式校准分开。之后，修复了校准的超参数，并在按钮按钮时可以将TABPFN应用于任何新的表格数据集。最后，在OpenML-CC18套件的30个数据集上，我们表明我们的方法优于树木，并与复杂的最新Automl系统相同，并且在不到一秒钟内产生的预测。我们在补充材料中提供所有代码和最终训练的TABPFN。

我们研究了回归中神经网络（NNS）的模型不确定性的方法。为了隔离模型不确定性的效果，我们专注于稀缺训练数据的无噪声环境。我们介绍了关于任何方法都应满足的模型不确定性的五个重要的逃亡者。但是，我们发现，建立的基准通常无法可靠地捕获其中一些逃避者，即使是贝叶斯理论要求的基准。为了解决这个问题，我们介绍了一种新方法来捕获NNS的模型不确定性，我们称之为基于神经优化的模型不确定性（NOMU）。 NOMU的主要思想是设计一个由两个连接的子NN组成的网络体系结构，一个用于模型预测，一个用于模型不确定性，并使用精心设计的损耗函数进行训练。重要的是，我们的设计执行NOMU满足我们的五个Desiderata。由于其模块化体系结构，NOMU可以为任何给定（先前训练）NN提供模型不确定性，如果访问其培训数据。我们在各种回归任务和无嘈杂的贝叶斯优化（BO）中评估NOMU，并具有昂贵的评估。在回归中，NOMU至少和最先进的方法。在BO中，Nomu甚至胜过所有考虑的基准。

随机过程提供了数学上优雅的方式模型复杂数据。从理论上讲，它们为可以编码广泛有趣的假设的功能类提供了灵活的先验。但是，实际上，难以通过优化或边缘化来有效推断，这一问题进一步加剧了大数据和高维输入空间。我们提出了一种新颖的变性自动编码器（VAE），称为先前的编码变量自动编码器（$ \ pi $ vae）。 $ \ pi $ vae是有限的交换且Kolmogorov一致的，因此是一个连续的随机过程。我们使用$ \ pi $ vae学习功能类的低维嵌入。我们表明，我们的框架可以准确地学习表达功能类，例如高斯流程，也可以学习函数的属性以启用统计推断（例如log高斯过程的积分）。对于流行的任务，例如空间插值，$ \ pi $ vae在准确性和计算效率方面都达到了最先进的性能。也许最有用的是，我们证明了所学的低维独立分布的潜在空间表示提供了一种优雅，可扩展的方法，可以在概率编程语言（例如Stan）中对随机过程进行贝叶斯推断。

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。

当数据稀缺时，元学习可以通过利用相关的学习任务的先前经验来提高学习者的准确性。然而，现有方法具有不可靠的不确定性估计，通常过于自信。解决这些缺点，我们介绍了一个名为F-PACOH的新型元学习框架，该框架称为F-PACOH，该框架将Meta学习的前沿视为随机过程，并直接在函数空间中执行元级正则化。这使我们能够直接转向元学习者在元区域训练数据区域中对高至少认知不确定性的概率预测，从而获得良好的不确定性估计。最后，我们展示了我们的方法如何与顺序决策集成，其中可靠的不确定性量化是必要的。在我们对贝叶斯优化（BO）的元学习的基准研究中，F-PACOH显着优于所有其他元学习者和标准基线。

贝叶斯优化（BO）已成为许多昂贵现实世界功能的全球优化的流行策略。与普遍认为BO适合优化黑框功能的信念相反，它实际上需要有关这些功能特征的域知识才能成功部署BO。这样的领域知识通常表现在高斯流程先验中，这些先验指定了有关功能的初始信念。但是，即使有专家知识，选择先验也不是一件容易的事。对于复杂的机器学习模型上的超参数调谐问题尤其如此，在这种模型中，调整目标的景观通常很难理解。我们寻求一种设定这些功能性先验的替代实践。特别是，我们考虑了从类似功能的数据中，使我们可以先验地进行更紧密的分布。从理论上讲，我们与预先训练的先验表示对BO的遗憾。为了验证我们在现实的模型培训设置中的方法，我们通过训练在流行图像和文本数据集上的数以万计的近状态模型配置来收集了大型多任务超参数调谐数据集，以及蛋白质序列数据集。我们的结果表明，平均而言，我们的方法能够比最佳竞争方法更有效地定位良好的超参数。

在本文中，我们调查了问题：给定少数DataPoints，例如n = 30，可以严格的CAG-Bayes和测试集界限进行紧张吗？对于这种小型数据集，测试集界限通过从培训程序中扣留数据而产生不利影响泛化性能。在这种环境中，Pac-Bayes界限尤其吸引力，因为它们使用所有数据的能力同时学习后部并结合其泛化风险。我们专注于i.i.d.具有有界损失的数据，并考虑Germain等人的通用Pac-Bayes定理。虽然已知定理恢复许多现有的PAC-Bayes界，但目前尚不清楚他们的框架中最有束缚的终结。对于一个固定的学习算法和数据集，我们表明最紧密的绑定与Catoni考虑的绑定相一致;并且，在更自然的数据集发行情况下，我们在期望中获得最佳界限的下限。有趣的是，如果后部等于先前，则这个下限会恢复绑定的Chernoff测试集。此外，为了说明这些界限有多紧，我们研究了合成的一维分类任务，其中它是可行的 - 学习绑定的先前和形状，以便最有效地优化最佳界限。我们发现，在这种简单，受控的场景中，Pac-Bayes界竞争与可比常用的Chernoff测试集合界限具有竞争​​力。然而，最清晰的测试集界仍然导致泛化误差比我们考虑的Pac-Bayes所界限更好地保证。

不确定性估计（UE）技术 - 例如高斯过程（GP），贝叶斯神经网络（BNN），蒙特卡罗辍学（MCDropout） - 旨在通过为每个分配估计的不确定性值来提高机器学习模型的可解释性他们的预测输出。然而，由于过高的不确定性估计可以在实践中具有致命的后果，因此本文分析了上述技术。首先，我们表明GP方法始终会产生高不确定性估计（OOD）数据。其次，我们在2D玩具示例中显示了BNN和MCDRopout在OOD样品上没有提供高不确定性估计。最后，我们凭经验展示了这种BNNS和MCDRopout的陷阱也在现实世界数据集中持有。我们的见解（i）提高了对深度学习中目前流行的UE方法更加谨慎使用的认识，（ii）鼓励开发UE方法，这些方法近似于基于GP的方法 - 而不是BNN和MCDROPOUT，以及我们的经验设置可用于验证任何其他UE方法的ood性能。源代码在https://github.com/epfml/unctemationsiapity-娱乐中获得。

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。

隐式过程（IPS）代表一个灵活的框架，可用于描述各种模型，从贝叶斯神经网络，神经抽样器和数据生成器到许多其他模型。 IP还允许在功能空间上进行大致推断。公式的这种变化解决了参数空间的固有退化问题近似推断，即参数数量及其在大型模型中的强大依赖性。为此，文献中先前的作品试图采用IPS来设置先验并近似产生的后部。但是，这被证明是一项具有挑战性的任务。现有的方法可以调整先前的IP导致高斯预测分布，该分布未能捕获重要的数据模式。相比之下，通过使用另一个IP近似后验过程产生灵活预测分布的方法不能将先前的IP调整到观察到的数据中。我们在这里建议第一个可以实现这两个目标的方法。为此，我们依赖于先前IP的诱导点表示，就像在稀疏高斯过程中所做的那样。结果是一种可扩展的方法，用于与IP的近似推断，可以将先前的IP参数调整到数据中，并提供准确的非高斯预测分布。

贝叶斯优化（BO）算法在涉及昂贵的黑盒功能的应用中表现出了显着的成功。传统上，BO被设置为一个顺序决策过程，该过程通过采集函数和先前的功能（例如高斯过程）来估计查询点的实用性。然而，最近，通过密度比率估计（BORE）对BO进行重新制定允许将采集函数重新诠释为概率二进制分类器，从而消除了对函数的显式先验和提高可伸缩性的需求。在本文中，我们介绍了对孔的遗憾和算法扩展的理论分析，并提高了不确定性估计。我们还表明，通过将问题重新提交为近似贝叶斯推断，可以自然地扩展到批处理优化设置。所得算法配备了理论性能保证，并在一系列实验中对其他批处理基本线进行了评估。

隐式过程（IP）是高斯过程（GPS）的概括。 IP可能缺乏封闭形式的表达，但很容易采样。例子包括贝叶斯神经网络或神经抽样器。 IP可以用作功能的先验，从而产生具有良好预测不确定性估计值的灵活模型。基于IP的方法通常进行函数空间近似推断，从而克服了参数空间近似推断的一些困难。然而，所采用的近似值通常会限制最终模型的表现力，结果是\ emph {e.g。}，在高斯预测分布中，这可能是限制的。我们在这里提出了IPS的多层概括，称为“深层隐式”过程（DVIP）。这种概括与GPS上的深GPS相似，但是由于使用IPs作为潜在函数的先前分布，因此更灵活。我们描述了用于训练DVIP的可扩展变异推理算法，并表明它的表现优于先前的基于IP的方法和深度GPS。我们通过广泛的回归和分类实验来支持这些主张。我们还在大型数据集上评估了DVIP，最多可达数百万个数据实例，以说明其良好的可扩展性和性能。

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.

贝叶斯神经网络具有潜在变量（BNN + LVS）通过明确建模模型不确定性（通过网络权重）和环境暂停（通过潜在输入噪声变量）来捕获预测的不确定性。在这项工作中，我们首先表明BNN + LV具有严重形式的非可识别性：可以在模型参数和潜在变量之间传输解释性，同时拟合数据。我们证明，在无限数据的极限中，网络权重和潜变量的后部模式从地面真理渐近地偏离。由于这种渐近偏差，传统的推理方法可以在实践中，产量参数概括不确定和不确定的不确定性。接下来，我们开发一种新推断过程，明确地减轻了训练期间不可识别性的影响，并产生高质量的预测以及不确定性估计。我们展示我们的推理方法在一系列合成和实际数据集中改善了基准方法。

在过去几十年中，已经提出了各种方法，用于估计回归设置中的预测间隔，包括贝叶斯方法，集合方法，直接间隔估计方法和保形预测方法。重要问题是这些方法的校准：生成的预测间隔应该具有预定义的覆盖水平，而不会过于保守。在这项工作中，我们从概念和实验的角度审查上述四类方法。结果来自各个域的基准数据集突出显示从一个数据集中的性能的大波动。这些观察可能归因于违反某些类别的某些方法所固有的某些假设。我们说明了如何将共形预测用作提供不具有校准步骤的方法的方法的一般校准程序。

贝叶斯方法是由于先验引起的正则化效应，这是对统计学的统计推断的流行选择，该效应可抵消过度拟合。在密度估计的背景下，标准的贝叶斯方法是针对后验预测。通常，后验预测的直接估计是棘手的，因此方法通常诉诸于后验分布作为中间步骤。然而，最近的递归预测copula更新的开发使得无需后近似即可执行可拖动的预测密度估计。尽管这些估计器在计算上具有吸引力，但它们倾向于在非平滑数据分布上挣扎。这在很大程度上是由于可能从中得出所提出的Copula更新的可能性模型的相对限制性形式。为了解决这一缺点，我们考虑了具有自回归似然分解和高斯过程的贝叶斯非参数模型，该模型在Copula更新中产生了数据依赖于数据的带宽参数。此外，我们使用自回归神经网络对带宽进行新的参数化，从而将数据映射到潜在空间中，从而能够捕获数据中更复杂的依赖性。我们的扩展增加了现有的递归贝叶斯密度估计器的建模能力，从而在表格数据集上实现了最新的结果。

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。

条件神经过程（CNP; Garnelo等，2018a）是元学习模型，它利用深度学习的灵活性来产生良好的预测，并自然处理网格和缺失的数据。 CNPS缩放到大型数据集并轻松训练。由于这些功能，CNP似乎非常适合来自环境科学或医疗保健的任务。不幸的是，CNP不会产生相关的预测，从而使它们从根本上不适合许多估计和决策任务。例如，预测热浪或洪水需要在时间和空间中对温度或降水的依赖性进行建模。建模输出依赖性的现有方法，例如神经过程（NPS; Garnelo等，2018b）或FullConvgNP（Bruinsma等，2021），要么是复杂的训练或过于昂贵的。需要的是一种提供依赖预测的方法，但可以易于训练和计算障碍。在这项工作中，我们提出了一类新的神经过程模型，这些模型可以简单且可扩展，从而提供相关的预测并支持确切的最大似然训练。我们通过使用可逆输出转换来扩展提出的模型，以捕获非高斯输出分布。我们的模型可以用于需要相关功能样本的下游估计任务中。通过考虑输出依赖性，我们的模型在合成和真实数据的一系列实验上显示出改进的预测性能。

We present the GPry algorithm for fast Bayesian inference of general (non-Gaussian) posteriors with a moderate number of parameters. GPry does not need any pre-training, special hardware such as GPUs, and is intended as a drop-in replacement for traditional Monte Carlo methods for Bayesian inference. Our algorithm is based on generating a Gaussian Process surrogate model of the log-posterior, aided by a Support Vector Machine classifier that excludes extreme or non-finite values. An active learning scheme allows us to reduce the number of required posterior evaluations by two orders of magnitude compared to traditional Monte Carlo inference. Our algorithm allows for parallel evaluations of the posterior at optimal locations, further reducing wall-clock times. We significantly improve performance using properties of the posterior in our active learning scheme and for the definition of the GP prior. In particular we account for the expected dynamical range of the posterior in different dimensionalities. We test our model against a number of synthetic and cosmological examples. GPry outperforms traditional Monte Carlo methods when the evaluation time of the likelihood (or the calculation of theoretical observables) is of the order of seconds; for evaluation times of over a minute it can perform inference in days that would take months using traditional methods. GPry is distributed as an open source Python package (pip install gpry) and can also be found at https://github.com/jonaselgammal/GPry.