预测和模型参数之间的相互信息（也称为预期信息获得或机器学习中的秃头）来衡量信息性。这是贝叶斯活跃学习和贝叶斯最佳实验设计中流行的采集功能。在数据子集选择中，即主动学习和主动采样，最近的几项作品使用Fisher信息，Hessians，基于梯度的相似性矩阵，或者仅仅是梯度长度，以计算指导样本选择的采集分数。这些不同的方法是否连接在一起，如果是这样？在本文中，我们重新访问Fisher信息，并使用它来展示如何将几种不同的不同方法连接为信息理论量的近似值。

实际符号可以传达有价值的直觉并简明扼要地表达新的想法。信息理论对机器学习具有重要性，但信息理论量的符号有时是不透明的。我们提出了一种实用和统一的符号，并将其扩展到包括观察结果（事件）和随机变量之间的信息 - 理论量。这包括在NLP中已知的点亮相互信息，以及在贝叶斯最佳实验设计中的认知科学和信息增益中的特定惊喜和特定信息，如特定的惊喜和特定信息。我们应用了我们的符号来证明使用新的直觉来证明Macka（2003）提到的二项式系数的次要系数的近似值。我们还简明地重新改造了变形自动编码器和大约贝叶斯神经网络中的变差推断的证据。此外，我们将符号应用于贝叶斯主动学习中的流行信息 - 理论采集函数，它选择由专家标记的最具信息性（未标记的）样本，并将此采集功能扩展到核心设置的问题，目标是选择给定标签的大多数信息样本。

在Mackay（1992）上展开，我们认为，用于主动学习的基于模式的方法 - 类似的基于模型 - 如秃顶 - 具有基本的缺点：它们未直接解释输入变量的测试时间分布。这可以导致采集策略中的病理，因为模型参数的最大信息是最大信息，可能不是最大地信息，例如，当池集中的数据比最终预测任务的数据更大时，或者池和试验样品的分布不同。为了纠正这一点，我们重新审视了基于最大化关于可能的未来预测的预期信息的收购策略，参考这是预期的预测信息增益（EPIG）。由于EPIG对批量采集不扩展，我们进一步检查了替代策略，秃头和EPIG之间的混合，我们称之为联合预测信息增益（Jepig）。我们考虑在各种数据集中使用贝叶斯神经网络的主动学习，检查池集中分布班下的行为。

收购用于监督学习的标签可能很昂贵。为了提高神经网络回归的样本效率，我们研究了活跃的学习方法，这些方法可以适应地选择未标记的数据进行标记。我们提出了一个框架，用于从（与网络相关的）基础内核，内核转换和选择方法中构造此类方法。我们的框架涵盖了许多基于神经网络的高斯过程近似以及非乘式方法的现有贝叶斯方法。此外，我们建议用草图的有限宽度神经切线核代替常用的最后层特征，并将它们与一种新型的聚类方法结合在一起。为了评估不同的方法，我们引入了一个由15个大型表格回归数据集组成的开源基准。我们所提出的方法的表现优于我们的基准测试上的最新方法，缩放到大数据集，并在不调整网络体系结构或培训代码的情况下开箱即用。我们提供开源代码，包括所有内核，内核转换和选择方法的有效实现，并可用于复制我们的结果。

越来越需要与深神经网络兼容的有效主动学习算法。本文激励和重新审视基于经典的Fisher的主动选择目标，并提出了诱饵，实用，易拔和高性能的算法，使其可以与神经模型一起使用。诱饵从参数模型的最大似然估计器（MLE）的理论分析中汲取灵感。它通过在FISHER信息方面优化MLE误差的绑定来选择批次的样本，我们通过利用线性代数结构可以在规模上有效地实现，特别是在现代硬件上执行。我们的实验表明，诱饵始于先前的本领域技术在分类和回归问题上，并且足够灵活，可以与各种模型架构一起使用。

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。

Several recent works find empirically that the average test error of deep neural networks can be estimated via the prediction disagreement of models, which does not require labels. In particular, Jiang et al. (2022) show for the disagreement between two separately trained networks that this `Generalization Disagreement Equality' follows from the well-calibrated nature of deep ensembles under the notion of a proposed `class-aggregated calibration.' In this reproduction, we show that the suggested theory might be impractical because a deep ensemble's calibration can deteriorate as prediction disagreement increases, which is precisely when the coupling of test error and disagreement is of interest, while labels are needed to estimate the calibration on new datasets. Further, we simplify the theoretical statements and proofs, showing them to be straightforward within a probabilistic context, unlike the original hypothesis space view employed by Jiang et al. (2022).

We develop BatchBALD, a tractable approximation to the mutual information between a batch of points and model parameters, which we use as an acquisition function to select multiple informative points jointly for the task of deep Bayesian active learning. BatchBALD is a greedy linear-time 1 − 1 /e-approximate algorithm amenable to dynamic programming and efficient caching. We compare BatchBALD to the commonly used approach for batch data acquisition and find that the current approach acquires similar and redundant points, sometimes performing worse than randomly acquiring data. We finish by showing that, using BatchBALD to consider dependencies within an acquisition batch, we achieve new state of the art performance on standard benchmarks, providing substantial data efficiency improvements in batch acquisition.

二阶优化器被认为具有加快神经网络训练的潜力，但是由于曲率矩阵的尺寸巨大，它们通常需要近似值才能计算。最成功的近似家庭是Kronecker因块状曲率估计值（KFAC）。在这里，我们结合了先前工作的工具，以评估确切的二阶更新和仔细消融以建立令人惊讶的结果：由于其近似值，KFAC与二阶更新无关，尤其是，它极大地胜过真实的第二阶段更新。订单更新。这一挑战广泛地相信，并立即提出了为什么KFAC表现如此出色的问题。为了回答这个问题，我们提出了强烈的证据，表明KFAC近似于一阶算法，该算法在神经元上执行梯度下降而不是权重。最后，我们表明，这种优化器通常会在计算成本和数据效率方面改善KFAC。

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.

我们通过Pac-Bayes概括界的镜头研究冷后效应。我们认为，在非反应环境中，当训练样本的数量相对较小时，应考虑到冷后效应的讨论，即大概贝叶斯推理并不能容易地提供对样本外数据的性能的保证。取而代之的是，通过泛化结合更好地描述了样本外误差。在这种情况下，我们探讨了各种推理与PAC-Bayes目标的ELBO目标之间的联系。我们注意到，虽然Elbo和Pac-Bayes目标相似，但后一个目标自然包含温度参数$ \ lambda $，不限于$ \ lambda = 1 $。对于回归和分类任务，在各向同性拉普拉斯与后部的近似值的情况下，我们展示了这种对温度参数的PAC-bayesian解释如何捕获冷后效应。

Acquiring labeled data is challenging in many machine learning applications with limited budgets. Active learning gives a procedure to select the most informative data points and improve data efficiency by reducing the cost of labeling. The info-max learning principle maximizing mutual information such as BALD has been successful and widely adapted in various active learning applications. However, this pool-based specific objective inherently introduces a redundant selection and further requires a high computational cost for batch selection. In this paper, we design and propose a new uncertainty measure, Balanced Entropy Acquisition (BalEntAcq), which captures the information balance between the uncertainty of underlying softmax probability and the label variable. To do this, we approximate each marginal distribution by Beta distribution. Beta approximation enables us to formulate BalEntAcq as a ratio between an augmented entropy and the marginalized joint entropy. The closed-form expression of BalEntAcq facilitates parallelization by estimating two parameters in each marginal Beta distribution. BalEntAcq is a purely standalone measure without requiring any relational computations with other data points. Nevertheless, BalEntAcq captures a well-diversified selection near the decision boundary with a margin, unlike other existing uncertainty measures such as BALD, Entropy, or Mean Standard Deviation (MeanSD). Finally, we demonstrate that our balanced entropy learning principle with BalEntAcq consistently outperforms well-known linearly scalable active learning methods, including a recently proposed PowerBALD, a simple but diversified version of BALD, by showing experimental results obtained from MNIST, CIFAR-100, SVHN, and TinyImageNet datasets.

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。

虽然已知辍学是一种成功的正规化技术，但仍缺乏对导致成功的机制的见解。我们介绍了\ emph {重量膨胀}的概念，这增加了由权重协方差矩阵的列或行载体跨越的并行曲线的签名体积，并表明重量膨胀是增加PAC中概括的有效手段。 - bayesian设置。我们提供了一个理论上的论点，即辍学会导致体重扩大和对辍学和体重扩张之间相关性的广泛经验支持。为了支持我们的假设，即可以将重量扩张视为增强的概括能力的\ emph {指示器}，而不仅仅是副产品，我们还研究了实现重量扩展的其他方法（resp。\ contraction \ contraction ），发现它们通常会导致（分别\ \降低）的概括能力。这表明辍学是一种有吸引力的正规化器，因为它是一种用于获得体重扩展的计算廉价方法。这种洞察力证明了辍学者作为正规化器的作用，同时为确定正规化器铺平了道路，这些正规化器有望通过体重扩张来改善概括。

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。

Active learning enables efficient model training by leveraging interactions between machine learning agents and human annotators. We study and propose a novel framework that formulates batch active learning from the sparse approximation's perspective. Our active learning method aims to find an informative subset from the unlabeled data pool such that the corresponding training loss function approximates its full data pool counterpart. We realize the framework as sparsity-constrained discontinuous optimization problems, which explicitly balance uncertainty and representation for large-scale applications and could be solved by greedy or proximal iterative hard thresholding algorithms. The proposed method can adapt to various settings, including both Bayesian and non-Bayesian neural networks. Numerical experiments show that our work achieves competitive performance across different settings with lower computational complexity.

指数族在机器学习中广泛使用，包括连续和离散域中的许多分布（例如，通过SoftMax变换，Gaussian，Dirichlet，Poisson和分类分布）。这些家庭中的每个家庭的分布都有固定的支持。相比之下，对于有限域而言，最近在SoftMax稀疏替代方案（例如Sparsemax，$ \ alpha $ -entmax和Fusedmax）的稀疏替代方案中导致了带有不同支持的分布。本文基于几种技术贡献，开发了连续分布的稀疏替代方案：首先，我们定义了$ \ omega $ regultion的预测图和任意域的Fenchel-young损失（可能是无限或连续的）。对于线性参数化的家族，我们表明，Fenchel-Young损失的最小化等效于统计的矩匹配，从而概括了指数家族的基本特性。当$ \ omega $是带有参数$ \ alpha $的Tsallis negentropy时，我们将获得````trabormed rompential指数）''，其中包括$ \ alpha $ -entmax和sparsemax和sparsemax（$ \ alpha = 2 $）。对于二次能量函数，产生的密度为$ \ beta $ -Gaussians，椭圆形分布的实例，其中包含特殊情况，即高斯，双重量级，三人级和epanechnikov密度，我们为差异而得出了差异的封闭式表达式， Tsallis熵和Fenchel-Young损失。当$ \ Omega $是总变化或Sobolev正常化程序时，我们将获得Fusedmax的连续版本。最后，我们引入了连续的注意机制，从\ {1、4/3、3/3、3/2、2 \} $中得出有效的梯度反向传播算法。使用这些算法，我们证明了我们的稀疏连续分布，用于基于注意力的音频分类和视觉问题回答，表明它们允许参加时间间隔和紧凑区域。

用于估计模型不确定性的线性拉普拉斯方法在贝叶斯深度学习社区中引起了人们的重新关注。该方法提供了可靠的误差线，并接受模型证据的封闭式表达式，从而可以选择模型超参数。在这项工作中，我们检查了这种方法背后的假设，尤其是与模型选择结合在一起。我们表明，这些与一些深度学习的标准工具（构成近似方法和归一化层）相互作用，并为如何更好地适应这种经典方法对现代环境提出建议。我们为我们的建议提供理论支持，并在MLP，经典CNN，具有正常化层，生成性自动编码器和变压器的剩余网络上进行经验验证它们。

通过强制了解输入中某些转换保留输出的知识，通常应用数据增强来提高深度学习的性能。当前，使用的数据扩大是通过人类的努力和昂贵的交叉验证来选择的，这使得应用于新数据集很麻烦。我们开发了一种基于梯度的方便方法，用于在没有验证数据的情况下和在深度神经网络的培训期间选择数据增强。我们的方法依赖于措辞增强作为先前分布的不变性，并使用贝叶斯模型选择学习，该模型已被证明在高斯过程中起作用，但尚未用于深神经网络。我们提出了一个可区分的Kronecker因拉普拉斯（Laplace）近似与边际可能性的近似，作为我们的目标，可以在没有人类监督或验证数据的情况下优化。我们表明，我们的方法可以成功地恢复数据中存在的不断增长，这提高了图像数据集的概括和数据效率。

我们表明，典型分类数据集的输入相关矩阵具有特征光谱，在尖锐的初始下降后，大量的小特征值均匀地分布在指数较大的范围内。这种结构反映在经过此数据训练的网络中：我们表明Hessian和Fisher Information Matrix（FIM）具有特征值，这些特征值均匀地散布在指数较大的范围上。我们称这种特征性称为“草率”，因为与小特征值相对应的一组重量可以通过大小不影响损失而改变。在非典型数据集上培训的具有非宽松输入的网络不会共享这些特征，并且在此类数据集上训练的深网概括了。受到这一点的启发，我们研究了以下假设：输入的斜率有助于深度网络中的概括。我们表明，如果Hessian草率很草率，我们可以通过分析地计算非呈现PAC-BAYES的概括。通过利用我们的经验观察，即训练主要发生在FIM的非宽松子空间中，我们开发了依赖数据分布的PAC-Bayes先验，从而通过数值优化导致准确的概括界限。