分层模型代表了推理算法的挑战性设置。 MCMC方法难以扩展到具有许多局部变量和观测值的大型模型，并且由于使用简单的变异家族，变异推理（VI）可能无法提供准确的近似值。一些变异方法（例如，重要性加权VI）整合了蒙特卡洛方法以提供更好的准确性，但是这些方法往往不适合层次模型，因为它们不允许亚采样，并且其性能往往会降低高维模型。我们基于分别针对每组局部随机变量的拧紧方法（例如重要性加权）的应用，为分层模型提出了一个新的差异界限家族。我们表明，我们的方法自然允许使用子采样来获得公正的梯度，并且它完全利用了通过在较低维空间中独立应用它们来建立更紧密的下限的方法的力量基线。

许多方法都存在基于未经调整的Langevin过渡的强大变分分布的方法。其中大多数是使用多种不同方法和技术开发的。不幸的是，缺乏统一的分析和推导使开发新方法和关于现有方法的推理成为具有挑战性的任务。我们解决了这一分析，该分析统一并概括了这些现有技术。主要思想是通过数值模拟阻尼不足的Langevin扩散过程及其时间逆转来增强目标和变异性。这种方法的好处是双重的：它为许多现有方法提供了统一的配方，并简化了新的方法。实际上，使用我们的公式，我们提出了一种结合先前现有算法的优势的新方法。它使用了不足的Langevin过渡和通过分数网络参数参数的强大增强。我们的经验评估表明，我们提出的方法在广泛的任务中始终优于相关基线。

由于本地潜在变量的数量与数据集缩放，因此难以使用分层模型中的变分推理。因此，分层模型中的推断仍然是大规模的挑战。使用与后部匹配的结构进行变形家庭是有帮助的，但由于局部分布的巨大数量，优化仍然缓慢。相反，本文建议摊销方法，其中共享参数同时表示所有本地分布。这种方法类似地是使用给定的联合分布（例如，全级高斯），但在数据集上是可行的，这些数量幅度较大。它也比使用结构化的变分布速度更快。

The choice of approximate posterior distribution is one of the core problems in variational inference. Most applications of variational inference employ simple families of posterior approximations in order to allow for efficient inference, focusing on mean-field or other simple structured approximations. This restriction has a significant impact on the quality of inferences made using variational methods. We introduce a new approach for specifying flexible, arbitrarily complex and scalable approximate posterior distributions. Our approximations are distributions constructed through a normalizing flow, whereby a simple initial density is transformed into a more complex one by applying a sequence of invertible transformations until a desired level of complexity is attained. We use this view of normalizing flows to develop categories of finite and infinitesimal flows and provide a unified view of approaches for constructing rich posterior approximations. We demonstrate that the theoretical advantages of having posteriors that better match the true posterior, combined with the scalability of amortized variational approaches, provides a clear improvement in performance and applicability of variational inference.

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。

退火重要性采样（AIS）是一种流行的算法，用于估计深层生成模型的棘手边际可能性。尽管AIS可以保证为任何一组超参数提供无偏估计，但共同的实现依赖于简单的启发式方法，例如初始和目标分布之间的几何平均桥接分布，这些分布在计算预算有限时会影响估计性性能。由于使用Markov过渡中的大都市磨碎（MH）校正步骤，因此对完全参数AI的优化仍然具有挑战性。我们提出一个具有灵活中间分布的参数AIS过程，并优化桥接分布以使用较少数量的采样步骤。一种重新聚集方法，它允许我们优化分布序列和Markov转换的参数，该参数适用于具有MH校正的大型Markov内核。我们评估了优化AIS的性能，以进行深层生成模型的边际可能性估计，并将其与其他估计器进行比较。

我们提出了连续重复的退火流传输蒙特卡洛（CRAFT），该方法结合了顺序的蒙特卡洛（SMC）采样器（本身是退火重要性采样的概括）与使用归一化流量的变异推断。直接训练了归一化的流量，可用于使用KL差异进行每个过渡，以在退火温度之间运输。使用归一化流/SMC近似值估算了此优化目标。我们从概念上展示并使用多个经验示例，这些示例可以改善退火流运输蒙特卡洛（Arbel等，2021），并在其上建造，也可以在基于马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）基于基于的随机归一化流（Wu等人。2020）。通过将工艺纳入粒子MCMC中，我们表明，这种学识渊博的采样器可以在具有挑战性的晶格场理论示例中获得令人印象深刻的准确结果。

变异推理通常从近似分布q到后p中最小化“反向” kullbeck-leibeler（kl）kl（q || p）。最近的工作研究“正向” KL KL（P || Q），它与反向KL不同并不能导致低估不确定性的变异近似值。本文介绍了运输评分攀登（TSC），该方法通过使用汉密尔顿蒙特卡洛（HMC）和新型的自适应传输图来优化KL（P || Q）。传输图通过充当潜在变量空间和扭曲空间之间变量的变化来改善HMC的轨迹。TSC使用HMC样品在优化KL时动态训练传输图（P || Q）。TSC利用协同作用，在该协同作用下，更好的运输地图会导致更好的HMC采样，从而导致更好的传输地图。我们在合成和真实数据上演示了TSC。我们发现，在训练大规模数据的变异自动编码器时，TSC可以实现竞争性能。

变分推理是一种强大的范例，用于近似贝叶斯推论，具有许多吸引人的属性，包括支持模型学习和数据分配。通过对比MCMC方法，如Hamiltonian Monte Carlo不共享这些属性，但由于与参数方法相反，因此仍然有吸引力，因此MCMC是无偏见的。由于这些原因，研究人员试图将两类算法的优势结合起来，最近的方法更接近在实践中实现这一愿景。然而，支持这些混合方法中的数据分配可能是一个挑战，通过引入可以与其他变分参数共同学习的替代可能性来解决的缺点。从理论上，理论上我们认为所产生的算法允许用户在推理保真度和计算成本之间进行直观的折衷。在一个广泛的经验比较中，我们表明我们的方法在实践中表现良好，并且它非常适合在概率编程框架中的黑匣子推断。

最近推出的热集成技术已经了解并改善变推理（VI），提供了一个新的框架。在这项工作中，我们提出了热力学变目标（TVO）的仔细分析，弥合现有的变分目标和脱落的新见解，以推动该领域的差距。特别是，我们阐明了如何将TVO自然连接三个关键变方案，即重要性加权VI，仁义-VI，和MCMC-VI，它包含了最VI目标在实践中采用。为了解释理论和实践之间的性能差距，我们揭示热力学曲线的病理几何形状是如何产生负面影响TVO。通过推广加权平均持有人从几何平均值的整合路径，我们扩展TVO的理论和发现提高VI新的机遇。这促使我们的新VI的目标，命名为持有人的边界，这拼合热力学曲线和承诺，以实现精确的边缘数似然的一步逼近。提供对数字估计的选择的全面讨论。我们目前的合成和真实世界的数据集强有力的实证证据来支持我们的要求。

引入后二十年多，退火重要性采样（AIS）仍然是边际可能性估计的最有效方法之一。它依赖于一系列分布序列在可聊天的初始分布和利益的目标分布之间插值，我们从大约使用非均匀的马尔可夫链中模拟了分布。为了获得边际可能性的重要性采样估计，AIS引入了扩展的目标分布，以重新持续马尔可夫链提案。尽管已经大量努力通过更改AIS使用的提案分布，通过更改中间分布和相应的马尔可夫内核，但不被评估的问题是AIS使用方便但次优的扩展目标分布。这可能会阻碍其性能。我们在这里利用基于分数的生成建模（SGM）的最新进展来近似与Langevin和Hamiltonian Dynamics离散化相对应的AIS建议的最佳扩展目标分布。我们在许多合成基准分布和变异自动编码器上展示了这些新颖的，可区分的AIS程序。

Leveraging well-established MCMC strategies, we propose MCMC-interactive variational inference (MIVI) to not only estimate the posterior in a time constrained manner, but also facilitate the design of MCMC transitions. Constructing a variational distribution followed by a short Markov chain that has parameters to learn, MIVI takes advantage of the complementary properties of variational inference and MCMC to encourage mutual improvement. On one hand, with the variational distribution locating high posterior density regions, the Markov chain is optimized within the variational inference framework to efficiently target the posterior despite a small number of transitions. On the other hand, the optimized Markov chain with considerable flexibility guides the variational distribution towards the posterior and alleviates its underestimation of uncertainty. Furthermore, we prove the optimized Markov chain in MIVI admits extrapolation, which means its marginal distribution gets closer to the true posterior as the chain grows. Therefore, the Markov chain can be used separately as an efficient MCMC scheme. Experiments show that MIVI not only accurately and efficiently approximates the posteriors but also facilitates designs of stochastic gradient MCMC and Gibbs sampling transitions.

概率分布允许从业者发现数据中的隐藏结构，并构建模型，以使用有限的数据解决监督的学习问题。该报告的重点是变异自动编码器，这是一种学习大型复杂数据集概率分布的方法。该报告提供了对变异自动编码器的理论理解，并巩固了该领域的当前研究。该报告分为多个章节，第一章介绍了问题，描述了变异自动编码器并标识了该领域的关键研究方向。第2、3、4和5章深入研究了每个关键研究领域的细节。第6章总结了报告，并提出了未来工作的指示。具有机器学习基本思想但想了解机器学习研究中的一般主题的读者可以从报告中受益。该报告解释了有关学习概率分布的中心思想，人们为使这种危险做些什么，并介绍了有关当前如何应用深度学习的细节。该报告还为希望为这个子场做出贡献的人提供了温和的介绍。

How can we perform efficient inference and learning in directed probabilistic models, in the presence of continuous latent variables with intractable posterior distributions, and large datasets? We introduce a stochastic variational inference and learning algorithm that scales to large datasets and, under some mild differentiability conditions, even works in the intractable case. Our contributions is two-fold. First, we show that a reparameterization of the variational lower bound yields a lower bound estimator that can be straightforwardly optimized using standard stochastic gradient methods. Second, we show that for i.i.d. datasets with continuous latent variables per datapoint, posterior inference can be made especially efficient by fitting an approximate inference model (also called a recognition model) to the intractable posterior using the proposed lower bound estimator. Theoretical advantages are reflected in experimental results.

标准化流是可易处理的密度模型，可以近似复杂的目标分布，例如物理系统的玻尔兹曼分布。但是，当前的训练流量要么具有寻求模式的行为，要么使用昂贵的MCMC模拟事先生成的目标样本，要么使用具有很高差异的随机损失。为了避免这些问题，我们以退火重要性采样（AIS）增强流量，并最大程度地减少覆盖$ \ alpha $ -divergence的质量，并使用$ \ alpha = 2 $，从而最大程度地减少了重要性的重量差异。我们的方法是流动性Bootstrap（Fab），使用AIS在流动较差的目标区域中生成样品，从而促进了新模式的发现。我们以AIS的最小差异分布来定位，以通过重要性抽样来估计$ \ alpha $ -Divergence。我们还使用优先的缓冲区来存储和重复使用AIS样本。这两个功能显着提高了Fab的性能。我们将FAB应用于复杂的多模式目标，并表明我们可以在以前的方法失败的情况下非常准确地近似它们。据我们所知，我们是第一个仅使用非均衡目标密度学习丙氨酸二肽分子的玻璃体分布，而无需通过分子动力学（MD）模拟生成的样品：FAB与通过最大可能性训练更好的效果，而不是通过最大可能性产生的结果。在MD样品上使用100倍的目标评估。在重新获得重要权重的样品后，我们获得了与地面真相几乎相同的二面角的无偏直方图。

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。

马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC），例如langevin Dynamics，有效地近似顽固的分布。但是，由于昂贵的数据采样迭代和缓慢的收敛性，它的用法在深层可变模型的背景下受到限制。本文提出了摊销的langevin Dynamics（ALD），其中数据划分的MCMC迭代完全被编码器的更新替换为将观测值映射到潜在变量中。这种摊销可实现有效的后验采样，而无需数据迭代。尽管具有效率，但我们证明ALD是MCMC算法有效的，其马尔可夫链在轻度假设下将目标后部作为固定分布。基于ALD，我们还提出了一个名为Langevin AutoCodeer（LAE）的新的深层变量模型。有趣的是，可以通过稍微修改传统自动编码器来实现LAE。使用多个合成数据集，我们首先验证ALD可以从目标后代正确获取样品。我们还在图像生成任务上评估了LAE，并证明我们的LAE可以根据变异推断（例如变异自动编码器）和其他基于MCMC的方法在测试可能性方面胜过现有的方法。

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。

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。

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.