本文考虑了非线性状态空间模型的参数估计，这是一个重要但具有挑战性的问题。我们通过采用差异推理（VI）方法来应对这一挑战，该方法是一种与最大似然估计有着深厚的联系的原则方法。这种VI方法最终提供了对模型的估计，作为对优化问题的解决方案，该解决方案是确定性的，可进行的，可以使用标准优化工具来解决。还详细介绍了具有加性高斯噪声的系统的这种方法的专业化。在数值上对所提出的方法进行了数值检查，该方法涉及一系列的模拟和真实示例，重点是参数初始化的鲁棒性。此外，还与最先进的替代方案进行了有利的比较。

我们制定自然梯度变推理（VI），期望传播（EP），和后线性化（PL）作为牛顿法用于优化贝叶斯后验分布的参数扩展。这种观点明确地把数值优化框架下的推理算法。我们表明，通用近似牛顿法从优化文献，即高斯 - 牛顿和准牛顿方法（例如，该BFGS算法），仍然是这种“贝叶斯牛顿”框架下有效。这导致了一套这些都保证以产生半正定协方差矩阵，不像标准VI和EP新颖算法。我们统一的观点提供了新的见解各种推理方案之间的连接。所有提出的方法适用于具有高斯事先和非共轭的可能性，这是我们与（疏）高斯过程和状态空间模型展示任何模型。

本论文主要涉及解决深层（时间）高斯过程（DGP）回归问题的状态空间方法。更具体地，我们代表DGP作为分层组合的随机微分方程（SDES），并且我们通过使用状态空间过滤和平滑方法来解决DGP回归问题。由此产生的状态空间DGP（SS-DGP）模型生成丰富的电视等级，与建模许多不规则信号/功能兼容。此外，由于他们的马尔可道结构，通过使用贝叶斯滤波和平滑方法可以有效地解决SS-DGPS回归问题。本论文的第二次贡献是我们通过使用泰勒力矩膨胀（TME）方法来解决连续离散高斯滤波和平滑问题。这诱导了一类滤波器和SmooThers，其可以渐近地精确地预测随机微分方程（SDES）解决方案的平均值和协方差。此外，TME方法和TME过滤器和SmoOthers兼容模拟SS-DGP并解决其回归问题。最后，本文具有多种状态 - 空间（深）GPS的应用。这些应用主要包括（i）来自部分观察到的轨迹的SDES的未知漂移功能和信号的光谱 - 时间特征估计。

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。

各种科学和工程领域使用参数化机制模型。工程师和科学家通常可以假设几个竞争模型来解释特定的过程或现象。考虑一个模特歧视设置，我们希望找到最佳机械，动态模型候选者和最佳模型参数估计。通常，若干竞争机械模型可以解释可用数据，因此通过找到最大化模型预测发散的实验设置，可以通过找到最大化模型预测发散的实验设置来实现最佳地收集额外数据的动态实验。我们争论文献中有两种主要方法，用于解决最佳设计问题：（i）分析方法，使用线性和高斯近似来找设计目标的闭合表达式，以及（ii）数据驱动方法，这通常依赖于计算密集的蒙特卡罗技术。 olofsson等人。 （ICML 35,2018）介绍了高斯工艺（GP）替代模型来杂交的分析和数据驱动方法，这允许计算的实验设计，以识别黑盒式模型。在这项研究中，我们证明我们可以扩展现有的动态实验设计方法，以纳入更广泛的问题不确定性。我们还延伸了Olofsson等人。 （2018）使用GP代理模型来辨别动态黑盒式模型的方法。我们在文献中的着名案例研究中评估了我们的方法，并探讨了使用GP代理到近似基于梯度的方法的后果。

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.

基于近似基础的Koopman操作员或发电机的数据驱动的非线性动力系统模型已被证明是预测，功能学习，状态估计和控制的成功工具。众所周知，用于控制膜系统的Koopman发电机还对输入具有仿射依赖性，从而导致动力学的方便有限维双线性近似。然而，仍然存在两个主要障碍，限制了当前方法的范围，以逼近系统的koopman发电机。首先，现有方法的性能在很大程度上取决于要近似Koopman Generator的基础函数的选择；目前，目前尚无通用方法来为无法衡量保存的系统选择它们。其次，如果我们不观察到完整的状态，我们可能无法访问足够丰富的此类功能来描述动态。这是因为在有驱动时，通常使用时间延迟的可观察物的方法失败。为了解决这些问题，我们将Koopman Generator控制的可观察到的动力学写为双线性隐藏Markov模型，并使用预期最大化（EM）算法确定模型参数。 E-Step涉及标准的Kalman滤波器和更光滑，而M-Step类似于发电机的控制效果模式分解。我们在三个示例上证明了该方法的性能，包括恢复有限的Koopman-Invariant子空间，用于具有缓慢歧管的驱动系统；估计非强制性行驶方程的Koopman本征函数；仅基于提升和阻力的嘈杂观察，对流体弹球系统的模型预测控制。

在这项工作中，我们证明了如何通过预期最大化算法来处理随机和风险敏感的最佳控制问题。我们展示了这种处理如何实现为两个独立的迭代程序，每个迭代程序都会产生一个独特但密切相关的密度函数序列。我们激励将这些密度解释为信念，将ERGO作为确定性最佳政策的概率代理。更正式的两个固定点迭代方案是根据代表可靠的期望最大化方法的确定性最佳策略一致的固定点得出的。我们倾向于指出我们的结果与控制范式密切相关。在此推理中的控制是指旨在将最佳控制作为概率推断的实例的方法集合。尽管所说的范式已经导致了几种强大的强化学习算法的发展，但基本问题陈述通常是由目的论论证引入的。我们认为，目前的结果表明，较早的控制作为推理框架实际上将一个步骤与所提出的迭代程序中的一个步骤隔离。在任何情况下，本疗法都为他们提供了有效性的义学论点。通过暴露基本的技术机制，我们旨在为控制作为一种推断为取代当前最佳控制范式的框架的普遍接受。为了激发提出的治疗的普遍相关性，我们在勾勒出未来算法开发的大纲之前，进一步讨论了与路径积分控制和其他研究领域的相似之处。

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。

Normalizing flows provide a general mechanism for defining expressive probability distributions, only requiring the specification of a (usually simple) base distribution and a series of bijective transformations. There has been much recent work on normalizing flows, ranging from improving their expressive power to expanding their application. We believe the field has now matured and is in need of a unified perspective. In this review, we attempt to provide such a perspective by describing flows through the lens of probabilistic modeling and inference. We place special emphasis on the fundamental principles of flow design, and discuss foundational topics such as expressive power and computational trade-offs. We also broaden the conceptual framing of flows by relating them to more general probability transformations. Lastly, we summarize the use of flows for tasks such as generative modeling, approximate inference, and supervised learning.

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。

最近的反对抗性系统设计问题促使贝叶斯过滤器的反向发展。例如，最近已经制定了逆卡尔曼过滤器（I-KF），以估算对手的卡尔曼滤波器跟踪估计值，因此可以预测对手的未来步骤。本文和伴随论文（第一部分）的目的是通过提出反向扩展的卡尔曼过滤器（I-EKF）来解决非线性系统中的反过滤问题。在同伴论文（第一部分）中，我们发展了I-EKF（有或没有未知输入）和I-KF（未知输入）的理论。在本文中，我们为高度非线性模型开发了这一理论，该模型采用了二阶，高斯总和和抖动的前向EKF。特别是，我们使用有界的非线性方法来得出二阶EKF的理论稳定性保证。为了解决系统模型和正向滤波器对防御者完全知道的标准I-EKF的限制，我们建议复制核基于Hilbert Space基于空间的EKF，以根据其观察值学习未知的系统动力学，可以用作该动态反向过滤器推断对手的估计值。数值实验证明了使用递归的cram \'{e} r-rao下限作为基准测试的拟议过滤器的状态估计性能。

它已被广泛记录说粒子过滤器中的采样和重采样步骤不能差异化。介绍{\ itshape Reparameterisisisisisation技巧}以允许采样步骤重新重整为可微分功能。我们扩展{\ itshape Reparameterisisisation Trick}以包括重采样的随机输入，因此在此步骤之后限制了梯度计算中的不连续性。了解先前和可能性的梯度允许我们运行粒子马尔可夫链蒙特卡罗（P-MCMC）并在估算参数时使用No-U转样采样器（螺母）作为提案。我们将大都市调整后的Langevin算法（MALA）进行比较，汉密尔顿蒙特卡罗与不同数量的步骤和坚果。我们考虑两个状态空间模型，并表明坚果改善了马尔可夫链的混合，可以在较少的计算时间内产生更准确的结果。

度量的运输提供了一种用于建模复杂概率分布的多功能方法，并具有密度估计，贝叶斯推理，生成建模及其他方法的应用。单调三角传输地图$ \ unicode {x2014} $近似值$ \ unicode {x2013} $ rosenblatt（kr）重新安排$ \ unicode {x2014} $是这些任务的规范选择。然而，此类地图的表示和参数化对它们的一般性和表现力以及对从数据学习地图学习（例如，通过最大似然估计）出现的优化问题的属性产生了重大影响。我们提出了一个通用框架，用于通过平滑函数的可逆变换来表示单调三角图。我们建立了有关转化的条件，以使相关的无限维度最小化问题没有伪造的局部最小值，即所有局部最小值都是全球最小值。我们展示了满足某些尾巴条件的目标分布，唯一的全局最小化器与KR地图相对应。鉴于来自目标的样品，我们提出了一种自适应算法，该算法估计了基础KR映射的稀疏半参数近似。我们证明了如何将该框架应用于关节和条件密度估计，无可能的推断以及有向图形模型的结构学习，并在一系列样本量之间具有稳定的概括性能。

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。

我们开发了一个计算程序，以估计具有附加噪声的半摩托车高斯过程回归模型的协方差超参数。也就是说，提出的方法可用于有效估计相关误差的方差，以及基于最大化边际似然函数的噪声方差。我们的方法涉及适当地降低超参数空间的维度，以简化单变量的根发现问题的估计过程。此外，我们得出了边际似然函数及其衍生物的边界和渐近线，这对于缩小高参数搜索的初始范围很有用。使用数值示例，我们证明了与传统参数优化相比，提出方法的计算优势和鲁棒性。

我们考虑了使用显微镜或X射线散射技术产生的图像数据自组装的模型的贝叶斯校准。为了说明BCP平衡结构中的随机远程疾病，我们引入了辅助变量以表示这种不确定性。然而，这些变量导致了高维图像数据的综合可能性，通常可以评估。我们使用基于测量运输的可能性方法以及图像数据的摘要统计数据来解决这一具有挑战性的贝叶斯推理问题。我们还表明，可以计算出有关模型参数的数据中的预期信息收益（EIG），而无需额外的成本。最后，我们介绍了基于二嵌段共聚物薄膜自组装和自上而下显微镜表征的ohta-kawasaki模型的数值案例研究。为了进行校准，我们介绍了一些基于域的能量和傅立叶的摘要统计数据，并使用EIG量化了它们的信息性。我们证明了拟议方法研究数据损坏和实验设计对校准结果的影响的力量。

The purpose of this paper is to explore the use of deep learning for the solution of the nonlinear filtering problem. This is achieved by solving the Zakai equation by a deep splitting method, previously developed for approximate solution of (stochastic) partial differential equations. This is combined with an energy-based model for the approximation of functions by a deep neural network. This results in a computationally fast filter that takes observations as input and that does not require re-training when new observations are received. The method is tested on four examples, two linear in one and twenty dimensions and two nonlinear in one dimension. The method shows promising performance when benchmarked against the Kalman filter and the bootstrap particle filter.

This paper revisits the work of Rauch et al. (1965) and develops a novel method for recursive maximum likelihood particle filtering for general state-space models. The new method is based on statistical analysis of incomplete observations of the systems. Score function and conditional observed information of the incomplete observations/data are introduced and their distributional properties are discussed. Some identities concerning the score function and information matrices of the incomplete data are derived. Maximum likelihood estimation of state-vector is presented in terms of the score function and observed information matrices. In particular, to deal with nonlinear state-space, a sequential Monte Carlo method is developed. It is given recursively by an EM-gradient-particle filtering which extends the work of Lange (1995) for state estimation. To derive covariance matrix of state-estimation errors, an explicit form of observed information matrix is proposed. It extends Louis (1982) general formula for the same matrix to state-vector estimation. Under (Neumann) boundary conditions of state transition probability distribution, the inverse of this matrix coincides with the Cramer-Rao lower bound on the covariance matrix of estimation errors of unbiased state-estimator. In the case of linear models, the method shows that the Kalman filter is a fully efficient state estimator whose covariance matrix of estimation error coincides with the Cramer-Rao lower bound. Some numerical examples are discussed to exemplify the main results.

广义贝叶斯推理使用损失函数而不是可能性的先前信仰更新，因此可以用于赋予鲁棒性，以防止可能的错误规范的可能性。在这里，我们认为广泛化的贝叶斯推论斯坦坦差异作为损失函数的损失，由应用程序的可能性含有难治性归一化常数。在这种情况下，斯坦因差异来避免归一化恒定的评估，并产生封闭形式或使用标准马尔可夫链蒙特卡罗的通用后出版物。在理论层面上，我们显示了一致性，渐近的正常性和偏见 - 稳健性，突出了这些物业如何受到斯坦因差异的选择。然后，我们提供关于一系列棘手分布的数值实验，包括基于内核的指数家庭模型和非高斯图形模型的应用。