深度学习在复杂的模式识别任务上表现出色，例如图像分类和对象识别。但是，它与需要非平凡推理的任务（例如算法计算）斗争。人类能够通过迭代推理来解决此类任务 - 花更多的时间思考更艰难的任务。但是，大多数现有的神经网络都表现出由神经网络体系结构控制的固定计算预算，从而阻止了对更艰难任务的其他计算处理。在这项工作中，我们为神经网络提供了一个新的迭代推理框架。我们训练神经网络以在所有输出上参数化能量景观，并实施迭代推理的每个步骤，作为能量最小化步骤，以找到最小的能量解决方案。通过将推理作为一个能量最小化问题，对于导致更复杂的能源景观的更严重的问题，我们可以通过运行更复杂的优化程序来调整我们的基本计算预算。我们从经验上说明，我们的迭代推理方法可以在图和连续域中解决更准确和可推广的算法推理任务。最后，我们说明我们的方法可以递归解决需要嵌套推理的算法问题

组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。

人类能够利用先前经验中提取的概念快速了解场景。这些概念是多种多样的，包括全局场景描述符，例如天气或照明，以及局部场景描述符，例如特定对象的颜色或大小。到目前为止，无人监督的概念发现侧重于建模全局场景级别或局部对象级别因素，但不是两者。在这项工作中，我们提出了Comet，它发现并代表概念作为单独的能量函数，使我们能够代表全局概念以及统一框架下的对象。彗星通过重新编译输入图像来发现能源功能，我们发现没有额外监督的情况下捕获独立因素。 COMET中的样品生成作为基础能量函数的优化过程，使我们能够使用置换和组成的概念生成图像。最后，在COMET中发现了视觉概念概括，使我们能够在单独的图像模式之间以及由在不同数据集上训练的彗星的单独实例发现的其他概念来构思概念。 https://energy-based-model.github.io/comet/可用的代码和数据。

我们提出了一个通用图形神经网络体系结构，可以作为任何约束满意度问题（CSP）作为末端2端搜索启发式训练。我们的体系结构可以通过政策梯度下降进行无监督的培训，以纯粹的数据驱动方式为任何CSP生成问题的特定启发式方法。该方法基于CSP的新型图表，既是通用又紧凑的，并且使我们能够使用一个GNN处理所有可能的CSP实例，而不管有限的Arity，关系或域大小。与以前的基于RL的方法不同，我们在全局搜索动作空间上运行，并允许我们的GNN在随机搜索的每个步骤中修改任何数量的变量。这使我们的方法能够正确利用GNN的固有并行性。我们进行了彻底的经验评估，从随机数据（包括图形着色，Maxcut，3-SAT和Max-K-Sat）中学习启发式和重要的CSP。我们的方法表现优于先验的神经组合优化的方法。它可以在测试实例上与常规搜索启发式竞争，甚至可以改善几个数量级，结构上比训练中看到的数量级更为复杂。

Deep neural networks provide unprecedented performance gains in many real world problems in signal and image processing. Despite these gains, future development and practical deployment of deep networks is hindered by their blackbox nature, i.e., lack of interpretability, and by the need for very large training sets. An emerging technique called algorithm unrolling or unfolding offers promise in eliminating these issues by providing a concrete and systematic connection between iterative algorithms that are used widely in signal processing and deep neural networks. Unrolling methods were first proposed to develop fast neural network approximations for sparse coding. More recently, this direction has attracted enormous attention and is rapidly growing both in theoretic investigations and practical applications. The growing popularity of unrolled deep networks is due in part to their potential in developing efficient, high-performance and yet interpretable network architectures from reasonable size training sets. In this article, we review algorithm unrolling for signal and image processing. We extensively cover popular techniques for algorithm unrolling in various domains of signal and image processing including imaging, vision and recognition, and speech processing. By reviewing previous works, we reveal the connections between iterative algorithms and neural networks and present recent theoretical results. Finally, we provide a discussion on current limitations of unrolling and suggest possible future research directions.

在学识表的迅速推进的地区，几乎所有方法都训练了从输入状态直接预测未来状态的前进模型。然而，许多传统的仿真引擎使用基于约束的方法而不是直接预测。这里我们提出了一种基于约束的学习仿真的框架，其中标量约束函数被实现为神经网络，并且将来的预测被计算为在这些学习的约束下的优化问题的解决方案。我们使用图形神经网络作为约束函数和梯度下降作为约束求解器来实现我们的方法。架构可以通过标准的backprojagation培训。我们在各种具有挑战性的物理领域中测试模型，包括模拟绳索，弹跳球，碰撞不规则形状和飞溅液。我们的模型可实现更好或更具可比性的性能，以获得最佳学习的模拟器。我们模型的一个关键优势是能够在测试时间概括到更多求解器迭代，以提高模拟精度。我们还展示了如何在测试时间内添加手工制定的约束，以满足培训数据中不存在的目标，这是不可能的前进方法。我们的约束框架适用于使用前进学习模拟器的任何设置，并演示了学习的模拟器如何利用额外的归纳偏差以及来自数值方法领域的技术。

本文介绍了OptNet，该网络架构集成了优化问题（这里，专门以二次程序的形式），作为较大端到端可训练的深网络中的单个层。这些层在隐藏状态之间编码约束和复杂依赖性，传统的卷积和完全连接的层通常无法捕获。我们探索这种架构的基础：我们展示了如何使用敏感性分析，彼得优化和隐式差分的技术如何通过这些层和相对于层参数精确地区分;我们为这些层开发了一种高效的解算器，用于利用基于GPU的基于GPU的批处理在原始 - 双内部点法中解决，并且在求解的顶部几乎没有额外的成本提供了反向衰减梯度;我们突出了这些方法在几个问题中的应用。在一个值得注意的示例中，该方法学习仅在输入和输出游戏中播放Mini-sudoku（4x4），没有关于游戏规则的a-priori信息;这突出了OptNet比其他神经架构更好地学习硬限制的能力。

神经网络的经典发展主要集中在有限维欧基德空间或有限组之间的学习映射。我们提出了神经网络的概括，以学习映射无限尺寸函数空间之间的运算符。我们通过一类线性积分运算符和非线性激活函数的组成制定运营商的近似，使得组合的操作员可以近似复杂的非线性运算符。我们证明了我们建筑的普遍近似定理。此外，我们介绍了四类运算符参数化：基于图形的运算符，低秩运算符，基于多极图形的运算符和傅里叶运算符，并描述了每个用于用每个计算的高效算法。所提出的神经运营商是决议不变的：它们在底层函数空间的不同离散化之间共享相同的网络参数，并且可以用于零击超分辨率。在数值上，与现有的基于机器学习的方法，达西流程和Navier-Stokes方程相比，所提出的模型显示出卓越的性能，而与传统的PDE求解器相比，与现有的基于机器学习的方法有关的基于机器学习的方法。

This paper surveys the recent attempts, both from the machine learning and operations research communities, at leveraging machine learning to solve combinatorial optimization problems. Given the hard nature of these problems, state-of-the-art algorithms rely on handcrafted heuristics for making decisions that are otherwise too expensive to compute or mathematically not well defined. Thus, machine learning looks like a natural candidate to make such decisions in a more principled and optimized way. We advocate for pushing further the integration of machine learning and combinatorial optimization and detail a methodology to do so. A main point of the paper is seeing generic optimization problems as data points and inquiring what is the relevant distribution of problems to use for learning on a given task.

We present the Neural Satisfiability Network (NSNet), a general neural framework that models satisfiability problems as probabilistic inference and meanwhile exhibits proper explainability. Inspired by the Belief Propagation (BP), NSNet uses a novel graph neural network (GNN) to parameterize BP in the latent space, where its hidden representations maintain the same probabilistic interpretation as BP. NSNet can be flexibly configured to solve both SAT and #SAT problems by applying different learning objectives. For SAT, instead of directly predicting a satisfying assignment, NSNet performs marginal inference among all satisfying solutions, which we empirically find is more feasible for neural networks to learn. With the estimated marginals, a satisfying assignment can be efficiently generated by rounding and executing a stochastic local search. For #SAT, NSNet performs approximate model counting by learning the Bethe approximation of the partition function. Our evaluations show that NSNet achieves competitive results in terms of inference accuracy and time efficiency on multiple SAT and #SAT datasets.

通常通过将许多输入张量汇总为单个表示形式来处理神经网络中神经网络中的处理集或其他无序的，潜在的变化大小的输入。尽管从简单的汇总到多头关注已经存在许多聚合方法，但从理论和经验的角度来看，它们的代表力都受到限制。在搜索主要功能更强大的聚合策略时，我们提出了一种基于优化的方法，称为平衡聚​​集。我们表明，许多现有的聚合方法可以作为平衡聚集的特殊情况恢复，并且在某些重要情况下，它效率更高。在许多现有的架构和应用中，平衡聚集可以用作置换式替换。我们在三个不同的任务上验证其效率：中值估计，班级计数和分子性质预测。在所有实验中，平衡聚集的性能都比我们测试的其他聚合技术更高。

许多机器学习方法通过在推理时反转神经网络来运作，这已成为解决计算机视觉，机器人技术和图形中反向问题的流行技术。但是，这些方法通常涉及高度非凸损失景观的梯度下降，从而导致优化过程不稳定和缓慢。我们介绍了一种学习损失景观的方法，其中梯度下降是有效的，从而为反转过程带来了巨大的改进和加速。我们在许多生成和判别任务的方法上证明了这一优势，包括GAN倒置，对抗防御和3D人类姿势重建。

神经网络是强大的功能估计器，导致其作为建模结构化数据的首选范式的地位。但是，与其他强调问题模块化的结构化表示不同，例如因子图 - 神经网络通常是从输入到输出的单片映射，并具有固定的计算顺序。这种限制阻止他们捕获模型变量之间的不同计算方向和相互作用。在本文中，我们结合了因子图和神经网络的代表性强度，提出了无向神经网络（UNNS）：一个灵活的框架，用于指定可以按任何顺序执行的计算。对于特定的选择，我们提出的模型集成并扩展了许多现有的架构：带有隐式层的馈电，经常性，自我发项网络，自动编码器和网络。我们在一系列任务上展示了无方向性的神经体系结构的有效性：受树约束依赖性解析，卷积图像分类和序列完成。通过改变计算顺序，我们展示了如何同时将单个UNN用作分类器和原型发生器，以及它如何填充输入序列的缺失部分，从而使它们成为进一步研究的有希望的领域。

深度学习使用由其重量进行参数化的神经网络。通常通过调谐重量来直接最小化给定损耗功能来训练神经网络。在本文中，我们建议将权重重新参数转化为网络中各个节点的触发强度的目标。给定一组目标，可以计算使得发射强度最佳地满足这些目标的权重。有人认为，通过我们称之为级联解压缩的过程，使用培训的目标解决爆炸梯度的问题，并使损失功能表面更加光滑，因此导致更容易，培训更快，以及潜在的概括，神经网络。它还允许更容易地学习更深层次和经常性的网络结构。目标对重量的必要转换有额外的计算费用，这是在许多情况下可管理的。在目标空间中学习可以与现有的神经网络优化器相结合，以额外收益。实验结果表明了使用目标空间的速度，以及改进的泛化的示例，用于全连接的网络和卷积网络，以及调用和处理长时间序列的能力，并使用经常性网络进行自然语言处理。

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。

回溯搜索算法通常用于解决约束满足问题（CSP）。回溯搜索的效率在很大程度上取决于可变排序启发式。目前，最常用的启发式是根据专家知识进行手工制作的。在本文中，我们提出了一种基于深度的加强学习方法，可以自动发现新的变量订购启发式，更好地适用于给定类CSP实例。我们显示，直接优化搜索成本很难用于自动启动，并建议优化在搜索树中到达叶节点的预期成本。为了捕获变量和约束之间的复杂关系，我们设计基于图形神经网络的表示方案，可以处理具有不同大小和约束的CSP实例。随机CSP实例上的实验结果表明，学习的政策在最小化搜索树大小的方面优于古典手工制作的启发式，并且可以有效地推广到比训练中使用的实例。

FIG. 1. Schematic diagram of a Variational Quantum Algorithm (VQA). The inputs to a VQA are: a cost function C(θ), with θ a set of parameters that encodes the solution to the problem, an ansatz whose parameters are trained to minimize the cost, and (possibly) a set of training data {ρ k } used during the optimization. Here, the cost can often be expressed in the form in Eq. ( 3), for some set of functions {f k }. Also, the ansatz is shown as a parameterized quantum circuit (on the left), which is analogous to a neural network (also shown schematically on the right). At each iteration of the loop one uses a quantum computer to efficiently estimate the cost (or its gradients). This information is fed into a classical computer that leverages the power of optimizers to navigate the cost landscape C(θ) and solve the optimization problem in Eq. ( 1). Once a termination condition is met, the VQA outputs an estimate of the solution to the problem. The form of the output depends on the precise task at hand. The red box indicates some of the most common types of outputs.

机器人和与世界相互作用或互动的机器人和智能系统越来越多地被用来自动化各种任务。这些系统完成这些任务的能力取决于构成机器人物理及其传感器物体的机械和电气部件，例如，感知算法感知环境，并计划和控制算法以生产和控制算法来生产和控制算法有意义的行动。因此，通常有必要在设计具体系统时考虑这些组件之间的相互作用。本文探讨了以端到端方式对机器人系统进行任务驱动的合作的工作，同时使用推理或控制算法直接优化了系统的物理组件以进行任务性能。我们首先考虑直接优化基于信标的本地化系统以达到本地化准确性的问题。设计这样的系统涉及将信标放置在整个环境中，并通过传感器读数推断位置。在我们的工作中，我们开发了一种深度学习方法，以直接优化信标的放置和位置推断以达到本地化精度。然后，我们将注意力转移到了由任务驱动的机器人及其控制器优化的相关问题上。在我们的工作中，我们首先提出基于多任务增强学习的数据有效算法。我们的方法通过利用能够在物理设计的空间上概括设计条件的控制器，有效地直接优化了物理设计和控制参数，以直接优化任务性能。然后，我们对此进行跟进，以允许对离散形态参数（例如四肢的数字和配置）进行优化。最后，我们通过探索优化的软机器人的制造和部署来得出结论。

命题模型计数或#SAT是计算布尔公式满足分配数量的问题。来自不同应用领域的许多问题，包括许多离散的概率推理问题，可以将#SAT求解器解决的模型计数问题转化为模型计数问题。但是，确切的#sat求解器通常无法扩展到工业规模实例。在本文中，我们提出了Neuro＃，这是一种学习分支启发式方法，以提高特定问题家族中的实例的精确#sat求解器的性能。我们通过实验表明，我们的方法减少了类似分布的持有实例的步骤，并将其推广到同一问题家族的更大实例。它能够在具有截然不同的结构的许多不同问题家族上实现这些结果。除了步骤计数的改进外，Neuro＃还可以在某些问题家族的较大实例上在较大的实例上实现壁式锁定速度的订单，尽管开头查询了模型。

在本文中，我们试图通过引入深度学习模型的句法归纳偏见来建立两所学校之间的联系。我们提出了两个归纳偏见的家族，一个家庭用于选区结构，另一个用于依赖性结构。选区归纳偏见鼓励深度学习模型使用不同的单位（或神经元）分别处理长期和短期信息。这种分离为深度学习模型提供了一种方法，可以从顺序输入中构建潜在的层次表示形式，即更高级别的表示由高级表示形式组成，并且可以分解为一系列低级表示。例如，在不了解地面实际结构的情况下，我们提出的模型学会通过根据其句法结构组成变量和运算符的表示来处理逻辑表达。另一方面，依赖归纳偏置鼓励模型在输入序列中找到实体之间的潜在关系。对于自然语言，潜在关系通常被建模为一个定向依赖图，其中一个单词恰好具有一个父节点和零或几个孩子的节点。将此约束应用于类似变压器的模型之后，我们发现该模型能够诱导接近人类专家注释的有向图，并且在不同任务上也优于标准变压器模型。我们认为，这些实验结果为深度学习模型的未来发展展示了一个有趣的选择。