该报告解释，实施和扩展了“更紧密的变化界限不一定更好”所介绍的作品（T Rainforth等，2018）。我们提供了理论和经验证据，这些证据增加了重要性的重要性数量$ k $在重要性加权自动编码器（IWAE）中（Burda等，2016）降低了推理中梯度估计量的信噪比（SNR）网络，从而影响完整的学习过程。换句话说，即使增加$ k $减少了梯度的标准偏差，但它也会更快地降低真实梯度的幅度，从而增加梯度更新的相对差异。进行广泛的实验以了解$ k $的重要性。这些实验表明，更紧密的变化界限对生成网络有益，而宽松的边界对推理网络来说是可取的。通过这些见解，可以实施和研究三种方法：部分重要性加权自动编码器（PIWAE），倍增重要性加权自动编码器（MIWAE）和组合重要性加权自动编码器（CIWAE）。这三种方法中的每一种都需要IWAE作为一种特殊情况，但采用不同的重量权重，以确保较高的梯度估计器的SNR。在我们的研究和分析中，这些算法的疗效在多个数据集（如MNIST和Omniglot）上进行了测试。最后，我们证明了三种呈现的IWAE变化能够产生近似后验分布，这些分布与IWAE更接近真正的后验分布，同时匹配IWAE生成网络的性能，或者在PIWAE的情况下可能超过其表现。

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.

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。

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。

自动编码变化贝叶斯（AEVB）是一种用于拟合潜在变量模型（无监督学习的有前途的方向）的强大而通用的算法，并且是训练变量自动编码器（VAE）的众所周知的。在本教程中，我们专注于从经典的期望最大化（EM）算法中激励AEVB，而不是确定性自动编码器。尽管自然而有些不言而喻，但在最近的深度学习文献中并未强调EM与AEVB之间的联系，我们认为强调这种联系可以改善社区对AEVB的理解。特别是，我们发现（1）优化有关推理参数的证据下限（ELBO）作为近似E-step，并且（2）优化ELBO相对于生成参数作为近似M-step；然后，与AEVB中的同时进行同时进行，然后同时拧紧并推动Elbo。我们讨论如何将近似E-Step解释为执行变异推断。详细讨论了诸如摊销和修复技巧之类的重要概念。最后，我们从划痕中得出了非深度和几个深层变量模型的AEVB训练程序，包括VAE，有条件的VAE，高斯混合物VAE和变异RNN。我们希望读者能够将AEVB认识为一种通用算法，可用于拟合广泛的潜在变量模型（不仅仅是VAE），并将AEVB应用于自己的研究领域中出现的此类模型。所有纳入型号的Pytorch代码均可公开使用。

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。

扩散模型显示出令人难以置信的能力作为生成模型。实际上，它们为文本条件形成的图像生成（例如Imagen和dall-e2）提供了当前最新模型的启动基于观点。我们首先推导了变异扩散模型（VDM）作为马尔可夫分层变异自动编码器的特殊情况，其中三个关键假设可实现ELBO的可拖动计算和可扩展的优化。然后，我们证明，优化VDM归结为学习神经网络以预测三个潜在目标之一：来自任何任意噪声的原始源输入，任何任意噪声输入的原始源噪声或噪声的得分函数输入任何任意噪声水平。然后，我们更深入地研究学习分数函数的含义，并将扩散模型的变异透视图与通过Tweedie的公式明确地与基于得分的生成建模的角度联系起来。最后，我们涵盖了如何通过指导使用扩散模型学习条件分布的方法。

近年来，由于其对复杂分布进行建模的能力，深层生成模型引起了越来越多的兴趣。在这些模型中，变异自动编码器已被证明是计算有效的，并且在多个领域中产生了令人印象深刻的结果。在这一突破之后，为了改善原始出版物而进行了广泛的研究，从而导致各种不同的VAE模型响应不同的任务。在本文中，我们介绍了Pythae，这是一个多功能的开源Python库，既可以提供统一的实现和专用框架，允许直接，可重现且可靠地使用生成自动编码器模型。然后，我们建议使用此库来执行案例研究基准测试标准，在其中我们介绍并比较了19个生成自动编码器模型，代表了下游任务的一些主要改进，例如图像重建，生成，分类，聚类，聚类和插值。可以在https://github.com/clementchadebec/benchmark_vae上找到开源库。

在这项工作中，我们为生成自动编码器的变异培训提供了确切的可能性替代方法。我们表明，可以使用可逆层来构建VAE风格的自动编码器，该层提供了可拖动的精确可能性，而无需任何正则化项。这是在选择编码器，解码器和先前体系结构的全部自由的同时实现的，这使我们的方法成为培训现有VAE和VAE风格模型的替换。我们将结果模型称为流中的自动编码器（AEF），因为编码器，解码器和先验被定义为整体可逆体系结构的单个层。我们表明，在对数可能，样本质量和降低性能的方面，该方法的性能比结构上等效的VAE高得多。从广义上讲，这项工作的主要野心是在共同的可逆性和确切的最大可能性的共同框架下缩小正常化流量和自动编码器文献之间的差距。

变异自动编码器（VAE）最近在归类和获取异质缺失数据方面非常成功。但是，在此特定应用程序域中，仅使用一层潜在变量和严格的高斯后近似值来限制现有的VAE方法。为了解决这些局限性，我们提出了HH-VAEM，这是一种用于混合型不完整数据的层次VAE模型，该模型使用Hamiltonian Monte Carlo和自动超参数调谐，以改善近似推断。我们的实验表明，HH-VAEM在缺少数据插补和有缺少功能的监督学习的任务中优于现有基线。最后，我们还提出了一种基于抽样的方法，用于在使用HH-VAEM获取缺失功能时有效地计算信息增益。我们的实验表明，基于抽样的方法优于基于高斯近似值的替代方法。

基于连续的潜在空间（例如变异自动编码器）的概率模型可以理解为无数混合模型，其中组件连续取决于潜在代码。它们具有用于生成和概率建模的表达性工具，但与可牵引的概率推断不符，即计算代表概率分布的边际和条件。同时，可以将概率模型（例如概率电路（PC））理解为层次离散混合模型，从而使它们可以执行精确的推断，但是与连续的潜在空间模型相比，它们通常显示出低于标准的性能。在本文中，我们研究了一种混合方法，即具有较小潜在尺寸的可拖动模型的连续混合物。尽管这些模型在分析上是棘手的，但基于一组有限的集成点，它们非常适合数值集成方案。有足够数量的集成点，近似值变得精确。此外，使用一组有限的集成点，可以将近似方法编译成PC中，以“在近似模型中的精确推断”执行。在实验中，我们表明这种简单的方案被证明非常有效，因为PC在许多标准密度估计基准上以这种方式为可拖动模型设定了新的最新模型。

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。

神经网络在许多科学学科中发挥着越来越大的作用，包括物理学。变形AutoEncoders（VAE）是能够表示在低维潜空间中的高维数据的基本信息，该神经网络具有概率解释。特别是所谓的编码器网络，VAE的第一部分，其将其输入到潜伏空间中的位置，另外在该位置的方差方面提供不确定性信息。在这项工作中，介绍了对AutoEncoder架构的扩展，渔民。在该架构中，借助于Fisher信息度量，不使用编码器中的附加信息信道生成潜在空间不确定性，而是从解码器导出。这种架构具有来自理论观点的优点，因为它提供了从模型的直接不确定性量化，并且还考虑不确定的交叉相关。我们可以通过实验表明，渔民生产比可比较的VAE更准确的数据重建，并且其学习性能也明显较好地缩放了潜伏空间尺寸的数量。

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。

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。

We marry ideas from deep neural networks and approximate Bayesian inference to derive a generalised class of deep, directed generative models, endowed with a new algorithm for scalable inference and learning. Our algorithm introduces a recognition model to represent an approximate posterior distribution and uses this for optimisation of a variational lower bound. We develop stochastic backpropagation -rules for gradient backpropagation through stochastic variables -and derive an algorithm that allows for joint optimisation of the parameters of both the generative and recognition models. We demonstrate on several real-world data sets that by using stochastic backpropagation and variational inference, we obtain models that are able to generate realistic samples of data, allow for accurate imputations of missing data, and provide a useful tool for high-dimensional data visualisation.

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。

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。

Helmholtz机器（HMS）是由两个Sigmoid信念网络（SBN）组成的一类生成模型，分别用作编码器和解码器。这些模型通常是使用称为唤醒 - 睡眠（WS）的两步优化算法对这些模型进行的，并且最近通过改进版本（例如重新恢复的尾流（RWS）和双向Helmholtz Machines（BIHM））进行了改进版本。 SBN中连接的局部性在与概率模型相关的Fisher信息矩阵中诱导稀疏性，并以细粒粒度的块状结构的形式引起。在本文中，我们利用自然梯度利用该特性来有效地训练SBN和HMS。我们提出了一种新颖的算法，称为“自然重新唤醒”（NRWS），该算法与其标准版本的几何适应相对应。以类似的方式，我们还引入了天然双向Helmholtz机器（NBIHM）。与以前的工作不同，我们将展示如何有效地计算自然梯度，而无需引入Fisher信息矩阵结构的任何近似值。在文献中进行的标准数据集进行的实验表明，NRW和NBIHM不仅在其非几何基准方面，而且在HMS的最先进培训算法方面都具有一致的改善。在训练后，汇聚速度以及对数可能达到的对数似然的值量化了改进。

Variational inference uses optimization, rather than integration, to approximate the marginal likelihood, and thereby the posterior, in a Bayesian model. Thanks to advances in computational scalability made in the last decade, variational inference is now the preferred choice for many high-dimensional models and large datasets. This tutorial introduces variational inference from the parametric perspective that dominates these recent developments, in contrast to the mean-field perspective commonly found in other introductory texts.