潜在世界模型使代理商可以对具有高维度观察的复杂环境进行推理。但是，适应新环境并有效利用先前的知识仍然是重大挑战。我们提出了变异因果动力学（VCD），这是一种结构化的世界模型，可利用跨环境的因果机制的不变性，以实现快速和模块化的适应性。通过因果分解过渡模型，VCD能够识别在不同环境中可重复使用的组件。这是通过结合因果发现和变异推断来以无监督方式共同学习潜在表示和过渡模型来实现的。具体而言，我们在表示模型和作为因果图形模型结构的过渡模型上优化了较低限制的证据。在对具有状态和图像观察的模拟环境的评估中，我们表明VCD能够成功识别因果变量，并在不同环境中发现一致的因果结构。此外，鉴于在以前看不见的中间环境中进行了少量观察，VCD能够识别动力学的稀疏变化并有效地适应。在此过程中，VCD显着扩展了潜在世界模型中当前最新的功能，同时在预测准确性方面也可以进行比较。

因果表示学习是识别基本因果变量及其从高维观察（例如图像）中的关系的任务。最近的工作表明，可以从观测的时间序列中重建因果变量，假设它们之间没有瞬时因果关系。但是，在实际应用中，我们的测量或帧速率可能比许多因果效应要慢。这有效地产生了“瞬时”效果，并使以前的可识别性结果无效。为了解决这个问题，我们提出了ICITRI，这是一种因果表示学习方法，当具有已知干预目标的完美干预措施时，可以在时间序列中处理瞬时效应。 Icitris从时间观察中识别因果因素，同时使用可区分的因果发现方法来学习其因果图。在三个视频数据集的实验中，Icitris准确地识别了因果因素及其因果图。

从视觉观察中了解动态系统的潜在因果因素被认为是对复杂环境中推理的推理的关键步骤。在本文中，我们提出了Citris，这是一种变异自动编码器框架，从图像的时间序列中学习因果表示，其中潜在的因果因素可能已被干预。与最近的文献相反，Citris利用了时间性和观察干预目标，以鉴定标量和多维因果因素，例如3D旋转角度。此外，通过引入归一化流，可以轻松扩展柑橘，以利用和删除已验证的自动编码器获得的删除表示形式。在标量因果因素上扩展了先前的结果，我们在更一般的环境中证明了可识别性，其中仅因果因素的某些成分受干预措施影响。在对3D渲染图像序列的实验中，柑橘类似于恢复基本因果变量的先前方法。此外，使用预验证的自动编码器，Citris甚至可以概括为因果因素的实例化，从而在SIM到现实的概括中开放了未来的研究领域，以进行因果关系学习。

Latent variable models such as the Variational Auto-Encoder (VAE) have become a go-to tool for analyzing biological data, especially in the field of single-cell genomics. One remaining challenge is the interpretability of latent variables as biological processes that define a cell's identity. Outside of biological applications, this problem is commonly referred to as learning disentangled representations. Although several disentanglement-promoting variants of the VAE were introduced, and applied to single-cell genomics data, this task has been shown to be infeasible from independent and identically distributed measurements, without additional structure. Instead, recent methods propose to leverage non-stationary data, as well as the sparse mechanism shift assumption in order to learn disentangled representations with a causal semantic. Here, we extend the application of these methodological advances to the analysis of single-cell genomics data with genetic or chemical perturbations. More precisely, we propose a deep generative model of single-cell gene expression data for which each perturbation is treated as a stochastic intervention targeting an unknown, but sparse, subset of latent variables. We benchmark these methods on simulated single-cell data to evaluate their performance at latent units recovery, causal target identification and out-of-domain generalization. Finally, we apply those approaches to two real-world large-scale gene perturbation data sets and find that models that exploit the sparse mechanism shift hypothesis surpass contemporary methods on a transfer learning task. We implement our new model and benchmarks using the scvi-tools library, and release it as open-source software at \url{https://github.com/Genentech/sVAE}.

作为在人类智能中获得可推广的解决方案的关键组成部分，推理为加强学习（RL）代理人对各种目标的概括提供了巨大的潜力，这是通过汇总部分到全部的论点并发现因果关系的。但是，如何发现和代表因果关系仍然是阻碍因果RL发展的巨大差距。在本文中，我们使用因果图（CG）增强目标条件的RL（GCRL），该结构是基于对象和事件之间的关系建立的。我们在小新生中将GCRL问题提出为变异的可能性最大化，将CG作为潜在变量。为了优化派生目标，我们提出了一个具有理论性能的框架，可以保证在两个步骤之间交替：使用介入数据来估计CG的后验；使用CG学习可推广的模型和可解释的政策。由于缺乏在推理下验证概括能力的公共基准测试，我们设计了九个任务，然后从经验上显示了对这些任务上五个基准的拟议方法的有效性。进一步的理论分析表明，我们的绩效提高归因于因果发现，过渡建模和政策培训的良性周期，这与广泛消融研究中的实验证据相吻合。

人类是熟练的导航员：我们恰当地在新的地方进行了操纵，意识到我们回到以前见过的位置，甚至可以想到经历我们从未参观过的部分环境的捷径。另一方面，基于模型的强化学习中的当前方法与从训练分布中概括环境动态的努力。我们认为，两个原则可以帮助弥合这一差距：潜在的学习和简约的动态。人类倾向于以简单的术语来思考环境动态 - 我们认为轨迹不是指我们期望在路径上看到的东西，而是在抽象的潜在空间中，其中包含有关该位置的空间坐标的信息。此外，我们假设在环境的新颖部分中四处走动的工作方式与我们所熟悉的部分相同。这两个原则在串联中共同起作用：在潜在空间中，动态表现出了简约的特征。我们开发了一种学习这种简约动态的模型。使用一个变异目标，我们的模型经过培训，可以使用本地线性转换在潜在空间中重建经验丰富的过渡，同时鼓励尽可能少地调用不同的变换。使用我们的框架，我们演示了在一系列政策学习和计划任务中学习简化潜在动态模型的实用性。

贝叶斯结构学习允许从数据推断贝叶斯网络结构，同时推理认识性不确定性 - 朝着实现现实世界系统的主动因果发现和设计干预的关键因素。在这项工作中，我们为贝叶斯结构学习（DIBS）提出了一般，完全可微分的框架，其在潜在概率图表表示的连续空间中运行。与现有的工作相反，DIBS对局部条件分布的形式不可知，并且允许图形结构和条件分布参数的关节后部推理。这使得我们的配方直接适用于复杂贝叶斯网络模型的后部推理，例如，具有由神经网络编码的非线性依赖性。使用DIBS，我们设计了一种高效，通用的变分推理方法，用于近似结构模型的分布。在模拟和现实世界数据的评估中，我们的方法显着优于关节后部推理的相关方法。

学习分离旨在寻找低维表示，该表示由观察数据的多个解释性和生成因素组成。变异自动编码器（VAE）的框架通常用于将独立因素从观察中解散。但是，在实际情况下，具有语义的因素不一定是独立的。取而代之的是，可能存在基本的因果结构，从而使这些因素取决于这些因素。因此，我们提出了一个名为Causalvae的新的基于VAE的框架，该框架包括一个因果层，将独立的外源性因子转化为因果内源性因素，这些因子与数据中的因果关系相关概念相对应。我们进一步分析了模型，表明从观测值中学到的拟议模型可以在一定程度上恢复真实的模型。实验是在各种数据集上进行的，包括合成和真实的基准Celeba。结果表明，因果关系学到的因果表示是可以解释的，并且其因果关系作为定向无环形图（DAG）的因果关系良好地鉴定出来。此外，我们证明了所提出的Causalvae模型能够通过因果因素的“操作”来生成反事实数据。

一个令人着迷的假设是，人类和动物的智力可以通过一些原则（而不是启发式方法的百科全书清单）来解释。如果这个假设是正确的，我们可以更容易地理解自己的智能并建造智能机器。就像物理学一样，原理本身不足以预测大脑等复杂系统的行为，并且可能需要大量计算来模拟人类式的智力。这一假设将表明，研究人类和动物所剥削的归纳偏见可以帮助阐明这些原则，并为AI研究和神经科学理论提供灵感。深度学习已经利用了几种关键的归纳偏见，这项工作考虑了更大的清单，重点是关注高级和顺序有意识的处理的工作。阐明这些特定原则的目的是，它们有可能帮助我们建立从人类的能力中受益于灵活分布和系统概括的能力的AI系统，目前，这是一个领域艺术机器学习和人类智力。

当前独立于域的经典计划者需要问题域和实例作为输入的符号模型，从而导致知识采集瓶颈。同时，尽管深度学习在许多领域都取得了重大成功，但知识是在与符号系统（例如计划者）不兼容的亚符号表示中编码的。我们提出了Latplan，这是一种无监督的建筑，结合了深度学习和经典计划。只有一组未标记的图像对，显示了环境中允许的过渡子集（训练输入），Latplan学习了环境的完整命题PDDL动作模型。稍后，当给出代表初始状态和目标状态（计划输入）的一对图像时，Latplan在符号潜在空间中找到了目标状态的计划，并返回可视化的计划执行。我们使用6个计划域的基于图像的版本来评估LATPLAN：8个插头，15个式嘴，Blockworld，Sokoban和两个LightsOut的变体。

这项工作介绍了一种新颖的原则，我们通过机制稀疏正规调用解剖学，基于高级概念的动态往往稀疏的想法。我们提出了一种表示学习方法，可以通过同时学习与它们相关的潜在因子和稀疏因果图形模型来引起解剖学。我们开发了一个严谨的可识别性理论，建立在最近的非线性独立分量分析（ICA）结果中，结果是模拟这一原理，并展示了如何恢复潜在变量，如果一个规则大致潜在机制为稀疏，如果某些图形连接标准通过数据生成过程满足。作为我们框架的特殊情况，我们展示了如何利用未知目标的干预措施来解除潜在因子，从而借鉴ICA和因果关系之间的进一步联系。我们还提出了一种基于VAE的方法，其中通过二进制掩码来学习和正规化潜在机制，并通过表明它学会在模拟中的解散表示来验证我们的理论。

Bayesian causal structure learning aims to learn a posterior distribution over directed acyclic graphs (DAGs), and the mechanisms that define the relationship between parent and child variables. By taking a Bayesian approach, it is possible to reason about the uncertainty of the causal model. The notion of modelling the uncertainty over models is particularly crucial for causal structure learning since the model could be unidentifiable when given only a finite amount of observational data. In this paper, we introduce a novel method to jointly learn the structure and mechanisms of the causal model using Variational Bayes, which we call Variational Bayes-DAG-GFlowNet (VBG). We extend the method of Bayesian causal structure learning using GFlowNets to learn not only the posterior distribution over the structure, but also the parameters of a linear-Gaussian model. Our results on simulated data suggest that VBG is competitive against several baselines in modelling the posterior over DAGs and mechanisms, while offering several advantages over existing methods, including the guarantee to sample acyclic graphs, and the flexibility to generalize to non-linear causal mechanisms.

许多增强学习（RL）环境包括独立实体，这些实体稀疏地互动。在这种环境中，RL代理商在任何特定情况下对其他实体的影响仅受限。我们在这项工作中的想法是，通过了解代理人可以通过其行动的何时以及何时何地效力，可以有效地指导。为实现这一目标，我们根据条件互信息介绍\ emph {情况依赖性因果影响}，并表明它可以可靠地检测影响的态度。然后，我们提出了几种方法将这种措施集成到RL算法中，以改善探索和禁止政策学习。所有修改的算法都显示出机器人操纵任务的数据效率强劲增加。

本文提出了在适当的监督信息下进行分解的生成因果代表（亲爱的）学习方法。与实施潜在变量独立性的现有分解方法不同，我们考虑了一种基本利益因素可以因果关系相关的一般情况。我们表明，即使在监督下，先前具有独立先验的方法也无法解散因果关系。在这一发现的激励下，我们提出了一种称为DEAR的新的解开学习方法，该方法可以使因果可控的产生和因果代表学习。这种新公式的关键要素是使用结构性因果模型（SCM）作为双向生成模型的先验分布。然后，使用合适的GAN算法与发电机和编码器共同训练了先验，并与有关地面真相因子及其基本因果结构的监督信息合并。我们提供了有关该方法的可识别性和渐近收敛性的理论理由。我们对合成和真实数据集进行了广泛的实验，以证明DEAR在因果可控生成中的有效性，以及在样本效率和分布鲁棒性方面，学到的表示表示对下游任务的好处。

Inferring causal structure poses a combinatorial search problem that typically involves evaluating structures with a score or independence test. The resulting search is costly, and designing suitable scores or tests that capture prior knowledge is difficult. In this work, we propose to amortize causal structure learning. Rather than searching over structures, we train a variational inference model to directly predict the causal structure from observational or interventional data. This allows our inference model to acquire domain-specific inductive biases for causal discovery solely from data generated by a simulator, bypassing both the hand-engineering of suitable score functions and the search over graphs. The architecture of our inference model emulates permutation invariances that are crucial for statistical efficiency in structure learning, which facilitates generalization to significantly larger problem instances than seen during training. On synthetic data and semisynthetic gene expression data, our models exhibit robust generalization capabilities when subject to substantial distribution shifts and significantly outperform existing algorithms, especially in the challenging genomics domain. Our code and models are publicly available at: https://github.com/larslorch/avici.

解释性对于自主车辆和其他机器人系统在操作期间与人类和其他物体相互作用至关重要。人类需要了解和预测机器采取的行动，以获得可信赖和安全的合作。在这项工作中，我们的目标是开发一个可解释的模型，可以与人类领域知识和模型的固有因果关系一致地产生解释。特别是，我们专注于自主驾驶，多代理交互建模的基本构建块。我们提出了接地的关系推理（GRI）。它通过推断代理关系的相互作用图来模拟交互式系统的底层动态。我们通过将关系潜空间接地为具有专家域知识定义的语义互动行为来确保语义有意义的交互图。我们展示它可以在模拟和现实世界中建模交互式交通方案，并生成解释车辆行为的语义图。

有效推论是一种数学框架，它起源于计算神经科学，作为大脑如何实现动作，感知和学习的理论。最近，已被证明是在不确定性下存在国家估算和控制问题的有希望的方法，以及一般的机器人和人工代理人的目标驱动行为的基础。在这里，我们审查了最先进的理论和对国家估计，控制，规划和学习的积极推断的实现;描述当前的成就，特别关注机器人。我们展示了相关实验，以适应，泛化和稳健性而言说明其潜力。此外，我们将这种方法与其他框架联系起来，并讨论其预期的利益和挑战：使用变分贝叶斯推理具有功能生物合理性的统一框架。

因果推断对于跨业务参与，医疗和政策制定等领域的数据驱动决策至关重要。然而，关于因果发现的研究已经与推理方法分开发展，从而阻止了两个领域方法的直接组合。在这项工作中，我们开发了深层端到端因果推理（DECI），这是一种基于流动的非线性添加噪声模型，该模型具有观察数据，并且可以执行因果发现和推理，包括有条件的平均治疗效果（CATE） ）估计。我们提供了理论上的保证，即DECI可以根据标准因果发现假设恢复地面真实因果图。受应用影响的激励，我们将该模型扩展到具有缺失值的异质，混合型数据，从而允许连续和离散的治疗决策。我们的结果表明，与因果发现的相关基线相比，DECI的竞争性能和（c）在合成数据集和因果机器学习基准测试基准的一千多个实验中，跨数据类型和缺失水平进行了估计。

Adequately assigning credit to actions for future outcomes based on their contributions is a long-standing open challenge in Reinforcement Learning. The assumptions of the most commonly used credit assignment method are disadvantageous in tasks where the effects of decisions are not immediately evident. Furthermore, this method can only evaluate actions that have been selected by the agent, making it highly inefficient. Still, no alternative methods have been widely adopted in the field. Hindsight Credit Assignment is a promising, but still unexplored candidate, which aims to solve the problems of both long-term and counterfactual credit assignment. In this thesis, we empirically investigate Hindsight Credit Assignment to identify its main benefits, and key points to improve. Then, we apply it to factored state representations, and in particular to state representations based on the causal structure of the environment. In this setting, we propose a variant of Hindsight Credit Assignment that effectively exploits a given causal structure. We show that our modification greatly decreases the workload of Hindsight Credit Assignment, making it more efficient and enabling it to outperform the baseline credit assignment method on various tasks. This opens the way to other methods based on given or learned causal structures.

提供强大分布概括和快速适应的学习模型是现代机器学习的关键挑战。将因果结构建模到神经网络中，有望实现稳健的零和几乎没有适应性。可区分因果发现的最新进展提出，将数据生成过程分配到一组模块中，即每个变量的条件分布的一个模块，而只有因果父母仅将因果父母用作预测因素。这种知识模块化分解可以通过仅更新参数的子集来适应分布的转移。在这项工作中，我们通过将其与单片模型和结构化模型进行比较，在该模块上，我们系统地研究了这种模块化神经因果模型的概括和适应性性能，在该模型中，预测因子集不受因果父母的约束。我们的分析表明，模块化神经因果模型在低数据制度中的零和少数适应性上都优于其他模型，并提供了强大的概括。我们还发现，与较密集的图相比，对于稀疏图而言，这种效果更为重要。