贝叶斯统计课程论文范文

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原题：A Beginner's Guide to Variational Methods: Mean-Field Approximation 给初学者的变分法指导：平均场近似

这种 推断-优化 的二元性，赋予我们强大的能力。我们既可以使用最新、最好的优化算法来解决统计机器学习问题，也可以反过来，使用统计技术来最小化函数。

这篇文章是关于变分方法的入门教程。 我将推导出最简单的VB方法的优化目标，称为 平均场近似 。 这个目标，也称为 变分下界 ，与变分自动编码器（ VAE ）中使用的技术完全相同（我将在后续文章中相信介绍它，堪称入木三分）。

1.问题的前提和符号约定 2.问题的表述 3.平均场近似的变分下界 4.前传KL与反传KL 5.与深度学习的联系

本文假设读者熟悉随机变量、概率分布和数学期望等概念。如果你忘了这些概念，可以在 这里 进行复习。机器学习和统计领域的符号约定没有被严格地标准化，因此在这篇文章中，我们约定如下符号，确定的符号将对理解文意很有帮助：

许多学术论文将术语“变量”、“分布”、“密度”，甚至“模型”互换使用。这种做法本身不一定导致错误，因为 、 和 都可以通过一对一的对应关系相互指代。但是，将这些术语混合在一起，容易让人感到困惑。因为它们的指代范畴各不相同（比如对函数进行 抽样 没有意义，对分布 积分 同样没有意义）。

我们将系统建模为随机变量的集合，其中一些变量（ ）是“可观察的”，而其他变量（ ）是“隐藏的”。 【译者按：后文称二者为“观察变量”和“隐变量”】我们可以通过下图绘制这种关系：

从 到 ，通过条件分布 这条边，将两个变量联系在一起。

说一个更形象的例子： 可能代表“图像的原始像素值”，而 是二值变量。如果 是猫的图像， 。

贝叶斯定理 给出了任意一对随机变量之间的一般关系： 其中的各项与如下常见名称相关联：

是后验概率：“给定图像，这是猫的概率是多少？” 如果我们可以从 进行采样，我们可以用它作一个猫分类器，告诉我们给定的图像是否是猫。

是似然概率：“给定 的值，计算出该图像 在该类别下的‘可能’程度（{是猫/不是猫})” 如果我们可以从 进行采样，那么我们就可以生成猫的图像和非猫的图像，就像生成随机数一样容易。如果你想了解更多相关信息，请参阅我的关于生成模型的其他文章： [1] , [2] 。

是先验概率。它指代我们所知道的关于 的任何先前信息——例如，如果我们认为所有图像中，有1/3是猫，那么 并且 。

这部分是为了感兴趣的读者准备的。请直接跳到下一部分，继续学习本教程。

前面猫的示例提供了观察变量、隐变量和先验的理解角度，是传统的一个示例。 但是请注意，我们定义隐变量/观察变量之间的区别有些随意，你可以自由地将图形模型按需求进行分解。

我们可以通过交换等式的项来重写贝叶斯定理： 现在的“后验概率”是 。

从贝叶斯统计框架，隐变量可以解释为附加到观察变量的 先验信念 。 例如，如果我们认为 是多元高斯，则隐变量 可以表示高斯分布的均值和方差。 另外，参数 上的分布是 的先验分布。

你也可以自由选择 和 代表的值。 例如， 可以代之以“均值、方差的立方根、以及 ，其中 ”。 虽然有点突兀、奇怪，但只要相应地修改 ，结构仍然有效。

你甚至可以往系统中“添加”变量。先验本身可能通过 依赖于其他随机变量， 具有它们自己的 的先验分布，并且那些先验仍然是有先验的，依此类推。任何超参数都可以被认为是先验的。 在贝叶斯统计中， 先验是无穷递归的 。【译者按：1.英文中俗语“turtles all the way down”表示问题无限循环、递归，作者用了"priors all the way down"来诙谐地表达先验系统的递归性。2.先验的层次越深，对结果的影响越 小 】

我们感兴趣的关键问题是隐变量 的后验推断或密度函数。后验推断的一些典型例子：

我们通常假设，我们已知如何计算似然分布 和先验分布 【译者按：原文为“function”函数，应为讹误，后文类似情况以符号为准】。

然而，对于像上面的复杂任务，我们常常不知道如何从 采样或计算 。或者，我们可能知道 的形式，但相应的计算十分复杂，以至于我们无法在合理的时间内对其评估【译者按：“评估”的意思是给定似然函数，求出该函数在某一点上的值】。 我们可以尝试使用像 MCMC 这样的基于采样的方法求解，但这类方法很难收敛。

变分推断背后的想法是这样的：对简单的参数分布 （就像高斯分布）进行推断。对这个函数，我们已经知道如何做后验推断，于是任务变成了调整参数 使得 尽可能接近 。【译者按：“推断”在这里指的是从观察变量 的概率分布导出隐变量 的概率分布】

这在视觉上如下图所示：蓝色曲线是真实的后验分布，绿色分布是通过优化得到的拟合蓝色密度的变分近似（高斯分布）。

两个分布“接近”意味着什么？ 平均场变分贝叶斯（最常见的类型）使用反向KL散度作为两个分布之间的距离度量。

反向KL散度测量出将 “扭曲（distort）”成 所需的信息量（以nat为单位或以2为底的对数bits为单位）。我们希望最小化这个量。【译者按：1.“扭曲”的意思是，把 和 贴合在一起，即通过某种映射引发函数图像的形变，使二者图像一致；2.许多研究产生式模型的论文会比较不同方法下的散度值。】

根据条件分布的定义， 。 让我们将这个表达式代入原来的KL表达式，然后使用分配律： 为了使 相对于变分参数 最小化，我们只需要最小化 ，因为 对于 来说是常数。 让我们重新写这个数量作为对分布 的期望。 最小化上面的式子等价于最大化负的式子： 在文献中， 被称为 变分下界 。如果我们能够估计 、 、 ，我们就可以计算它。我们可以继续调整式子里各项的顺序，使之更符合直觉： 如果说采样 是将观察变量 “编码”为隐变量 的过程，则采样 是从 重建观察变量 的“解码”过程。

由此得出 是预期的“解码”似然（即变分分布 能在多大程度上将样本 解码回样本 ），再减去变分近似的分布与先验 之间的KL散度【译者按：原文是“加上”，应该是减去】。如果我们假设 是条件高斯的，那么先验 通常被指定为平均值0、标准偏差1的对角高斯分布。

为什么 称为变分下界？ 将 代入 ，我们有： 的含义，用大白话说就是，真实分布下的数据点 的对数似然 ，等于 ，加上 用来捕获在该特定值 处 和 之间距离的差。

由于 ， 必大于（或等于） 。因此 是 的下界。 也被称为证据下界（ELBO），通过调整公式：

注意， 本身包含近似后验和先验之间的KL散度，因此 中总共有两个KL项。

KL散度函数不是对称距离函数，即 （当 时除外）第一个被称为“前向KL”，而后者是“反向KL””。 我们为什么要使用反向KL呢？因为推导的目标要求我们近似 ，所以【在 和 不能同时得到最优形式的情况下】我们要优先确保 的形式准确。

我很喜欢Kevin Murphy在 PML教科书 中的解释，我在这里尝试重新说明一下：

让我们首先考虑正向KL。正如上述推导，我们可以将KL写为，权重函数 加权下，“惩罚”函数 的期望。 只要 ，惩罚函数在任何地方都会给总KL带来损失。对于 ， 。 这意味着前向KL将在 未能“掩盖” 时，将会很大。

因此，当我们确保前向KL最小化时 时， 。 优化的变分分布 被称为“避免零（zero-avoiding）”（密度 为零时 避免为零）。

如果 ，我们必须确保分母 的地方，加权功能的 ，否则KL会爆炸。这被称为“必设零(zero-forcing)”：

在机器学习问题中，使用平均场近似时，留意反向KL的后果很重要。 如果我们将单峰分布拟合到多模态分布，我们最终会得到更多的假阴性的样例（也就是说， 实际上存在概率，但我们依据 认为没有可能性）。

变分法对于深度学习非常重要。 我将在后面再写文章详细说明。这是“太长不看版”：

结合深度学习和变分贝叶斯方法，我们可以对 极其 复杂的后验分布进行推断。 事实证明，像变分自动编码器这样的现代技术，可以优化得到上文中形式完全相同的平均场变分下界！

感谢阅读，敬请期待！

鉴于标题，我们值得给出“平均场近似”这个名字背后的一些动机。

从统计物理学的观点来看，“平均场”是指忽略二阶效应，将困难的优化问题放松到更简单的问题。例如，在图模型的情境中，我们可以把估计 马尔可夫随机场 的配分函数（partition function）问题，转为最大化吉布斯自由能（对数配分函数减去相对熵）的问题。这显著地简化了全概率测量空间的全局优化的形式（参见M. Mezard和A. Montanari，Sect ）。

整体分解： 平均场近似的分解：

从算法的观点来看，“平均场”是指用于计算马尔可夫随机场边缘概率的朴素平均场算法（naive mean field algorithm）。回想一下，朴素平均场算法的固定点【即最终解】是吉布斯变分问题的平均场近似的最优点。这种方法是“均值”，因为它是吉布斯采样器的平均/期望/ LLN版本，因此忽略了二阶（随机）效应（参见，和M. Jordan，（）和（））。

【译者按： 1.上述说明主要针对配分函数而言的。 的隐空间为标准高斯分布，协方差矩阵为对角单位阵，而不考虑非对角元素的影响。这体现了“平均场”的思想。 的实验效果显示，产生图像较为模糊或“平均”，不够锐利，也许正是平均场近似的结果】

贝叶斯公式直接的应用就是学习，啥意思，就是根据经验对新发生的事物进行判断。抽象地说就是这样。应用的原因就是为了预测未来，规避风险。就和你知道很多鸟都是黑色的，但是其中乌鸦是黑色的可能性最大，于是当你再看到一只黑色的鸟的时候，你就会想着这只鸟是不是乌鸦。包括你学习贝叶斯也是这样的，别人都说贝叶斯很厉害[先验]，然后你找了很多案例，最后想看看贝叶斯成功的概率是多少[后验]，其本质就是这个