学界 | 哥伦比亚大学与Adobe提出新方法，可将随机梯度下降用作近似贝叶斯推理

选自arXiv

机器之心编译

参与：吴攀

伦比亚大学和 Adobe 的三位研究者近日在 arXiv 上的一篇论文《用作近似贝叶斯推理的随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent as Approximate Bayesian Inference）》提出了一种可将随机梯度下降用作近似贝叶斯推理的新方法。该论文共做出了 5 项贡献。在 Reddit 上有人对此研究评论说：「随机梯度下降总是比你想像的更强大。」机器之心对本论文进行了摘要介绍，原论文可点击文末「阅读原文」查阅。

具有恒定的学习率的随机梯度下降（constant SGD）可以模拟具有静态分布的马尔可夫链。基于这个观点，我们得到了一些新结果。(1) 我们表明 constant SGD 可以被用作近似贝叶斯后验推理算法（approximate Bayesian posterior inference algorithm）。具体而言，我们表明可以如何调整 constant SGD 的调优参数来最好地匹配一个后验的静态分布，以最小化这两个分布之间的 Kullback-Leibler 散度。(2) 我们表明 constant SGD 能产生一个新的变分 EM 算法，该算法可以在复杂的概率模型中对参数进行优化。(3) 我们还提出了用于采样的带有动量的 SGD（SGD with momentum），并且给出了相应地调整阻尼系数的方法。(4) 我们分析了 MCMC 算法。对于 Langevin Dynamics 和 Stochastic Gradient Fisher Scoring，我们量化了其由于有限学习率而导致的近似误差。最后 (5)，我们使用这个随机过程的观点简要地证明了为什么 Polyak 平均是最优的。基于这一思想，我们提出了一种可扩展的近似 MCMC 算法——平均随机梯度采样器（Averaged Stochastic Gradient Sampler）。

图 1：后验分布 f (θ) ∝ exp {−NL (θ)}（蓝色）与 SGD 的迭代的静态采样分布 q(θ)（青色）或基于再参数化梯度的黑箱变分推理（BBVI：black box variational inference）。行：（上）线性回归，（下）logistic 回归，在第 6 节讨论。列：（左）full-rank preconditioned constant SGD，（中）constant SGD，（右）BBVI。我们给出了在该后验的最小和最大主成分上的投射。这幅图还给出了在 Ornstein-Uhlenbeck 过程（Eq. 13）中该后验的经验协方差（3 标准差）（黑色）、样本的协方差（黄色）和它们的预测（红色）

图 2：随机梯度下降迭代的经验协方差和预测协方差，其中预测基于 Eq.13。我们在葡萄酒质量数据集上使用了线性回归，详见 6.1 节。

算法 1：迭代平均随机梯度下降采样器（IASG）

图 3：在线性回归上的迭代平均（iterate averaging），其中我们生成类似于模型生成的人造数据。(a) 给出了该 SGD 迭代的经验协方差，而 (c) 给出了带有最优的时间窗口选择的平均迭代。其结果得到的协方差非常类似于 (b) 中的真实后验协方差。这表明迭代平均有可能得到后验采样。

图 4：IASG（顶行）、SGLD（中行）和 NUTS（底行）在线性回归上的收敛速度比较。该图分别给出了最小（黄色）和最大（蓝色）的后验边界方差作为迭代的函数，其以通过数据的次数作为度量。误差柱表示一个标准差。红色实线表示 ground truth。左图是以后验最大值初始化的，而右图是随机初始化的。

图 5：用不同的方法所估计的后验协方差，参见图 4。顶行是用后验最大值对采样器进行初始化所得到的结果。底行是随机初始化的结果。对于 MAP 初始化，所有的采样器都可以找到对后验的一个良好估计。当随机初始化时，IASG 的表现优于 NUTS 和 SGLD。

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