深度学习中的结构化概率模型 - 结构化概率模型的深度学习方法篇

序言

在深度学习的广阔领域中，结构化概率模型（$\text{Structured Probabilistic Model}$）扮演着至关重要的角色。这类模型利用图论中的图结构来表示概率分布中随机变量之间的复杂关系，为处理高维、结构丰富的数据（如图像、语音、文本等）提供了强有力的工具。结构化概率模型不仅降低了表示概率分布所需的参数数量，还显著提升了模型的学习与推断效率，成为深度学习研究中的关键组成部分。

结构化概率模型的深度学习方法

• 深度学习实践者通常使用与从事结构化概率模型研究的其它机器学习研究者相同的基本计算工具。然而，在深度学习中，我们通常对如何组合这些工具做出不同的设计，导致总体算法、模型与更传统的图模型具有非常不同的风格。

• 深度学习并不总是涉及特别深的图模型知识。

  • 在图模型中，我们可以根据图模型的图而不是计算图来定义模型的深度。
  • 如果从潜变量 $h_i$ 到可观察变量的最短路径是 $j$ 步，我们可以认为潜变量 $h_j$ 处于深度 $j$。
  • 我们通常将模型的深度描述为任何这样的 $h_j$ 的最大深度。
  • 这种深度不同于由计算图定义的深度。
  • 用于深度学习的许多生成模型没有潜变量或只有一层潜变量，但使用深度计算图来定义模型中的条件分布。

• 深度学习基本上总是利用分布式表示的思想。即使是用于深度学习目的的浅层模型（例如预训练浅层模型，稍后将形成深层模型），也几乎总是具有单个大的潜变量层。 深度学习模型通常具有比可观察变量更多的潜变量。变量之间复杂的非线性相互作用通过多个潜变量的间接连接来实现。

• 相比之下，传统的图模型通常包含至少是偶尔观察到的变量，即使一些训练样本中的许多变量随机地丢失。传统模型大多使用高阶项和结构学习来捕获变量之间复杂的非线性相互作用。如果有潜变量，它们通常数量很少。

• 潜变量的设计方式在深度学习中也有所不同。

  • 深度学习实践者通常不希望潜变量提前包含了任何特定的含义——训练算法可以自由地开发对特定数据集建模所需要的概念。
  • 在事后解释潜变量通常是很困难的，但是可视化技术可以得到它们表示的一些粗略表征。
  • 当潜变量在传统图模型中使用时，它们通常被赋予具有一些特定含义——比如文档的主题、学生的智力、导致患者症状的疾病等。
  • 这些模型通常由研究者解释，并且通常具有更多的理论保证，但是不能扩展到复杂的问题，并且不能像深度模型一样在许多不同背景中重复使用。

• 另一个明显的区别是深度学习方法中经常使用的连接类型。

  • 深度图模型通常具有大的与其他单元组全连接的单元组，使得两个组之间的相互作用可以由单个矩阵描述。
  • 传统的图模型具有非常少的连接，并且每个变量的连接选择可以单独设计。
  • 模型结构的设计与推断算法的选择紧密相关。
  • 图模型的传统方法通常旨在保持精确推断的可追踪性。
  • 当这个约束太强的时候，我们可以采用一种流行的被称为是环状信念传播 ($\text{loopy belief propagation}$) 的近似推断算法。
  • 这两种方法通常在稀疏连通图上有很好的效果。
  • 相比之下，在深度学习中使用的模型倾向于将每个可见单元 ${\text{v}}_i$ 连接到非常多的隐藏单元 ${\text{h}}_j$ 上，从而使得 $\text{h}$ 可以获得一个 ${\text{v}}_i$ 的分布式表示（也可能是其他几个可观察变量）。
  • 分布式表示具有许多优点，但是从图模型和计算复杂性的观点来看，分布式表示有一个缺点就是对于精确推断和环状信念传播等传统技术来说很难使用不够稀疏的图。
  • 结果，大尺度图模型和深度图模型最大的区别之一就是深度学习中几乎从来不会使用环状信念传播。
  • 相反的，许多深度学习模型可以用来加速$\text{Gibbs}$ 采样或者变分推断。
  • 此外，深度学习模型包含了大量的潜变量，使得高效的数值计算代码显得格外重要。
  • 除了选择高级推断算法之外，这提供了另外的动机，用于将结点分组成层，相邻两层之间用一个矩阵来描述相互作用。
  • 这要求实现算法的单个步骤可以实现高效的矩阵乘积运算，或者专门适用于稀疏连接的操作，例如块对角矩阵乘积或卷积。

• 最后，图模型的深度学习方法的一个主要特征在于对未知量的较高容忍度。

  • 与简化模型直到它的每一个量都可以被精确计算不同的是，我们仅仅直接使用数据运行或者是训练，以增强模型的威力。
  • 我们一般使用边缘分布不能计算但是可以简单从中采样的模型。
  • 我们经常训练具有难以处理的目标函数的模型，我们甚至不能在合理的时间内近似，但是如果我们能够高效地获得这样一个函数的梯度估计，我们仍然能够近似训练模型。
  • 深度学习方法通常是找出我们绝对需要的最小量信息，然后找出如何尽快得到该信息的合理近似。

受限玻尔兹曼机实例

• 受限玻尔兹曼机 ($\text{Restricted Boltzmann Machine, RBM}$)($\text{Smolensky, 1986}$) 或者簧风琴 ($\text{harmonium}$) 是图模型如何用于深度学习的典型例子。

  • $\text{RBM}$本身不是一个深层模型。
  • 相反，它有一层潜变量，可用于学习输入的表示。
  • 在后续篇章：深度生成模型中，我们将看到$\text{RBM}$如何被用来构建许多的深层模型。
  • 在这里，我们举例展示了$\text{RBM}$在许多深度图模型中使用的许多实践：它的结点被分成很大的组，这种组称作层，层之间的连接由矩阵描述，连通性相对密集。
  • 该模型能够进行高效的$\text{Gibbs}$ 采样，并且模型设计的重点在于以很高的自由度来学习潜变量， 潜变量的含义并不是设计师指定。

• 规范的$\text{RBM}$是具有二进制的可见和隐藏单元的基于能量的模型。

  • 其能量函数为：$E(\mathbf{v},\mathbf{h})=-{\mathbf{b}}^{\top }\mathbf{v}-{\mathbf{c}}^{\top }\mathbf{h}-{\mathbf{v}}^{\top }\mathbf{W}\mathbf{h}$ $\text{—公式1}$
  • 其中 $\mathbf{b}$，$\mathbf{c}$ 和 $\mathbf{W}$ 都是无约束、实值的可学习参数。我们可以看到，模型被分成两组单元： $\mathbf{v}$ 和 $\mathbf{h}$，它们之间的相互作用由矩阵 $\mathbf{W}$ 来描述。该模型在图例1中可以看到。该图能够使我们更清楚地发现，该模型的一个重要方面是在任何两个可见单元之间或任何两个隐藏单元之间没有直接的相互作用（因此称为 ‘‘受限’’，一般的玻尔兹曼机可以具有任意连接）。

• 图例1： 一个画成马尔可夫网络形式的$\text{RBM}$。
  • 一个画成马尔可夫网络形式的$\text{RBM}$
    

• 对$\text{RBM}$结构的限制产生了好的属性：
  $p(\text{h}\mid \text{v})=\prod _{i}p({\text{h}}_i\mid \text{v})$ $\text{—公式2}$

• 以及：$p(\text{v}\mid \text{h})=\prod _{i}p({\text{v}}_i\mid \text{h})$ $\text{—公式3}$

• 独立的条件分布很容易计算。对于二元的受限玻尔兹曼机，我们可以得到：
  $\{\begin{array}{l}\begin{array}{rlr}p({\text{h}}_i=1\mid \text{v})& =\sigma ({\text{v}}^{\top }{\mathbf{W}}_{:,i}+b_i)& \text{—公式4}\\ p({\text{h}}_i=0\mid \text{v})& =1-\sigma ({\text{v}}^{\top }{\mathbf{W}}_{:,i}+b_i)& \text{—公式5}\end{array}\end{array}$

• 结合这些属性可以得到高效的块吉布斯采样 ($\text{block Gibbs Sampling}$)，它在同时采样所有 $\mathbf{h}$ 和同时采样所有 $\mathbf{v}$ 之间交替。

  • $\text{RBM}$模型通过$\text{Gibbs}$ 采样产生的样本在图例2中。

• 图例2： 训练好的$\text{RBM}$样本及其权重。

  • 训练好的$\text{RBM}$样本及其权重
    

  • 说明：

    • （左）
      • 用 $\text{MNIST}$ 训练模型，然后用$\text{Gibbs}$ 采样进行采样。
      • 每一列是一个单独的$\text{Gibbs}$ 采样过程。
      • 每一行表示另一个 1000 步后$\text{Gibbs}$ 采样的输出。
      • 连续的样本之间彼此高度相关。
    • （右）
      • 对应的权重向量。
      • 将本图结果与线性因子模型 - 稀疏编码篇 - 图例1中描述的线性因子模型的样本和权重相比。
      • 由于$\text{RBM}$的先验 $p(\mathbf{h})$ 没有限制为因子，这里的样本表现得更好。
      • 采样时$\text{RBM}$能够学习到哪些特征需要一起出现。
      • 另一方面说， $\text{RBM}$后验 $p(\mathbf{h}\mid \mathbf{v})$ 是因子的，而稀疏编码的后验并不是，所以在特征提取上稀疏编码模型表现得更好。
      • 其他的模型可以使用非因子的 $p(\mathbf{h})$ 和非因子的 $p(\mathbf{h}\mid \mathbf{h})$。
      • 图片的复制经过$\text{LISA (2008)}$ 的允许。

• 由于能量函数本身只是参数的线性函数，很容易获取能量函数的导数。例如，
  $\frac{\partial }{\partial W_{i,j}}E(\text{v},\text{h})=-{\text{v}}_i{\text{h}}_j$ $\text{—公式6}$
• 这两个属性，高效的$\text{Gibbs}$ 采样和导数计算，使训练过程非常方便。在后续篇章：面对配分函数中，我们将看到，可以通过计算应用于这种来自模型样本的导数来训练无向模型。
• 训练模型可以得到数据 $\mathbf{v}$ 的表示 $\mathbf{h}$。我们可以经常使用 ${\mathbb{E}}_{\text{h}\sim p(\text{h}\mid \mathbf{v})}[\mathbf{h}]$ 作为一组描述 $\mathbf{v}$ 的特征。
• 总的来说， $\text{RBM}$展示了典型的图模型深度学习方法：结合由矩阵参数化的层之间的高效相互作用通过多层潜变量完成表示学习。
• 图模型的语言为描述概率模型提供了一种优雅、灵活、清晰的语言。在前面的章节中，我们使用这种语言，以其他视角来描述各种各样的深概率模型。

总结

深度学习中的结构化概率模型深度学习方法，通过构建复杂的图结构来捕捉变量间的非线性相互作用。这些方法不仅利用分布式表示的思想，还通过引入大量潜变量来增强模型的表达能力。与传统的图模型相比，深度学习模型在设计上更加灵活，能够处理更加复杂的问题。在深度学习中，模型的深度并非仅由计算图决定，而是根据图模型中潜变量到可观察变量的最短路径来定义。此外，深度学习模型还采用了高效的数值计算技术和优化算法，以加速模型的训练和推断过程。通过这些深度学习方法，结构化概率模型在图像识别、语音识别、自然语言处理等多个领域取得了显著进展，为人工智能的发展注入了新的活力。

往期内容回顾

应用数学与机器学习基础 - 概率与信息论篇
深度学习中的结构化概率模型 - 从图模型中采样篇
线性因子模型 - 稀疏编码篇