论文笔记：Normalizing Flows for Probabilistic Modeling and Inference

Abstract

• 正则流（Normalizing flows）提供了一种通用的机制来定义富有表达力的概率分布，只需要指定一个（通常简单的）基础分布和一系列可逆变换。

Intraduction

• 正则流通过将简单的密度通过一系列变换来产生更丰富、可能更多模态的分布，就像液体流经一组管道一样运作。
• 灵活性意味着正则流非常适合用于建模、推断和模拟这些关键的统计任务。
• 我们对正则流的探索旨在揭示那些将指导它们在可预见的未来进行构建和应用的持久原则。
• Section 2: 建立正则流的形式和概念结构。
• Section 3 ：有限正则流结构(finite)；Section 4：极微小变体（infinitesimal variant）。

Section 2：正则流（Normalizing Flow）

2.1 定义和基础

• 规定 x 是 D 维的真实向量，流模型的主要思想是使用从$p_u(u)$中采样的真实向量u通过变换T表达x。
  

我们规定$p_u(u)$是流模型的基本分布。用参数{φ, ψ}分别表示T与$p_u(u)$，也就引出了由{φ, ψ}定义在x上的分布组。

• 流模型的基本属性是T必须可逆，T与$T^{-1}$可微，由此也可以推得：
  
  等价的，可以得到：
  

雅可比矩阵（Jacobian）为：

• 在实践中，我们通常用神经网络构建T，并且选取一个简单的密度函数，如多元正态分布，来构建$p_u(u)$。在Section 3和4中会讨论如何实施(implement) T。
• 我们可以将变换T看作是对空间R^D的扭曲，以将密度函数pu(u)塑造成px(x)。绝对雅可比行列式|det JT(u)|量化了由于T引起的u周围小邻域的体积相对变化。简单来说，假设du是u周围的（无限小的）小邻域，dx是du映射到的x周围的小邻域。我们可以得到 $|det{J}_T(u)|\approx Vol(dx)/Vol(du)$，即dx的体积除以du的体积。dx中的概率质量必须等于du中的概率质量。因此，如果du被扩展，那么x处的密度将小于u处的密度。如果du被压缩，那么x处的密度将较大。
• 可逆且可微分的变换的一个重要性质是它们是可组合的。给定两个这样的变换T1和T2，它们的复合变换T2 ◦ T1 也是可逆且可微分的。它的逆变换和雅可比行列式可以表示为：
  
• 因此，我们可以通过组合多个更简单的转换实例来构建复杂的转换，而不影响可逆性和可微性的要求，因此也不会失去计算密度$p_x(x)$的能力。所以"flow"指的是从$p_u(u)$中获得一组样本，在经过$T_1,...,T_k$的变换序列时所遵循的轨迹。术语"Normalizing"指的是通过逆变化$T_1^{-1},...,T_k^{-1}$的流动，将$p_x(x)$中获得的一组样本转化为预定密度$p_u(u)的一组样本（某种意义上为正则化）。
• 在功能上，基于流的模型提供了两个操作：通过公式1从模型中进行抽样，以及通过公式3评估模型的密度。这些操作具有不同的计算要求。从模型中进行抽样需要能够从$p_u(u)$中进行抽样，并计算正向变换T。评估模型的密度需要计算逆变换$T^{-1}$及其雅可比行列式，并评估$p_u(u)$的密度。具体应用将决定需要实施哪些操作以及它们需要多高的效率。我们在Section 3和Section 4讨论了与各种实现选择相关的计算折衷。

2.2 流模型的表达能力

• 在研究流的细节之前，重要的问题是：How expressive are flow-based models? Can they represent any distribution $p_x(x)$, even if the base distribution is restricted to be simple?
• 我们将证明，在$p_x(x)$满足合理条件的情况下，这种通用表示是可能的。具体来说，我们将证明，对于任何一对良好行为的分布$p_x(x)$（目标分布）和$p_u(u)$（基础分布），存在一个可微分同胚能够将$p_u(u)$转化为$p_x(x)$。这个论证是构造性的，并基于Hyvärinen和Pajunen（1999）关于非线性独立成分分析（ICA）存在性的类似证明；更详细的处理可以参考Bogachev等人的研究（2005）。
• 具体证明过程可以看论文，比较长这里就不赘述了。

2.3 使用流模型建模及推理

• 与拟合任何概率模型类似，拟合流模型$p_x(x;\theta )$到目标分布$p_x^{\ast }(x;\theta )$可以通过最小化他们之间的散度以及差异。这种最小化可以通过优化 θ = {φ, ψ}来实现。

2.3.1 前向KL散度与最大似然估计

• $p_x^{\ast }(x;\theta )$ 与 $p_x(x;\theta )$ 之间的前向KL散度可以写成：
  
  前向KL散度非常适用于我们拥有目标分布样本（或者可以生成样本），但不能直接评估目标密度$p_x^{\ast }(x;\theta )$的情况。假设我们有一组来自$p_x^{\ast }(x;\theta )$的样本$\{x_n{\}}_{n=1}^N$，我们可以通过蒙特卡洛方法估计对于p∗x(x)的期望，如下：
  
  最小化上述蒙特卡洛近似的KL散度等价于通过最大似然估计将基于流的模型拟合到样本$\{x_n{\}}_{n=1}^N$。
• 在实践中，我们通常使用随机梯度下降等方法迭代地优化参数θ。我们可以如下获得对于参数的KL散度梯度的无偏估计：
  
  如果$p_u(u;\psi )$允许闭式最大似然估计，如高斯分布的情况，那么对于ψ的更新也可以以闭式形式进行。
• 为了通过最大似然方法拟合基于流的模型，我们需要计算$T^{-1}$、它的雅可比行列式和密度$p_u(u;\psi )$，以及对这三者进行微分（如果使用基于梯度的优化算法）。这意味着即使我们无法计算T或从pu(u; ψ)中进行抽样，我们仍然可以使用最大似然来训练流模型。然而，如果我们希望在拟合完成后从模型中进行抽样，这些操作将是必需的。

2.3.2 反向KL散度

• 或者，我们可以通过最小化反向KL散度来拟合基于流的模型，它可以写成：
  

  为了表达对于u的期望，我们使用了变量的变换。当我们能够评估目标密度$p_x^{\ast }(x)$，但不一定能够从中进行抽样时，反向KL散度是合适的。
  

• 在实践中，我们可以使用随机梯度下降等方法迭代地最小化L(θ)。由于我们重新参数化了期望，使其相对于基础分布$p_u(u;\psi )$，我们可以通过蒙特卡洛方法轻松地获得L(θ)相对于φ的无偏梯度估计。具体而言，假设$\{u_n{\}}_{n=1}^N$是从pu(u; ψ)中抽样得到的一组样本，则L(θ)相对于φ的梯度可以如下估计：

为了按照上述描述最小化反向KL散度，我们需要能够从基础分布$p_u(u;\psi )$中进行抽样，并计算和对变换T及其雅可比行列式进行微分。这意味着即使我们无法评估基础密度或计算逆变换$T^{-1}$，我们仍然可以通过最小化反向KL散度来拟合基于流的模型。然而，如果我们想要评估训练模型的密度，我们将需要这些操作。

2.3.3 前向和反向KL散度的关系

（To be continue）