贝叶斯神经网络 BBB 学习中遇到的一些问题

贝叶斯公式

模型概率的公式

一开始看了这个 https://zhuanlan.zhihu.com/p/98756147

假设模型参数满足一个高斯分布 $W\sim N(0,1)$，观测数据集 $X,Y$ 然后他介绍了一个公式说是贝叶斯公式：

$$p(W|X,Y)=\frac{p(Y|X,W)p(W)}{p(Y|X)}$$

我一开始是不知道贝叶斯公式是这个，感觉跟我知道的不一样；然后我还不知道他为什么说似然是 $p(W,X|Y)$，对先验、后验、似然的理解我是看 https://blog.csdn.net/kww_kww/article/details/52527888 的，所以我就固定死了理解右边分子上的是似然

之后看了别人的文章，也挺多看不懂，但是看到别人提了关键的一句

X 和 W 之间是相互独立的

这之后就好办了

其实我觉得贝叶斯公式本质上就是一个恒等式

$$p(X,Y)=p(X|Y)p(Y)=p(Y|X)p(X)$$

它的物理意义就是，两个事件同时发生的概率用两种条件概率的计算方法都是一样的

可以写：

$$p(X,Y,W)=p(W|X,Y)p(X,Y)=p(Y|X,W)p(X,W)$$

然后根据隐含条件，X 和 W 是互相独立的，有 $P(X,W)=p(X)p(W)$

有：

$$\begin{array}{rl}p(W|X,Y)p(X,Y)& =p(Y|X,W)p(X,W)\\ \Rightarrow p(W|X,Y)p(Y|X)p(X)& =p(Y|X,W)p(X)p(W)\\ \Rightarrow p(W|X,Y)p(Y|X)& =p(Y|X,W)p(W)\\ \Rightarrow p(W|X,Y)& =\frac{p(Y|X,W)p(W)}{p(Y|X)}\end{array}$$

似然的理解，其实就是，联合概率 = 似然 * 先验，不用纠结在公式的哪里，因为我们可以写 联合概率 = 似然1 * 先验1 = 似然2 * 先验2，所以我们根据需要的物理意义称其中一个似然为后验的时候，另外一个就叫似然就行了，就是这样

1/n 形式的贝叶斯公式

一开始我看不懂这个公式是怎么来的

$$p(\theta |D)=\frac{p(D_y|D_x,\theta )p(\theta )}{{\int }_{\theta }p(D_y|D_x,{\theta }^{\prime })p({\theta }^{\prime })\mathrm{d}{\theta }^{\prime }}$$

看了这个才理解 https://www.zhihu.com/question/21134457/answer/169523403

”1/n 形式的贝叶斯公式“这个名称是我瞎起的……主要是我感觉，它的物理意义就是跟 1/n 很像

就是，$p(\theta |D)$ 中的 $\theta$ 只是一个分布，但是 $\theta$ 可以有很多种可能，就是说他是一个自变量，然后现在如果我们给定一个 $\theta$，那么想要知道单独这一个 $\theta$ 在所有可能的 $\theta$ 中的概率，所以我们分母就是已知发生 ${\theta }^{\prime }$ 然后同时也发生 $D$ 的所有可能的 ${\theta }^{\prime }$ 的情况的概率之和，然后分子就是单独 $\theta$ 那一种情况的概率

全概率公式

全概率公式的积分形式

离散形式的全概率公式：

$$p(A)=\sum _{i}p(A|B_i)p(B_i)$$

积分形式：

$$p(A)=\int p(A|B)p(B)\mathrm{d}B$$

也可以写为

$$p(A)=\int p(A,B)\mathrm{d}B$$

后验推理

后验预测分布 posterior predictive distribution

后验预测分布的公式：

$$p(y|x,D)={\int }_{\theta }p(y|x,{\theta }^{\prime })p({\theta }^{\prime }|D)\mathrm{d}{\theta }^{\prime }$$

或者这个参数 ${\theta }^{\prime }$ 也有人写作 W

$$p(y|x,D)=\int p(y|x,W)p(W|D)\mathrm{d}W$$

一开始不知道这个公式怎么来的

看了 https://math.stackexchange.com/questions/1606372/how-to-derive-the-posterior-predictive-distribution 才懂

他这里写的形式又不一样，好像是把 $x,D$ 写成了 $D$，$y$ 写成了 $D^{\prime }$

$$p(D^{\prime }|D)={\int }_{\theta }p(D^{\prime }|{\theta }^{\prime })p({\theta }^{\prime }|D)\mathrm{d}{\theta }^{\prime }$$

这里有点让我迷惑的是，$y|x,D$ 这个形式到底是代表着 $y|(x,D)$ 还是 $(y|x),D$

按照他这么写，似乎是代表着 $y|(x,D)$

假设按照他这么写

使用全概率公式

$$p(A)=\int p(A,B)\mathrm{d}B$$

得到

$$p(D^{\prime }|D)=\int p(D^{\prime },\theta |D)\mathrm{d}\theta$$

$p(W|D)$ 就是我们的神经网络，所以它的解析式很难写

所以我们需要一个变分推断

KL 散度

w 是模型参数，D 是数据集，θ 是 (μ,σ)，是模型参数的概率分布的参数，他现在应该是要用 θ 来近似 w，所以他这里写的是用 w|θ 来近似 w|D，w|D 我觉得应该是指的用数据集训练出来的真实的 w，w|θ 我觉得是，我们实际上不知道 w，所以我们就用 θ 表示的概率分布在计算机上代表 w

现在就是，我觉得可能是，D 数据集不依赖于模型参数 w……？因为我是从现实世界中获得数据，然后这个模型参数 w 并不是我获得 D 的原因，所以 D 不依赖于 w，但是模型参数 w 是根据 D 训练出来的，所以依赖于 D？

所以他这里才直接让 E_w(p(D)) = p(D) 了

平均场 VI

在看别人的讲座 https://www.youtube.com/watch?v=xH1mBw3tb_c&list=PLe5rNUydzV9QHe8VDStpU0o8Yp63OecdW&index=4

他有一个推导我一时间没看懂

我一开始还以为是

于是我写成

后来看到别人的推导，才觉得这个变换这里应该是先写一下积分的形式才比较好懂

https://bjlkeng.io/posts/variational-bayes-and-the-mean-field-approximation/

Bayes by Backprop 代码

重新参数化

一开始我看的是这个 https://www.zhihu.com/tardis/zm/art/263053978?source_id=1003

他算的损失是

loss = log_post - log_prior - log_like

对应

$$\mathcal{L}=\sum _i\log q(w_i|{\theta }_i)-\sum _i\log P(w_i)-\sum _i\log p(y_i|w_i,x_i)$$

其中前两个的计算的方式看了一会还是可以理解的

对于 log_prior

# sample weights
w_epsilon = Normal(0, 1).sample(self.w_mu.shape)
self.w = self.w_mu + torch.log(1+torch.exp(self.w_rho)) * w_epsilon

# sample bias
b_epsilon = Normal(0, 1).sample(self.b_mu.shape)
self.b = self.b_mu + torch.log(1+torch.exp(self.b_rho)) * b_epsilon

# record log prior by evaluating log pdf of prior at sampled weight and bias
w_log_prior = self.prior.log_prob(self.w)
b_log_prior = self.prior.log_prob(self.b)
self.log_prior = torch.sum(w_log_prior) + torch.sum(b_log_prior)

对应到公式中 $w$ 为模型参数，$\theta =(\mu ,\rho )$ 的话，首先要知道，这里的模型是啥，这里的模型是一个普通的线性层，他这里甚至都没写激活函数，就是一个线性层，线性层的参数是 w 和 b，也就是缩放和偏置，那么其实公式中的模型参数 $w$ 对应到代码中就是 w 和 b，那么其实我要算 $p(w)$ 的话，我其实就是要算出来代码中对应到公式中的 $w$ 的值，然后再放到 prior 分布中计算对应的函数值

他这个文章没有说的是，他应该是假设了 p(w) 的分布是正态分布

然后他说明了，假设 q(w|θ) 是 θ 决定的 w 的正态分布

那么这个后验 log_post 的计算也很合理

self.w_post = Normal(self.w_mu.data, torch.log(1+torch.exp(self.w_rho)))
self.b_post = Normal(self.b_mu.data, torch.log(1+torch.exp(self.b_rho)))
self.log_post = self.w_post.log_prob(self.w).sum() + self.b_post.log_prob(self.b).sum()

最后他那个似然 log_like 的计算我有点不懂

def sample_elbo(self, input, target, samples):
    # we calculate the negative elbo, which will be our loss function
    #initialize tensors
    outputs = torch.zeros(samples, target.shape[0])
    log_priors = torch.zeros(samples)
    log_posts = torch.zeros(samples)
    log_likes = torch.zeros(samples)
    # make predictions and calculate prior, posterior, and likelihood for a given number of samples
    for i in range(samples):
        outputs[i] = self(input).reshape(-1) # make predictions
        log_priors[i] = self.log_prior() # get log prior
        log_posts[i] = self.log_post() # get log variational posterior
        log_likes[i] = Normal(outputs[i], self.noise_tol).log_prob(target.reshape(-1)).sum() # calculate the log likelihood
    # calculate monte carlo estimate of prior posterior and likelihood
    log_prior = log_priors.mean()
    log_post = log_posts.mean()
    log_like = log_likes.mean()

主要我是不知道为什么这个分布是均值是 y_pred 的正态分布

之后看到 https://krasserm.github.io/2019/03/14/bayesian-neural-networks/，发现这只是别人的假设而已