粒子变分推断中的梯度流问题
批准号:
62206248
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张超
依托单位:
学科分类:
机器学习
结题年份:
2025
批准年份:
2022
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
中文摘要
粒子变分推断方法是近年来诞生的一类高效贝叶斯后验推断方法。这类方法使用多个粒子模拟概率空间上的梯度流,迭代式地更新粒子位置,使得粒子的经验分布不断趋近目标后验分布。然而,当前使用的梯度流还存在如下问题:1)从表达能力来看,目前采用的梯度流均无法导出合理有效的权重更新方式,现有粒子变分推断方法只更新粒子位置而固定粒子权重不变,极大地限制了经验分布的近似能力;2) 从采样空间来看,当前使用的梯度流均定义在全空间上,无法有效处理限制域上的采样问题;3)从近似有效性观察,根据当前梯度流导出的方法均为确定性方法,使用中可能会出现所有粒子都坍缩到同一个局部众数上的现象。因此,本研究将聚焦粒子变分推断方法中的梯度流问题,通过探索不同距离空间上梯度流的特性针对性地扩展梯度流,基于此构建新的兼容不同平滑操作的高效粒子变分推断方法框架,系统性的解决现有粒子变分推断方法中的权重固定、受限采样、粒子坍缩等问题。
英文摘要
The recently developed Particle-based Variational Inference (ParVI) methods is a kind of efficient Bayesian inference method designed for posterior inference of complex Bayesian models. This type of methods utilizes the empirical distribution of M particles to simulate a gradient flow in the probability space, and update the particle positions iteratively so that the empirical distribution of particles is driven towards the target posterior distribution. However, the gradient flow used in the current method still has the following problems. 1)For the expressiveness of the variational distribution, existing gradient flow is not compatible with weight adjustment, and existing ParVIs have a common fixed weight restriction. Actually, existing methods all keep the particles' weights fixed during the whole procedure, and only update the positions of particles, which severely confines the empirical distribution's approximation ability, especially when the particle number is limited. 2) From the perspective of sampling domain, the currently used Wasserstein Gradient Flow is defined in the whole space, which is not suitable for a given target distribution with constrained domain. 3) Existing ParVIs all update particles in a deterministic way, restricted by the formation of existing gradient flow. Although these methods obtain asymptotic accuracy property in the mean-field limit, they have an intractable pitfall that particles tend to collapse under certain condition due to their deterministic-update fashion. Therefore, this project will focus on the Gradient Flow problem in ParVI research field, aiming to further improve the effectiveness of ParVI and its usability in complex scenarios. Based on existing research results, we construct effective frameworks for ParVIs which is compatible with different smoothing operations, and systematically solve certain open problems in ParVI field, such as fixed-weight, restricted sampling, and particle collapsing by extending current Gradient Flow with different characteristics.
本项目围绕“粒子变分推断中的梯度流问题”,面向高维复杂分布的近似推断需求,以概率测度空间的几何结构与梯度流为主线,开展粒子系统的算法构造、稳定性与收敛理论研究,并在扩散生成与强化学习等典型任务中进行验证与拓展。在基础研究方面,项目组1)研究了粒子位置更新与权重调整协同发生的梯度流机制,引入信息几何与费舍尔-拉奥结构,构造可计算的变权重粒子方法,并结合半哈密顿加速思想提升收敛效率,从平均场极限角度分析“位置-权重”联合演化的渐近正确性与收敛性质;2)面向概率单纯形与一般约束集合,研究限制域上的镜像型(原始-对偶)分布演化与自然梯度更新机制,针对限制域推断中二阶几何算子难以高效获取的问题,研究Fisher/负Hessian类算子的结构化表达与高效近似访问方法;3)围绕粒子方法在高维非凸概率景观中的局部聚集与混合偏慢问题,将扩散采样等过程刻画为退火Langevin类粒子动力学,研究提升探索效率的动力学改造思路,利用低秩二阶几何近似与阻尼稳定化机制提高粒子更新有效性。在应用基础研究方面,本项目1)结合扩散ODE采样与反演一致性、二阶几何增强采样质量等问题,发展训练无关的高效算法,在图像生成、可逆编辑等任务中验证方法性能与可扩展性;2)将策略迭代视作限制域上的分布演化过程,研究单纯形约束下的自然梯度/镜像型更新机制,并在离线强化学习与零和Markov博弈等场景中验证其理论与实践效果;3)结合触觉生成、自动驾驶数据生成、概念擦除与增量学习等应用需求,研究扩散模型与预训练视觉模型的参数高效适配、条件可控生成与安全抑制机制,并在公开基准与真实场景数据上进行系统验证,拓展了粒子化推断与梯度流方法在多模态智能与安全可信生成方向的应用边界。在项目资助下,课题组在Machine Learning、ACM TOMM 、IEEE TCSVT、Neurocomputing等期刊上发表SCI论文6篇;在NeurIPS/ICML/ICLR/ICCV/AAAI等中国计算机学会推荐国际学术会议上发表论文12篇(其中,CCF-A类会议论文11篇)。
可聚合低共熔溶剂固态离子凝胶膜的可控构
筑及其 CO2 分离性能研究
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批准号:Z24E030002
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2024
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负责人:张超
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依托单位:
基于超声定位显微镜技术的2型糖尿病病程可视化研究
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批准号:82371968
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项目类别:面上项目
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资助金额:48万元
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批准年份:2023
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负责人:张超
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依托单位:
PDMS支撑纳米凝胶薄层复合膜的可控构筑与CO2的高效分离研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:张超
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依托单位:
粒子变分推断中的梯度流问题
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:30万元
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批准年份:2022
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负责人:张超
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依托单位:
二氧化碳加氢精准合成C4-C8α-烯烃双功能催化剂的构筑及其构效关系研究
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批准号:22208294
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:30万元
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批准年份:2022
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负责人:张超
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依托单位:
可自修复的电流体驱动柔性执行器研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:30万元
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批准年份:2021
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负责人:张超
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依托单位:
可自修复的电流体驱动柔性执行器研究
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批准号:52105070
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项目类别:青年科学基金项目(C类)
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资助金额:30.0万元
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批准年份:2021
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负责人:张超
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依托单位:
单细胞多组学探究小鼠嗜酸性粒细胞谱系分化的转录调控机制及哮喘干预靶点筛选
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:57万元
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批准年份:2021
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负责人:张超
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依托单位:
嗜酸性粒细胞通过对造血系统再生的影响调控过敏性气道炎症的机制研究
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批准号:81800024
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:21.0万元
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批准年份:2018
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负责人:张超
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依托单位:
国内基金
海外基金