The learning of Gaussian Mixture Models (also referred to simply as GMMs) plays an important role in machine learning. Known for their expressiveness and interpretability, Gaussian mixture models have a wide range of applications, from statistics, computer vision to distributional reinforcement learning. However, as of today, few known algorithms can fit or learn these models, some of which include Expectation-Maximization algorithms and Sliced Wasserstein Distance. Even fewer algorithms are compatible with gradient descent, the common learning process for neural networks. In this paper, we derive a closed formula of two GMMs in the univariate, one-dimensional case, then propose a distance function called Sliced Cram\'er 2-distance for learning general multivariate GMMs. Our approach has several advantages over many previous methods. First, it has a closed-form expression for the univariate case and is easy to compute and implement using common machine learning libraries (e.g., PyTorch and TensorFlow). Second, it is compatible with gradient descent, which enables us to integrate GMMs with neural networks seamlessly. Third, it can fit a GMM not only to a set of data points, but also to another GMM directly, without sampling from the target model. And fourth, it has some theoretical guarantees like global gradient boundedness and unbiased sampling gradient. These features are especially useful for distributional reinforcement learning and Deep Q Networks, where the goal is to learn a distribution over future rewards. We will also construct a Gaussian Mixture Distributional Deep Q Network as a toy example to demonstrate its effectiveness. Compared with previous models, this model is parameter efficient in terms of representing a distribution and possesses better interpretability.


翻译:高斯混合模型(简称GMMs)的学习在机器学习中扮演着重要角色。因其强大的表达能力和可解释性,高斯混合模型在统计学、计算机视觉到分布强化学习等领域具有广泛应用。然而,迄今为止,能够拟合或学习这些模型的已知算法寥寥无几,其中包括期望最大化算法和切片Wasserstein距离。更少的算法能够与神经网络中常用的梯度下降学习过程兼容。本文首先推导了一维单变量情形下两个GMM的闭式公式,随后提出了一种名为切片克拉默2-距离(Sliced Cramér 2-distance)的度量函数,用于学习一般多元GMMs。我们的方法相比以往多种方法具有若干优势。其一,它在单变量情形下具有闭式表达式,且易于使用常见机器学习库(如PyTorch和TensorFlow)进行计算和实现。其二,它与梯度下降兼容,使我们能够将GMMs与神经网络无缝集成。其三,它不仅能将GMM拟合到一组数据点,还可直接拟合到另一个GMM,无需从目标模型中采样。其四,它具备某些理论保证,如全局梯度有界性和无偏采样梯度。这些特性对于分布强化学习和深度Q网络尤为有用,其目标是学习未来奖励的分布。我们还将构建一个高斯混合分布深度Q网络作为简易示例,以证明其有效性。与先前模型相比,该模型在表示分布时参数效率更高,并具有更优的可解释性。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
论文浅尝 | Question Answering over Freebase
开放知识图谱
19+阅读 · 2018年1月9日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
10+阅读 · 2021年2月26日
Arxiv
19+阅读 · 2021年2月4日
VIP会员
最新内容
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:43
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:38
《美空军条令出版物 4-0,维持》
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:32
《基于仿真的空军任务规划优化》
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:21
CVPR 2026教程:统一多模态模型走向收敛之路
专知会员服务
6+阅读 · 6月8日
《人工智能在网络防御中的机遇》
专知会员服务
6+阅读 · 6月8日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
论文浅尝 | Question Answering over Freebase
开放知识图谱
19+阅读 · 2018年1月9日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员