We focus on the fundamental mathematical structure of score-based generative models (SGMs). We first formulate SGMs in terms of the Wasserstein proximal operator (WPO) and demonstrate that, via mean-field games (MFGs), the WPO formulation reveals mathematical structure that describes the inductive bias of diffusion and score-based models. In particular, MFGs yield optimality conditions in the form of a pair of coupled partial differential equations: a forward-controlled Fokker-Planck (FP) equation, and a backward Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation. Via a Cole-Hopf transformation and taking advantage of the fact that the cross-entropy can be related to a linear functional of the density, we show that the HJB equation is an uncontrolled FP equation. Second, with the mathematical structure at hand, we present an interpretable kernel-based model for the score function which dramatically improves the performance of SGMs in terms of training samples and training time. In addition, the WPO-informed kernel model is explicitly constructed to avoid the recently studied memorization effects of score-based generative models. The mathematical form of the new kernel-based models in combination with the use of the terminal condition of the MFG reveals new explanations for the manifold learning and generalization properties of SGMs, and provides a resolution to their memorization effects. Finally, our mathematically informed, interpretable kernel-based model suggests new scalable bespoke neural network architectures for high-dimensional applications.


翻译:我们聚焦于基于分数的生成模型(SGMs)的基本数学结构。首先,我们通过Wasserstein邻近算子(WPO)对SGMs进行公式化,并借助平均场博弈(MFGs)证明,WPO公式化揭示了描述扩散模型与基于分数模型归纳偏置的数学结构。具体而言,MFG导出了一对耦合偏微分方程形式的最优性条件:前向受控Fokker-Planck(FP)方程和后向Hamilton-Jacobi-Bellman(HJB)方程。通过Cole-Hopf变换,并利用交叉熵可与密度的线性泛函相关联这一事实,我们证明了HJB方程为非受控FP方程。其次,基于所获得的数学结构,我们提出了一种可解释的核函数分数模型,该模型在训练样本量和训练时间方面显著提升了SGMs的性能。此外,该基于WPO的核模型被显式构建,以避免近期研究中发现的基于分数的生成模型的记忆效应。新核模型的数学形式与MFG终端条件的结合,揭示了SGMs流形学习与泛化特性的新解释,并为其记忆效应提供了解决方案。最后,我们的数学驱动、可解释的核模型为高维应用提出了可扩展的定制化神经网络架构。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
牛津大学最新《计算代数拓扑》笔记书,107页pdf
专知会员服务
44+阅读 · 2022年2月17日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6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
学习自然语言处理路线图
专知会员服务
140+阅读 · 2019年9月24日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+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
0+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
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年3月21日
VIP会员
最新内容
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
7+阅读 · 今天4:12
《利用人工智能增强军事决策》
专知会员服务
1+阅读 · 今天4:09
《自动机器学习在军事数据耕耘法中的应用》
专知会员服务
3+阅读 · 今天4:02
为何指挥所生存能力要求范式转变
专知会员服务
1+阅读 · 今天3:54
打造“新蛛网”模式与高科技动员
专知会员服务
1+阅读 · 今天3:33
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
1+阅读 · 今天3:23
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
5+阅读 · 6月9日
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
8+阅读 · 6月9日
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
6+阅读 · 6月9日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+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
0+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
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员