Black-box variational inference (BBVI) with Gaussian mixture families offers a flexible approach for approximating complex posterior distributions without requiring gradients of the target density. However, standard numerical optimization methods often suffer from instability and inefficiency. We develop a stable and efficient framework that combines three key components: (1) affine-invariant preconditioning via natural gradient formulations, (2) an exponential integrator that unconditionally preserves the positive definiteness of covariance matrices, and (3) adaptive time stepping to ensure stability and to accommodate distinct warm-up and convergence phases. The proposed approach has natural connections to manifold optimization and mirror descent. For Gaussian posteriors, we prove exponential convergence in the noise-free setting and almost-sure convergence under Monte Carlo estimation, rigorously justifying the necessity of adaptive time stepping. Numerical experiments on multimodal distributions, Neal's multiscale funnel, and a PDE-based Bayesian inverse problem for Darcy flow demonstrate the effectiveness of the proposed method.


翻译:采用高斯混合分布族的黑盒变分推断(BBVI)为近似复杂后验分布提供了一种灵活的方法,且无需目标密度的梯度信息。然而,标准的数值优化方法常受不稳定性和低效率的困扰。我们开发了一个稳定且高效的框架,该框架结合了三个关键组成部分:(1)通过自然梯度公式实现仿射不变预条件处理,(2)一种无条件保持协方差矩阵正定性的指数积分器,以及(3)自适应时间步长以确保稳定性,并适应不同的预热阶段和收敛阶段。所提出的方法与流形优化和镜像下降法存在自然的联系。对于高斯后验,我们在无噪声设定下证明了指数收敛性,并在蒙特卡洛估计下证明了几乎必然收敛性,从而严格论证了自适应时间步长的必要性。在多峰分布、Neal的多尺度漏斗分布以及一个基于PDE的达西流贝叶斯反问题上的数值实验,证明了所提方法的有效性。

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