As illustrated by the success of integer linear programming, linear integer arithmetic is a powerful tool for modelling combinatorial problems. Furthermore, the probabilistic extension of linear programming has been used to formulate problems in neurosymbolic AI. However, two key problems persist that prevent the adoption of neurosymbolic techniques beyond toy problems. First, probabilistic inference is inherently hard, #P-hard to be precise. Second, the discrete nature of integers renders the construction of meaningful gradients challenging, which is problematic for learning. In order to mitigate these issues, we formulate linear arithmetic over integer-valued random variables as tensor manipulations that can be implemented in a straightforward fashion using modern deep learning libraries. At the core of our formulation lies the observation that the addition of two integer-valued random variables can be performed by adapting the fast Fourier transform to probabilities in the log-domain. By relying on tensor operations we obtain a differentiable data structure, which unlocks, virtually for free, gradient-based learning. In our experimental validation we show that tensorising probabilistic linear integer arithmetic and leveraging the fast Fourier transform allows us to push the state of the art by several orders of magnitude in terms of inference and learning times.


翻译:正如整数线性规划的成功所示,线性整数算术是建模组合问题的强大工具。此外,线性规划的概率扩展已被用于构建神经符号人工智能中的问题。然而,两个关键问题持续存在,阻碍了神经符号技术在玩具问题之外的采用。首先,概率推断本质上是困难的,准确来说是#P-难的。其次,整数的离散性使得构建有意义的梯度具有挑战性,这对学习而言是有问题的。为了缓解这些问题,我们将整数值随机变量上的线性算术表述为张量操作,可以使用现代深度学习库以直接的方式实现。我们方法的核心在于观察到:两个整数值随机变量的加法可以通过将对数域概率的快速傅里叶变换进行适配来实现。通过依赖张量操作,我们获得了一个可微分的数据结构,这几乎免费地解锁了基于梯度的学习。在我们的实验验证中,我们展示了将概率线性整数算术张量化并利用快速傅里叶变换,使我们能够在推断和学习时间方面将现有技术水平推进数个数量级。

0
下载
关闭预览

相关内容

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
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
46+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
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
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
70+阅读 · 2022年6月30日
Arxiv
35+阅读 · 2021年1月27日
Exploring Visual Relationship for Image Captioning
Arxiv
15+阅读 · 2018年9月19日
VIP会员
相关VIP内容
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
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16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
46+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
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
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员