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近年來，機器學習在許多應用中證明了其極高的用途性。然而，這些成功故事很多都源于在與訓練數據非常相似的數據上評估算法。當應用于新的數據分布時，機器學習算法已被證明會失敗。鑒于現實世界數據的非平穩和異構性質，我們需要更好地掌握算法在分布外（out-of-distribution）的泛化能力，以便算法能被廣泛部署和信任。我的論文提出了三個研究課題，旨在調查和發展分布外泛化的領域。這些研究努力的中心目標是產生新的工具，如算法、理論結果、實驗結果和數據集，以提高在數據分布發生變化時機器學習方法的理解和性能。貫穿這三個機器學習場景的高級思想是模塊性——由組合在一起形成一個整體的獨立部分的質量。模塊化方法被假設為引導機器學習方法遠離僵化的記憶示例，走向更靈活和“更智能”的支持泛化的學習。

在我的第一項貢獻中，我從多個訓練分布的學習角度來接近論文目標。對這一研究方向的貢獻有兩方面。首先，我呈現了一組新的標準化任務，用于評估和比較分布外泛化算法。其次，我陳述了一系列新的理論結果，填補了數據中心和算法方法之間在分布外泛化方面的現有差距。這些理論發現引導了一組關于如何采用算法方法的新的實用建議。

在第二項貢獻中，我處理了監督圖像識別中的泛化問題。在這一背景下，我首先調查了多級特征聚合對泛化的影響，并證明了使用其中一種考慮的方法進行增強可以持續提高性能。其次，我提出了一組簡單的圖像數據集，可作為評估和比較圖像分類方法在分布外泛化方面的墊腳石。最后，我深入研究了多個神經網絡通信以解決共享任務的學習場景。這項工作以兩種方式支持論文目標。首先，我提出了一個新的環境，圖引用游戲（graph referential games），并在數據表示和相應的數據表示學習方法對分布外泛化的影響上提出了結果。這些結果連接了之前不相連的圖表示學習和新興通信領域。其次，我解決了基于現實圖像的群體通信這一具有挑戰性的領域。這篇論文中的數據集、算法、定理和實驗結果代表了在機器學習中理解和改進分布外泛化方面的幾個步驟。它們為研究人員提供了旨在促進這一領域研究的新工具和結果，其中一些已被證明對研究社群有用。最后，這項工作提出了機器學習的多個分布學習、圖像分類和多代理通信子領域中重要的未來方向。

//www.repository.cam.ac.uk/items/8680585b-87ca-4196-987f-c4d379259092

記憶與學習是否相同？阿根廷作家豪爾赫·路易斯·博爾赫斯（Jorge Luis Borges）的短篇小說《記憶者富內斯》（Funes the Memorious，由James E. Irby翻譯成英文[71，第59–66頁]）描述了一個名叫富內斯的男孩，在頭部受傷后獲得了完美的記憶。他開始詳細地記住他一生的每一個時刻。同時，他失去了泛化的能力：他的記憶彼此是孤立的。例如，他從不同的角度看到同一只狗，卻只把同一只狗的不同側面視為獨立的信息。他甚至不了解自己的身體是什么樣的（‘每次看到鏡中的自己的臉，看到自己的手，都讓他感到驚訝’），這導致了一個結論：‘思考就是忘記一個差異，進行泛化，進行抽象。在富內斯過于充實的世界里，只有細節。’""與富內斯相似，具有數百萬參數的現代神經網絡已被證明會記住訓練樣本，這可能導致一系列問題，例如：（1）對噪聲數據的高度敏感性[150, 221]，（2）易受對抗性攻擊的影響[271, 87, 269, 287]，（3）與人類學習相比樣本效率低[302, 303, 275]，以及（4）對新數據的泛化能力差[62]，即使新數據樣本直觀地與模型已經訓練過的數據有相似之處[61, 251]。這些問題可能出現在應用現代機器學習的任何領域。它們可能導致機器學習系統在使用過程中產生不透明的故障模式，從而導致對機器學習系統的信任度下降[297]。"

"標準機器學習方法中缺少對分布外泛化（Out-of-distribution generalisation）的能力。這些方法得到了統計學習理論[279]的支持，該理論證明了使用基于平均值的優化（經驗風險最小化[279]）以及使用測試集估計泛化誤差的做法是合理的。然而，這一理論假設訓練（過去）和測試（未來）數據是獨立同分布的。在應用機器學習的許多實際領域中，這一假設是不正確的：現實世界的數據是異構的，其分布通常會隨時間變化。分布變化的實際來源包括機器學習系統用戶特性的變化，或一個有實體的代理（embodied agent）所處環境的變化。另一個常見的分布變化例子是由于語言（包括在線使用的語言）動態性而產生的。自然語言的不斷演變已被證明會改變語言模型的困惑度（perplexity），當這些模型在數月內多次應用時[164]。背景章節的第2.4節更多地涵蓋了分布變化的類型和相應的例子。由于這些變化，即使在常用的分布內測試集上達到接近100%的準確率也不總是能預示未來的性能，這一點已被眾多論文所證明[137, 15, 61, 235, 204, 62]。"

"在機器學習領域，關于分布外泛化（OOD generalisation）的主題實質上與機器學習本身一樣廣泛和復雜，并且在研究社群中同樣容易受到瞬息萬變的趨勢和不同觀點的影響。在我看來，面對分布變化提高泛化能力是必要的，原因如下： ? 工程原因 — 提高樣本效率，并在沒有數千個訓練樣本的低資源領域提高性能[110]； ? 科學原因 — 深入了解神經網絡是如何學習的，并可能讓機器學習更接近人類學習； ? 商業原因 — 在目前由人類執行的越來越復雜的任務中使用神經網絡； ? 社會原因 — 通過控制簡單性偏見[246]來消除機器學習系統的偏見。

利用數據中的‘捷徑’可能會導致不公平的解決方案（例如，這可以在招聘工具中利用性別信息時看到[59]）。在我的博士研究期間，我一直在問自己：致力于分布外泛化的機器學習研究社群最需要什么樣的工具？這篇論文旨在以新數據集、新理論結果、新測試平臺、新實驗結果和新算法的形式提供這樣的工具。這些研究努力的具體成果總結在圖1.1中。"

導致這篇論文的研究工作涉及機器學習的三個子領域：多分布學習（第3章）、圖像分類（第4章）和多智能體通信（第5章）。這種廣泛的視角使我能夠收集更多證據來支持中心假設，并探討研究問題（第1.2節）。同時，本論文中介紹的工具旨在對我在博士研究期間有幸與之合作和學習的幾個機器學習社群有所用處：（1）不變學習和群體魯棒性社群（第3章），（2）視覺社群（第4章），以及（3）新興通信社群（第5章）。所有這些社群都在獨立地研究機器學習中的分布外泛化，正如我在背景章節（第2章）以及各自貢獻章節中所回顧的。本論文聯系了我在研究中涉足的之前是分離的社群，例如圖神經網絡[141]與新興通信[43]（第5章），以及面向群體魯棒性的數據導向方法[36]與分布魯棒優化[21]（第3章）。"

在過去的十年中，機器學習在許多具有挑戰性的基準上取得了驚人的成功。然而，我們的機器學習模型是否準備好離開這個實驗室環境，并安全地部署在高風險的現實世界應用程序中?本文通過開發和應用新的框架，使現代機器學習系統更魯棒，從而采取措施使這一愿景成為現實。特別是，我們在這類系統的兩種主要脆弱性模式:對抗性示例和后門數據中毒攻擊方面取得了進展。具體來說，在本文的第一部分中，構建了一種對抗樣本的防御方法，這是第一個在自適應對手面前提供非平凡的對抗魯棒性的方法。在第二部分中，開發了一個后門數據投毒攻擊框架，并展示了在自然假設下，我們的理論結果如何激勵算法標記和刪除經驗上成功的潛在投毒示例。最后，簡要探索了初步證據，表明該框架也可以應用于其他數據模態，如表格數據，以及其他機器學習模型，如決策樹的集成。近年來，機器學習，特別是深度學習，在具有挑戰性的人工智能基準上取得了巨大的進步，從計算機視覺[KSH12]到玩游戲[SHS+18]，從自然語言處理[BMR+20]到機器人[ABC+20]，再到自動駕駛汽車，都取得了令人印象深刻的結果。這些成功給我們帶來了希望，在未來，普適的ML系統將乏味的體力和腦力任務自動化，甚至增強和改善我們的健康、智能和社會。然而，這些令人印象深刻的研究成果和演示是否準備在一個混亂、異構、有時是對抗的世界中轉化為同樣令人印象深刻和有影響力的應用?雖然我們最先進的機器學習模型普遍在各個領域和模態中取得了偉大的結果，但它們在訓練數據中同樣普遍地易受變化的影響——無論是良性的還是對抗的。這篇論文是關于開發原則性的方法來防御特定類型的這種脆弱性。在以下部分中，我們給出了論文的路線圖和我們的主要貢獻。

盡管深度學習取得了理論成就和令人鼓舞的實踐結果，但在推理、因果推理、可解釋性和可解釋性等許多領域仍然存在局限性。從應用程序的角度來看，最有效的限制之一與這些系統的魯棒性有關。事實上，目前的深度學習解決方案都沒有告知它們是否能夠在推理過程中對一個例子進行可靠的分類。現代神經網絡通常過于自信，即使它們是錯誤的。因此，構建魯棒的深度學習應用是當前計算機視覺、自然語言處理和許多其他領域的前沿研究課題。構建更可靠的深度學習解決方案最有效的方法之一是提高它們在所謂分布外檢測任務中的性能，所謂分布外檢測任務本質上是由“知道你不知道”或“知道未知”組成的。換句話說，當提交神經網絡未訓練的類實例時，具有分布外檢測能力的系統可能會拒絕執行無意義的分類。本文通過提出新的損失函數和檢測分數來解決目標性分布不均檢測任務。不確定性估計也是構建更魯棒的深度學習系統的關鍵輔助任務。因此，我們也處理這個與魯棒性相關的任務，它評估由深度神經網絡呈現的概率有多真實。為了證明我們的方法的有效性，除了大量的實驗，其中包括最新的結果，我們使用基于最大熵原理的論點來建立所提出的方法的理論基礎。與大多數當前的方法不同，我們的損失和得分是無縫的和有原則的解決方案，除了快速和有效的推斷，還能產生準確的預測。此外，我們的方法可以并入到當前和未來的項目中，只需替換用于訓練深度神經網絡的損失，并計算一個快速的檢測評分。

深度學習推動了應用的爆炸式增長，然而訓練深度神經網絡通常需要昂貴的人工注釋。在這篇論文中，我們探索了在訓練深度神經網絡時避免大量依賴人工注釋示例的替代方案。具體來說，要么采用自監督方法來自動糾正自由獲得的數據標簽，要么完全放棄使用人工標簽，而是利用音頻和視覺信息的自然共生來學習視頻中的對象表示。越來越多的數字數據通常會提供噪聲標簽，這些標簽可以用來監督學習過程。傳統的數據預處理包括在訓練識別模型之前糾正/清理數據，但這可能需要大量的人工工作。我們考慮自動更正注釋噪聲，從而避免了昂貴的手動注釋的需要。我們構建和擴展了最近的突破，使用一致性損失(consistency loss)和空間記憶映射(space memory map)來提供靈活的實例級注冊，從而實現更大的泛化。進一步探索了多模態感覺流，利用模態冗余，即模態之間的重疊信息，為模型提供自監督。表示是通過利用不同的模式來學習的，而不使用任何人類注釋的標簽。我們將使用三個不同的應用程序演示此技術。

首先，我們自動管理一個大型音頻數據集VGG-Sound，使用視覺引導收集了超過200k的視頻，并在此基礎上進行訓練，生成最先進的音頻識別模型。其次，我們提出了一種改進和擴展最近聲源定位技術的方法，通過引入一種機制來挖掘硬樣本并自動將其添加到對比學習公式中。最后，與在一個特定領域執行的現有視聽同步任務不同，我們建議通過探索使用幾種基于transformer的體系結構來解決開放世界設置中的同步問題。通過這些模型，我們在具有挑戰性的語音數據集中獲得了最先進的結果，并在一般聲音數據集中顯示了出色的泛化效果。

強化學習(RL)為數據驅動決策提供了一個通用框架。然而，正是這種通用性使得這種方法適用于廣泛的問題，也導致了眾所周知的效率低下。在這篇論文中，我們考慮了有趣的決策類所共有的不同屬性，這些屬性可以用來設計計算效率和數據效率都很高的學習算法。具體來說，這項工作研究了決策問題的各個方面的低秩結構和經典確定性規劃的效果稀疏性，以及基于端到端模型的方法所依賴的性能。我們首先展示了后繼表示中的低秩結構如何使高效在線學習算法的設計成為可能。類似地，我們展示了如何在Bellman算子中找到相同的結構，我們使用Bellman算子來制定最小二乘時間差分學習算法的有效變體。我們進一步探索狀態特征中的低秩結構，以學習完全允許在低維空間中進行高效規劃的有效轉換模型。然后，我們進一步了解基于模型的端到端方法，以便更好地理解它們的屬性。我們通過約束優化和隱式微分的視角來研究這類方法。通過隱式視角，我們得到了這些方法的屬性，這些屬性使我們能夠確定它們執行良好的條件。在本文的最后，探索了如何利用經典規劃問題的效果的稀疏性來定義一般的領域無關啟發式方法，通過使用基于潛在的獎勵塑造和提升函數近似，可以用來大大加快領域相關啟發式方法的學習。

//dspace.mit.edu/handle/1721.1/144562

深度神經網絡在學習給定數據集上的表示方面取得了巨大的成功。然而，在許多情況下，學習到的表示是依賴于數據集的，不能轉移到具有不同分布的數據集，即使是對于相同的任務。如何處理域漂移是提高模型泛化能力的關鍵。域適應提供了一個潛在的解決方案，允許我們將具有豐富標簽的源域轉移到只有有限標簽或沒有標簽的目標域。

在本論文中，我將介紹在不同場景下學習可遷移表示的許多方法，包括1) 當源域只有有限的標簽，甚至每個類只有一個標簽時，2) 當有多個標記源域時，3) 當有多個未標記的目標域時。這些方法在不同的數據模態(如視覺和語言)中是通用的，并且可以很容易地組合起來解決其他類似的領域轉移設置(如從具有有限標簽的多個源適應)，使模型能夠泛化到源域之外。許多工作將知識從模擬數據轉移到真實數據，以減少對昂貴的手動注釋的需求。最后，介紹了我們在構建LiDAR 點云模擬器方面的開創性工作，進一步實現了LiDAR 點云分割的大量領域適配工作。

//www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2022/EECS-2022-213.html

在現代監督學習中，如何在訓練數據稀缺的新領域學習預測模型是一個日益嚴峻的挑戰。這激勵開發領域適應方法，利用已知領域(源領域)中的知識，以適應具有不同概率分布的新領域(目標領域)。當源和目標域處于異構特征空間(稱為異構域適應(HDA))時，這就變得更具挑戰性。雖然大多數HDA方法利用數學優化將源數據和目標數據映射到一個共同的空間，但它們具有較低的可轉移性。神經表征已被證明更具可轉移性;然而，它們主要是為同類環境設計的。基于區域適應理論，我們提出了一種新的框架——異構對抗性神經域適應(Heterogeneous Adversarial Neural domain adaptation, HANDA)，以有效地最大化異質性環境下的可遷移性。HANDA在統一的神經網絡體系結構中進行特征和分布對齊，通過對抗核學習實現域不變性。在主要的圖像和文本電子商務基準測試中，我們進行了三個實驗，以評估與最先進的HDA方法相比的性能。HANDA顯示了統計上顯著的預測性能改善。HANDA的實際效用在真實世界的暗網在線市場中得到了展示。HANDA是電子商務應用領域成功適應的重要一步。

//arxiv.org/pdf/2205.07853.pdf

在真實的應用中，數據通常以增長的方式出現，其中數據量和類的數量可能會動態增加。這將給學習帶來重大挑戰:隨著數據量或類的數量不斷增加，人們必須立即調整神經模型的容量，以獲得良好的性能。現有的方法要么忽視數據增長的本質，要么尋求對給定數據集獨立搜索最優體系結構，因此無法針對變化的數據及時調整體系結構。為了解決這一問題，我們提出了一種神經結構自適應方法，即adaptive eXpert (AdaXpert)，可以在不斷增長的數據上有效地調整以前的結構。具體來說，我們引入了一個體系結構調整器，根據以前的體系結構以及當前和以前數據分布之間的不同程度，為每個數據快照生成合適的體系結構。此外，我們提出一個適應條件來確定調整的必要性，從而避免不必要的和耗時的調整。在兩種增長場景(增加數據量和類數)上的大量實驗證明了所提方法的有效性。

//www.zhuanzhi.ai/paper/5b09e4a225a2ba1040ba9848b5a5cd24

消息傳遞被證明是一種設計圖神經網絡的有效方法，因為它能夠利用排列等方差和對學習局部結構的歸納偏差來實現良好的泛化。然而，當前的消息傳遞體系結構的表達能力有限，無法學習圖的基本拓撲性質。我們解決了這個問題，并提出了一個新的消息傳遞框架，它是強大的同時保持置換等方差。具體來說，我們以單熱點編碼的形式傳播惟一的節點標識符，以便了解每個節點的本地上下文。我們證明了我們的模型在極限情況下是通用的，同時也是等變的。通過實驗，我們發現我們的模型在預測各種圖的拓撲性質方面具有優勢，為新型的、功能強大的等變和計算效率的結構開辟了道路。

最近，終身學習在構建不斷積累和轉移知識以幫助未來學習的機器學習系統方面引起了關注。無監督主題建模廣泛用于從文檔集合中發現主題。然而，由于數據稀疏性，例如，在一個小的(短)文檔集合中，會產生不連貫的主題和次優的文檔表示，主題建模的應用具有挑戰性。為了解決這個問題，我們提出了一個神經主題建模的終身學習框架，它可以連續處理文檔集流，積累主題，并通過從多個來源的知識轉移來指導未來的主題建模任務，以更好地處理稀疏的數據。在終身學習過程中，我們特別共同研究:(1)終生共享生成同源性(潛在話題)以轉移先驗知識，(2)通過新穎的選擇性數據增強、聯合訓練和話題正則化方法最小化保留過去學習的災難性遺忘。在給定一個文檔集合流的情況下，我們應用所提出的終身神經主題建模(LNTM)框架，將三個稀疏文檔集合建模為未來任務，并通過perplexity、Topic coherence和information retrieval task量化，證明了性能的提高。