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現代機器學習主要受到黑盒模型的驅動，這些模型提供了卓越的性能，但對于如何進行預測的透明度有限。對于需要了解模型如何做出決策的應用，以及協助模型調試和數據驅動的知識發現，我們需要可以回答有關影響模型行為的問題的工具。這就是可解釋機器學習（XML）的目標，這是一個子領域，它開發了從多個角度理解復雜模型的工具，包括特征重要性、概念歸因和數據估值。本文提供了對XML領域的幾個貢獻，主要思想分為三部分：(i)一個框架，使得可以統一分析許多當前的方法，包括它們與信息論和模型魯棒性的聯系；(ii)一系列技術，用于加速Shapley值的計算，這是幾種流行算法的基礎；以及(iii)一系列用于深度學習模型的特征選擇的方法，例如，在無監督和自適應的設置中。這些思想中的許多都是受到計算生物學和醫學應用的啟發，但它們也代表了在各種領域中都有用的基本工具和觀點。

在模型透明度的辯論中，傳統的觀點是我們面臨解釋性與準確性之間的權衡。1有些人辯稱這種權衡并不存在，聲稱我們可以使用“天生可解釋”的模型達到近乎最優的性能（Rudin, 2019）；這對于簡單的表格數據集往往是正確的，但對于像圖像和語言這樣的復雜數據模態則較為罕見。在這里，我們采取了更為寬容的立場：鑒于黑盒模型目前提供了最佳的性能并且已經廣泛部署，我們探討是否有可能從任何模型中獲得足夠的見解。在這樣做的過程中，我們開發了一套在很大程度上對模型的內部機制持中立態度，或者說是模型不可知的工具集，因此即使在今天的最高性能的黑盒模型中也能正常運行。 這一目標也被可解釋機器學習（XML）子領域的許多工作所共享，并且近年來已經取得了顯著的進展。目前，XML工具已被用于了解新疾病的風險因素（Razavian等人，2020；Snider等人，2021），加速數學猜想的發現（Davies等人，2021），在有限的訓練數據標簽下識別蛋白質結合位點（Gligorijevi?等人，2021），審計有缺陷的醫學診斷系統（DeGrave等人，2021）以及從功能系統中獲得新的見解（Ting等人，2017；Sundararajan等人，2017）。這些早期的成功表明了這些工具的潛力，但在這些方法的底層理論以及使它們在實踐中高效的計算程序方面仍有進展空間。這篇論文介紹了我在博士期間進行的幾項工作，旨在解決這些挑戰。

這篇論文包含了我在博士期間完成的大部分項目，所有這些項目都與透明機器學習的核心主題相關。我們首先在第2章建立符號和幾個初步的概念。接下來，每一章都基于一篇第一作者的出版物，其中在某些情況下與共同第一作者共享。為了使它們在一個文檔中更具連貫性，對各個作品進行了修改，但這里沒有提供新的信息，這些論文也可以單獨閱讀。這些作品被組織成三個部分，如下所述。

**第一部分：XML的基礎 **我們首先討論一個統一了大部分文獻的觀點：許多現有的方法都基于一個解釋原則，即通過移除或量化從模型中移除特征的影響。我們描述了一個框架，在這個框架中，這些方法基于三個實現選擇而有所不同，我們為26個現有的算法確定了這些選擇（第3章）。基于這個觀點，我們對這些方法進行了統一分析，并找到了與信息理論、博弈論和認知心理學的聯系。然后，我們探索這些方法的魯棒性特性，并得出了描述它們對輸入和模型擾動的魯棒性的新結果（第4章）。 第二部分：Shapley值計算 接下來，我們探討XML中最廣泛使用的工具之一：Shapley值，一種博弈論信用分配技術。這些是最受歡迎的特征歸因方法之一，SHAP（Lundberg和Lee，2017）的基礎，以及一個著名的數據估值技術（Ghorbani和Zou，2019），但它們是臭名昭著的難以計算。有一系列方法來加速它們的計算（Chen等人，2022），我們在這里討論兩個：基于加權線性回歸的近似（第5章），和基于深度學習的攤銷優化的近似（第6章，第7章）。 第三部分：深度學習的特征選擇 最后，特征選擇為提供透明度的同時也降低了特征獲取成本提供了另一個方向。由于多次訓練不同特征集的模型的高昂成本，似乎很難與深度學習一起實施，但我們探討了如何使用可微分的層來阻止特征信息進入網絡（第8章）。然后，我們討論如何在自適應設置中應用這些思想，其中我們根據當前可用的信息為每個預測單獨選擇特征（第9章，第10章）。

雖然生成模型具有令人興奮的潛力，但其有限的可用性為其在現實世界應用中的廣泛采納帶來了重大挑戰。具體而言，現有方法往往會放大埋藏在其訓練數據中的有害社會偏見，并且經常無法準確反映用戶主觀規格，例如在生成輸出中的風格。此外，當處理具有獨特結構的數據分布，如周期性時，存在明顯的性能差距，限制了它們在圖像和文本數據之外的適用性。本論文考慮了所有這些方面，以幫助構建安全、可靠的生成AI系統，以便實際集成和部署。

首先，我們提出了一個方法論框架來應對偏見緩解和可控性的挑戰。基于傳統的密度比率估計(DRE)方法，我們開發了技術來修正已學習的模型分布，使其顯示的特征更接近感興趣的另一個目標分布。這些貢獻不僅為DRE提供了一個新的理論框架，而且還提高了在一系列下游任務上的性能，如域適應、數據增強和互信息估計。接下來，我們展示了這些方法在社會應用中的兩個實際應用。我們證明：(a)我們的重新加權生成建模框架成功地緩解了數據集偏見，以及(b)更可控制的模型可以更好地根據個人偏好定制AI生成的音樂，并協助創作過程。最后，我們總結了開發新的學習算法，將領域特定的歸納偏見整合到無線通信的生成模型中，以及離散數據分布。

基于概率的生成模型為我們今天的社會解鎖了大量新的機會。在大規模數據集和計算能力的推動下，最近的進展使我們能夠自動完成開發者工作流中的代碼[Che+21]，根據自然語言指令合成高保真度的圖像和視頻[Ram+21; Ram+22; Rom+22; Yu+22; Ho+22; Sin+22]，將風格傳遞給錄制視頻的每一幀[Ess+23]，并個性化音樂表演以適應我們的口味[Don+23; Ago+23]。從通過協助數字內容創建為經濟增加數萬億美元的價值，到為創意工作民主化訪問和降低進入門檻，該領域正準備重新定義人工智能(AI)領域內的可能性[Bom+21; Elo+23]。

然而，這種興奮掩蓋了阻礙生成模型在現實世界應用中實際可用性的新出現的瓶頸。盡管它們具有強大的功能，生成模型仍然難以準確捕獲具有周期性（例如，醫學時間序列）和離散性（例如，分子生成的圖）這樣的特性的結構化數據分布。這極大地限制了它們在圖像和文本數據的創意努力之外的實用性。此外，實際將這些模型整合到我們的創意循環中也由于控制其輸出所涉及的復雜性而面臨重大挑戰[Lou+20]。這是因為指導合成輸出的用戶指定控制信號通常很難在數學或語言上明確地表達，而需要大量注釋的數據集進行標記監督或巧妙地導航模型超參數的組合爆炸[Yu+22; Gal+22; Fen+23]。最后，這樣的模型可能是不安全的，并在部署時產生意外的后果。因為生成模型旨在捕獲數據分布，它們不幸地可能放大訓練數據中的有害社會刻板印象，在下游應用中[Wei+21; CZB22]。這種關鍵的故障模式對終端用戶構成了重大的安全風險，他們可能會暴露于或在令人不安的內容中被利用[Jal+21; Bia+22; Ran+22]。因此，大型機構行為者可能會猶豫是否開放這些模型的源代碼，而基于這些技術構建的產品非常難以可靠且安全地部署到廣大公眾。 在這一背景下，任何成功的利用這些AI系統的方法都必須滿足兩個基本標準。首先，它們必須生成忠實于用戶規格的高質量內容，無論控制信號是顯式的（例如，風格）還是隱式的（例如，社會規范或價值觀）。這種細致的控制將確保生成可靠和相關的輸出，適用于實際的、真實世界的應用。第二個要素是，它們必須成功處理各種數據分布。這對于擴展這些模型在各種社會和技術領域的適用性至關重要。

盡管生成模型具有令人振奮的潛力，但它們的有限可用性對于在現實世界應用中廣泛采用它們提出了重大挑戰。具體來說，現有方法往往會放大嵌入在其訓練數據中的有害社會偏見，并且通常無法準確反映生成的輸出中的主觀用戶規范，例如風格。此外，當處理具有獨特結構的數據分布時，如周期性，會存在明顯的性能差距，這限制了它們在圖像和文本數據之外的適用性。本論文考慮了所有這些方面，以幫助構建安全可靠的生成式人工智能系統，用于實際集成和部署。

首先，我們提出了一種方法論框架，以應對偏見減輕和可控性方面的挑戰。在經典的密度比估計（DRE）方法基礎上，我們開發了技術，用于糾正學習模型分布，使其表現出更與另一目標分布更緊密對齊的特征。這些貢獻不僅為DRE提供了一個新的理論框架，還提高了在各種下游任務上的性能，如領域自適應、數據增強和互信息估計等。接下來，我們介紹了這些方法在社會應用中的兩個真實應用。我們證明：（a）我們的重新加權生成建模框架成功減輕了數據集偏見，（b）更可控的模型可以更好地定制AI生成的音樂以適應個人偏好，并促進創造過程。最后，我們總結了通過將領域特定的歸納偏見納入無線通信的生成模型以及離散數據分布的生成模型中的新學習算法。

概率生成模型承諾為我們的社會帶來巨大的新機會。受大規模數據集和計算資源的可用性推動，最近的進展已經催生出可以自動完成開發者工作流中的代碼 [Che+21]，根據自然語言指令合成高保真度圖像和視頻 [Ram+21; Ram+22; Rom+22; Yu+22; Ho+22; Sin+22]，將風格轉移到錄制視頻的每一幀 [Ess+23]，并個性化音樂表演以迎合我們的口味 [Don+23; Ago+23] 的機器。從通過協助數字內容創作增加數萬億美元的經濟價值到民主化訪問并降低創意工作的準入門檻，這個領域準備重新定義人工智能（AI）領域的可能性 [Bom+21; Elo+23]。

然而，這種興奮熱潮掩蓋了阻礙生成模型在實際應用中的實用性的新興瓶頸。盡管生成模型具有強大的能力，但它們仍然難以準確捕捉具有周期性（例如，醫學時間序列）和離散性（例如，分子生成的圖形）等特征的結構化數據分布。這極大地限制了它們在涉及圖像和文本數據以外的創意工作之外的實用性。此外，實際將這些模型集成到我們的創意循環中也面臨著重大挑戰，因為控制它們的輸出涉及復雜性 [Lou+20]。這是因為用于引導合成輸出的用戶指定的控制信號通常在數學或語言上很難表達，而是需要大量的帶標簽監督的注釋數據集或巧妙地導航可能的模型超參數組合爆炸 [Yu+22; Gal+22; Fen+23]。最后，這些模型可能存在安全風險，并在部署時產生意想不到的后果。因為生成模型的設計目標是捕捉數據分布，不幸的是，它們可能會在下游應用中放大訓練數據中存在的有害社會刻板印象 [Wei+21; CZB22]。這種重要的故障模式對最終用戶構成了重大安全風險，他們可能會接觸到或被濫用于令人不安的內容 [Jal+21; Bia+22; Ran+22]。因此，大型機構可能會猶豫是否開源這些模型，以及基于這些技術構建的產品可能會受到極大的限制。

在這種背景下，任何成功的方法來利用這些人工智能系統都必須滿足兩個基本標準。首先，它們必須生成高質量的內容，忠實于用戶的規范，無論控制信號是顯式的（比如風格）還是隱式的（比如社會價值觀念）。這種細粒度的控制將確保可靠且相關的輸出，使其適用于實際的現實世界應用。第二個要素是它們必須成功處理各種數據分布。這對于擴展這些模型的適用性到各種社會和技術領域將是至關重要的。

本論文旨在設計有效的方法，將已知結構融入機器學習模型中。結構的產生源于問題的形式化（例如，物理約束、聚合約束）或模型所需的屬性（能效、稀疏性、魯棒性）。在許多情況下，建模者對他們正在建模的系統有一定的了解，這必須以精確的方式進行加強。這對于提供充分的安全保證，或提高系統效率是必要的：用更少的數據訓練系統，或減少計算成本。本論文在各種設置中提供了方法，這些方法建立在連續的、受約束的優化和可微統計建模（也稱為深度學習）的兩個基礎領域之上。

論文的第一部分集中于設計和分析帶有凸約束的優化問題的高效算法。特別是，它關注Frank-Wolfe算法的兩個變體：第一個變體提出了一個快速的回溯線搜索算法，以自適應地設置全梯度設置中的步長；第二個變體提出了一個快速的隨機Frank-Wolfe算法，用于受約束的有限和問題。我還描述了對開源受約束優化軟件的貢獻。這篇論文的第二部分關注設計確切強制某些約束的深度學習模型：基于物理的約束，以及概率預測模型的聚合約束。這部分利用了雙層優化模型，并利用可微優化約束復雜神經網絡的輸出。我們證明，可以在復雜的非凸模型上強制執行復雜的非線性約束，包括概率模型。

這些例子展示了混合模型的威力，這些模型結合了數據驅動的學習，利用如深度神經網絡這樣的復雜非線性模型，并允許高效算法的經過深入研究的優化問題。這些混合模型幫助高度靈活的模型捕獲結構模式，有時甚至不需要任何數據訪問就能實現出色的性能。

近年來，機器學習模型在旨在匹配人類感知的領域（計算機視覺、音頻處理、自然語言）中取得了無數的成功。這些成功是通過理解如何利用模型輸入中的結構來實現的：圖片、聲音、文本、代碼，甚至分子的數字表示[1, 2, 3, 4]。為了在工程和科學中達到相似的成功水平，模型必須納入額外的結構性約束：模型的內部和輸出都應滿足某些關鍵屬性（例如，模型內部的稀疏或低秩權重，以及模型輸出的物理方程）。盡管優化領域長期以來一直關注如何實施這些約束，但將優化方法帶來的結構與數據驅動模型的靈活性結合起來的努力是非常近期的[5, 6]。這篇論文提出了新穎、高效的方法，將結構融入機器學習模型中，無論是在模型的內部（第一部分）還是在模型的輸出（第二部分）。我們認為這樣的混合系統將是為復雜的物理應用開發高性能系統的關鍵。機器學習中的結構性約束最近再次將Frank-Wolfe（FW）算法家族推到了聚光燈下。Frank-Wolfe算法允許對決策變量（例如，模型權重）施加凸約束，同時保持決策變量的稀疏表示。這篇論文的第一部分開發了新穎的Frank-Wolfe算法變體，以提高算法的實際速度。此外，我們還描述了我們的兩個開源優化庫：COPT和CHOP。在實際環境中部署決策制定系統時，系統必須執行物理約束：差異可能導致未定義的決策。例如，如果我們預測一個地區不同粒度的水庫的入水流量，不同級別的預測必須執行質量守恒；否則，會有未被計入的水量，破壞決策制定系統。這篇論文的第二部分考慮了將物理約束納入深度學習模型的問題，采用偏微分方程和分層質量守恒的形式。

在海量數據的時代，高效的機器學習算法變得至關重要。然而，許多常見的機器學習算法依賴于在大數據集上計算成本過高的子程序。通常，現有的技術會對數據進行子采樣或使用其他方法來提高計算效率，但這會以引入一些近似誤差為代價。這篇論文表明，往往只需用一種特殊的隨機化方法替代計算密集型的子程序，就能在幾乎不降低質量的情況下獲得足夠的效果。這篇論文的結果是基于自適應采樣文獻中的技術。第1章以一個特定的自適應采樣問題為引子：多臂老虎機中的最佳臂識別。我們首先提供了環境設定和最佳臂識別問題的正式描述。然后，我們介紹了一種名為“連續淘汰”的通用算法，用于解決最佳臂識別問題。在第2章，第3章和第4章，我們將把在第1章中開發的技術應用于不同的問題。在第2章，我們討論了如何將k-medoids聚類問題簡化為一系列的最佳臂識別問題。我們利用這一發現提出了一種基于連續淘汰的新算法，該算法在聚類質量上與先前的最新技術相當，但達到相同解的速度要快得多。在數據生成分布的一般假設下，我們的算法在樣本復雜性上實現了 O( n logn ) 的降低，其中 n 是數據集的大小。

在第3章中，我們分析了訓練基于樹的模型的問題。這類模型的大部分訓練時間都用在分割樹的每個節點上，即確定在哪個特征和相應的閾值處分割每個節點。我們展示了節點分割子程序可以簡化為一個最佳臂識別問題，并介紹了一種訓練樹的最新算法。我們的算法僅依賴于每個可能分割的相對質量，而不是顯式地依賴于訓練數據集的大小，并將數據集大小n的顯式依賴從常用的先前算法的O(n)降低到O(1)。我們的算法通常適用于許多基于樹的模型，如隨機森林和XGBoost。在第4章中，我們研究最大內積搜索問題。我們注意到，與k-medoids和節點分割問題一樣，最大內積搜索問題可以簡化為一個最佳臂識別問題。有了這個觀察，我們為高維數據集中的最大內積搜索問題提出了一個新穎的算法。在對數據的合理假設下，我們的算法將與數據集維數d的顯式比例從O(√d)降低到O(1)。我們的算法具有幾個優點：它不需要對數據進行預處理，能自然處理新增或刪除的數據點，并包含一個超參數來權衡準確性和效率。第5章以總結本論文的貢獻和未來工作的可能方向作為結論。

//searchworks.stanford.edu/view/14783548

在過去的幾十年里，機器學習在眾多人工智能應用中取得了長足的進步。然而，它的成功主要依賴于在一個封閉的環境中使用大量的離線數據訓練模型，然后在類似的測試環境中對它們進行評估。這意味著大多數機器學習模型無法在很少的觀察下快速適應新環境并在線學習新知識。相比之下，我們的人類大腦可以從在線感官輸入流中學習新的表示、概念和技能。**本文旨在使具有幾個核心能力的機器能夠在開放世界中學習新概念，而無需訪問大量精心策劃的標記數據。**具體來說，它解決了幾個關鍵問題，如使用有限的標記數據、增量數據、無標記數據以及不平衡和噪聲數據進行學習。本文提出的算法可以自然地與任何深度神經網絡相結合，并且與網絡架構無關。它們可以為各種開放世界條件提供更大的靈活性和魯棒性，使基于學習的方法適合部署在一般的基于智能體的智能系統中。

1.引言

**機器學習是人工智能領域的核心課題之一。由于許多智能行為不能簡單地由標準程序定義，而不是依靠人工設計的規則，本文使用機器學習來獲得函數逼近，給定許多輸入和輸出觀測。**今天，在機器學習的幫助下，我們的計算機可以識別我們的聲音和筆跡，記住我們的臉，標記我們的照片，翻譯不同的語言，在下棋和圍棋中擊敗我們，并在道路上安全駕駛汽車。就像阿蘭·圖靈在20世紀50年代設想的那樣，今天的計算機使用機器學習來“模擬”兒童的思維，這是一張逐漸充滿各種各樣的知識和表示的白紙。然而，機器的學習過程與兒童的學習過程仍有很大的差距。也許機器學習和人類學習之間最顯著的區別之一是能夠學習自然世界中稀缺數據的任務。如今的機器學習往往依賴于在一個封閉的世界環境中訓練模型，并在大量經過整理的數據中進行評估，然后在類似或相同的測試環境中進行評估。這意味著，與人類不同，標準的機器學習算法無法在很少的觀察下快速適應新環境并在線學習新知識。在本文中，我們將這種期望的能力稱為開放世界學習。 我們如何彌合人類和機器之間的這種明顯差距?我的論文旨在尋求解決方案，使機器能夠在一個開放的世界中學習新概念，而不需要獲取大量的策劃標簽。具體來說，它解決了開放世界學習框架下的幾個關鍵問題，如使用有限的標記數據、增量數據、無標記數據、不平衡和噪聲數據、在線和流數據進行學習，所有這些都是今天典型的機器學習管道中沒有考慮的。這些問題的最終解決方案將對我們所有人產生深遠的影響。首先，它將允許未來的智能體在飛行中學習:你未來的家庭機器人將適應你的房子，識別新家具，并學習使用新設備;你的增強現實眼鏡將通過你對世界的視角來學習，這些視角是你過去從未經歷過的;您的個人AI助理將適應您的偏好，并在與您的對話中學習新技能。此外，它將在許多工業應用中節省數百萬小時的工程、標簽和數據管理工作。最后，通過將我們的學習過程投射到計算框架中，這也將是探索理解人類智能的一個里程碑。

本文概述

**本文提出的貢獻，使機器能夠用很少的標記示例獲得新概念，并使它們對許多自然主義和開放世界條件更魯棒。**在過去，有幾種機器學習范式，如小樣本學習、持續學習、自監督學習等，它們都是由使機器學習在開放世界中更加靈活和自適應的大愿景所驅動的。第二章概述了這些課題的背景文獻。具體來說，本文首先討論了各種學習范式，這些范式鼓勵在與訓練不同的環境中進行測試時的學習，例如小樣本學習和持續學習，然后討論了另一個相關研究的思路，旨在從無標簽的示例中學習，例如自監督學習。 然而，這些學習范式通常只專注于一個特定的屬性，如域偏移量或標記數據點的數量。有時，這些性質是正交的，它們的解可以組合在一起，但通常提出的解決方案依賴于一些額外的不現實的假設。例如，標準的半監督學習利用未標記的數據來提高學習模型的質量;然而，它假設未標記的數據與標記的數據來自相同的分布，并且也屬于預定義的類別之一。在另一個例子中，標準的少樣本學習旨在用很少的數據點來學習新類別，但它假設數據點平均分布于在訓練期間從未見過的幾個新類別。或者，類不平衡問題通常假設類標簽是正確的，因此高訓練成本意味著數據點來自少數類。在這些示例中，假設學習環境的其他屬性的解決方案在同時存在多個問題的開放世界中部署時可能會崩潰。因此，本文的核心主題是尋求新的解決方案，以同時解決開放世界的多種特性，如有限的標記數據學習、輸出空間的增量增長、無標記、不平衡和有噪聲的數據。為了實現這一目標，我們不僅需要開發新的學習算法，還需要重新思考定義問題的學習范式。因此，論文的一部分，如第4章和第6章的部分，也旨在定義具有額外自然屬性的新的學習范式或基準。

**用有限的標記數據進行學習的文獻被廣泛稱為少樣本學習。然而，標準的少樣本學習在測試時只處理少量的新類。**在第3章中，我們關注的是增量少樣本學習的問題，模型需要識別訓練時多次出現的舊類別和測試時剛剛引入的新類別。令人驚訝的是，許多只專注于解決新類別的經典少樣本學習方法，實際上在處理結合新舊類別的更現實問題時受到了影響，可能是因為新舊類別的表示彼此不兼容。與直接使用新類樣本的某些特征向量作為分類器權重的傳統方法不同，本文提出的方法是基于連續優化的，通過平衡新舊類帶來的目標來求解權重，并在測試時達到更好的優化解。在整個增量學習新類別的過程中，現實世界的智能體通常會遇到更多的未標記樣本。在第4章中，我們又向前邁進了一步，將未標記數據引入到小樣本學習問題中。本文提出一種半監督少樣本學習的新學習范式，除了在每個學習片段中標記的數據點很少的約束外，還考慮未標記的樣本。本文工作是第一個同時解決半監督學習和少樣本學習的工作。它不僅減少了訓練和測試任務中對標記數據量的依賴，而且解決了干擾因素的問題，即不屬于任何已知類別的類別，因為在經典的半監督學習中不考慮這一問題。本文提出新的少樣本學習模型，可以規避分干擾類的影響，同時仍然設法利用來自未標記數據的有用信息。

**盡管小樣本學習取得了廣泛的成功，但情節通常是從精心策劃的數據集中采樣，而不是從自然世界的噪聲長尾分布中采樣。**我們在第4章中介紹的干擾物例子也可以被認為是一種噪聲訓練數據。在第5章中，我們將研究在標準機器學習環境下的不平衡和噪聲類標簽學習問題。雖然這兩個問題在自然學習環境中普遍發生，但傳統上，它們被分開研究，采用相互矛盾的補救方法。為了解決這一沖突，本文提出了一種數據驅動的示例權重機制，可以在統一的框架下直接應用于這兩個問題。該算法利用干凈和平衡的驗證集來校準訓練樣本權重。該模型還強調了一種同時聯合更新內層和外層循環參數的高效學習方法。少樣本學習通常伴隨著僵化的情景設置，這使得對新概念的持續增量獲取進行建模變得不自然。第6章提出了一種新的在線情境化小樣本學習范式。雖然我們在第3章中研究了新舊類別的組合，但之前的方法主要關注情節的概念，但知識從未隨著時間順序和增量增長。雖然已經有一些努力使這些情節更有順序，就像設置增量類學習一樣，但訓練和測試階段的分離仍然使評估變得繁重。現實世界的智能體不依賴偶發的停止，而是執行在線持續學習，在序列的每個時間步中產生一些輸出預測，通過自上而下的上下文信息流進行調制。新范式包含了許多自然主義屬性，如在線、增量、上下文化、少樣本和半監督，還開發了一個基于室內家庭圖像的新基準，模仿現實世界智能體的視覺輸入流。提出了一種新的模型——上下文原型記憶(context Prototypical Memory, CPM)，成功地解決了在有限標記數據下的在線上下文類學習問題。

最后，在第7章中，我們研究了在不使用任何類別標簽的情況下，通過在線視覺輸入流動態學習表示和類別。在前幾章中，學習仍然主要由帶標簽的示例驅動:例如，在第6章中，只有當環境告訴智能體它是一個新類時，新的類別簇才會創建。在本章中，我們將介紹一種算法，該算法允許智能體同時從未標記的數據流中學習表示和類別。這可以被視為發展過程中的一個前階段，因為智能體可以首先通過在沒有標記數據的情況下學習表示和類別來探索環境，然后在一些示例的監督下進行。所提出的模型，在線無監督原型網絡，將用于概念學習的原型網絡與基于聚類的自監督表示學習相結合，并與僅使用在線數據流進行訓練的最先進的自監督視覺表示學習方法相比較。此外，該算法對不均衡分布也具有較強的魯棒性。

目錄內容：

長期以來，隨著數據處理系統的復雜性不斷增加，系統設計者一直在想象能夠根據環境線索進行自我配置和適應的系統(如數據庫、調度程序)。在這種情況下，強化學習(RL)方法從一開始就吸引了系統開發人員。他們承諾從原始反饋信號中獲取復雜的決策策略。盡管RL方法在概念上很流行，但在現實世界的數據處理系統中卻很少見到。最近，由于利用大型神經網絡(深度強化學習)取得了引人注目的成功，RL受到了爆炸性增長的關注。新興的機器學習框架和強大的硬件加速器催生了大量新的潛在應用。在本文中，我首先提出，為了高效地設計和執行深度RL算法，需要新穎的軟件抽象來適應通信密集和快速進化算法的獨特計算模式。我提出了一種將邏輯算法構造與本地和分布式執行語義解耦的體系結構。我將進一步介紹RLgraph，這是我對這個體系結構的概念驗證實現。在RLgraph中，算法開發人員可以通過組合邏輯組件構建高級數據流圖來探索新的設計。此數據流圖獨立于特定的后端框架或執行概念，只在以后通過分階段構建過程映射到執行語義。RLgraph支持高性能算法實現，同時保持快速原型的靈活性。

//www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/304385

其次，我研究了系統本身中RL應用程序稀缺的原因。我認為，由于缺乏用于任務模型設計的工具來彌合系統和算法之間的差距，以及缺乏評估模型能力的共同標準，應用RL的進展受到了阻礙。在本文中，我介紹了應用RL中第一個用于增量模型設計的工具——Wield。Wield 提供了一小組原語，將系統接口和特定于部署的配置從表示中分離出來。運用的核心是一種新的指導性實驗協議，稱為漸進隨機化，它幫助從業者逐步評估非確定性的不同維度。我演示了如何使用和漸進的隨機化可以用來再現和評估之前的工作，并指導新RL應用程序的實現。

在過去的十年里，深度學習取得了巨大的成功，但在權值更新和訓練樣本數量方面，實際有用的深度模型的訓練仍然非常低效。為了解決這些問題的一個方面，本文研究了持續學習設置，該模型利用一系列的任務，利用之前的知識來快速學習新任務。持續學習的主要挑戰是，在為新任務更新模型時，避免模型災難性地忘記之前的信息。

//ora.ox.ac.uk/objects/uuid:7a3e5c33-864f-4cfe-8b80-e85cbf651946

為此，本文首先提出了一種持續學習算法，通過正則化兩個連續任務的條件似然之間的kl -散度來保留之前的知識。結果表明，這種正則化對網絡權值施加了二次懲罰，該懲罰基于上一個任務的最小曲率。其次，本文提出了一種更有效的持續學習算法，利用對過去任務的情景記憶作為約束，這樣當對新任務進行權重更新時，情景記憶的損失不會增加。結果表明，使用情景記憶約束目標比正則化網絡參數更有效。此外，為了提高學習新任務的速度，提出了使用組合任務描述符的聯合嵌入模型，大大提高了正向遷移。基于情景記憶的持續學習目標通過直接在損失函數中使用記憶來簡化。盡管它傾向于記憶出現在微小情景記憶中的數據，結果算法顯示出比使用記憶作為約束的算法更好的泛化。分析認為，這種驚人的概化是由于新任務數據帶來的正則化效應。然后利用該算法對合成數據和真實數據進行持續學習。為此，提出了一種方法，通過優化重放緩沖區上的事后遺忘損失，為每個任務生成合成數據點。設計了一個嵌套的持續學習優化目標，有效地利用這些綜合點來減少基于記憶的持續學習方法的遺忘。最后，本文提出了一種持續學習算法，在不重疊的特征子空間中學習不同的任務。通過保持不同任務的子空間相互正交來最小化重疊，可以減少這些任務表示之間的干擾。

在現實生活中部署人工智能體的一個基本問題是它們快速適應環境的能力。傳統的強化學習(RL)以兩種方式與這一需求作斗爭。首先，對不受約束的環境動態的迭代探索會產生大量信息不足的更新，從而導致適應速度緩慢。其次，最終的策略沒有能力適應未來的觀察結果，必須隨著觀察結果的發生緩慢地無限學習或完全重新訓練。本文探討了兩種旨在解決這些問題的表述。元強化學習對整個任務分布的考慮使策略能夠快速適應特定實例。通過強迫智能體特定地請求反饋，主動強化學習強制進行選擇性的觀察和更新。這兩個公式都簡化為貝葉斯-自適應設置，在其中保持對可能環境的概率信念。許多現有的解只提供了在實際環境中使用有限的漸近保證。我們開發了一種近似信念管理的變分方法，并通過廣泛的消融實證支持其有效性。然后，我們考慮最近成功的規劃方法，但發現和討論它們在應用到所討論的設置中的障礙。影響RL系統的數據需求和穩定性的一個重要因素是選擇合適的超參數。我們開發了一種貝葉斯優化方法，利用訓練過程的迭代結構，其經驗性能超過現有基線。本文的最后一個貢獻是提高高斯過程(GPs)的可擴展性和表達性。雖然我們沒有直接使用現有的框架，但GPs已經被用于在密切相關的設置中建模概率信念。

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