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持續學習(CL)是一種特殊的機器學習范式,它的數據分布和學習目標會隨著時間的推移而改變,或者所有的訓練數據和客觀標準都不會立即可用。學習過程的演變是以一系列學習經驗為模型的,其中的目標是能夠在學習過程中一直學習新的技能,而不會忘記之前學過的知識。CL可以看作是一種在線學習,需要進行知識融合,以便從按順序及時呈現的數據流中學習。在學習過程中,不斷學習的目的還在于優化記憶、計算能力和速度。機器學習的一個重要挑戰不是必須找到在現實世界中有效的解決方案,而是找到可以在現實世界中學習的穩定算法。因此,理想的方法是在嵌入的平臺中處理現實世界:自治的代理。持續學習在自主代理或機器人中是有效的,它們將通過時間自主學習外部世界,并逐步發展一套復雜的技能和知識。機器人必須學會通過連續的觀察來適應環境并與之互動。一些最近的方法旨在解決機器人持續學習的問題,但最近關于持續學習的論文只是在模擬或靜態數據集的實驗方法。不幸的是,對這些算法的評估并不能說明它們的解決方案是否有助于在機器人技術的背景下持續學習。這篇論文的目的是回顧持續學習的現有狀態,總結現有的基準和度量標準,并提出一個框架來展示和評估機器人技術和非機器人技術的方法,使這兩個領域之間的轉換更加容易。我們在機器人技術的背景下強調持續學習,以建立各領域之間的聯系并規范方法。

//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S07377#sec0001

概要:

機器學習(ML)方法通常從平穩數據分布中隨機采樣的數據流中學習。這通常是有效學習的必要條件。然而,在現實世界中,這種設置相當少見。持續學習(CL)[128]匯集了解決當數據分布隨時間變化時,以及在永無止境的數據流中需要考慮的知識融合的學習問題的工作和方法。因此,CL是處理災難性遺忘[47]的范式[102]。

為了方便起見,我們可以根據經驗將數據流分割成幾個子段,這些子段有時間邊界,我們稱之為任務。然后我們可以觀察在學習一項新任務時所學到或忘記了什么。即使對任務沒有強制約束,任務通常指的是一段特定的時間,其中數據分布可能(但不一定)是平穩的,并且目標函數是常量。就學習目標而言,任務可以是相互獨立的,也可以是相互關聯的,并且取決于設置。

持續學習的一個解決方案是保存所有數據,打亂它,然后回到傳統的機器學習設置。不幸的是,在這種情況下,這并不總是可能的,也不是最佳的。這里有幾個例子,其中持續學習是必要的:

你有一個訓練過的模型,你想用新的數據更新它,但是原來的訓練數據被丟棄了,或者你沒有權利再訪問它。

你想在一系列任務上訓練一個模型,但你不能存儲你的所有數據,或者你沒有計算能力從所有數據中重新訓練模型(例如,在嵌入式平臺中)。

您希望智能代理學習多種策略,但您不知道學習目標何時發生變化,如何變化。

您希望從持續的數據流中學習,這些數據可能會隨著時間而變化,但您不知道如何變化,何時變化。

為了處理這些設置,表示應該通過在線方式學習[87]。隨著數據被丟棄并且生命周期有限,忘記不重要的東西而保留對未來有意義的東西的能力是持續學習的主要目標和重點。

從機器人技術的角度來看,CL是發展機器人技術的機器學習答案[93]。發展機器人技術是一種交叉學科的方法,用于自主設計人工主體的行為和認知能力,直接從兒童自然認知系統中觀察到的發展原則和機制中獲得靈感。

在這種情況下,CL必須包含一個學習累積技能的過程,并能逐步提高所處理任務的復雜性和多樣性。

自主主體在這樣的環境中以開放式的[36]方式學習,但也以持續的方式學習。這種發展方法的關鍵組成部分包括學習自主產生目標和探索環境的能力,開發內在動機[113]和好奇心的計算模型[112]。

我們提出了一個框架來連接持續學習和機器人技術。這個框架也為持續學習提供了機會,以一個有框架的數學公式以清晰和系統的方式呈現方法。

首先,我們介紹了持續學習的背景和歷史。其次,我們的目標是在不斷學習的基礎上理清概念匯。第三,我們將介紹我們的框架作為一種標準的CL方法,以幫助在不同的持續學習領域之間進行轉換,特別是對于機器人技術。第四,我們提供了一組度量標準,它將有助于更好地理解每一類方法的質量和缺點。最后,我們提出了持續學習機器人技術的細節和機會,這使得CL變得如此重要。

對于機器人技術和非機器人技術領域,我們保持了定義、框架、策略和評估的一般性。盡管如此,最后一節,機器人持續學習(第6節)受益于前幾節的內容,以呈現機器人領域持續學習的特殊性。

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相關內容

持續學習(continuallearning,CL) 是 模 擬 大 腦 學 習 的 過 程,按 照 一 定 的 順 序 對 連 續 非 獨 立 同 分 布 的 (independentlyandidenticallydistributed,IID)流數據進行學習,進而根據任務的執行結果對模型進行 增量式更新.持續學習的意義在于高效地轉化和利用已經學過的知識來完成新任務的學習,并且能夠極 大程度地降低遺忘帶來的問題.連續學習研究對智能計算系統自適應地適應環境改變具有重要的意義

深度學習在大量領域取得優異成果,但仍然存在著魯棒性和泛化性較差、難以學習和適應未觀測任務、極其依賴大規模數據等問題.近兩年元學習在深度學習上的發展,為解決上述問題提供了新的視野.元學習是一種模仿生物利用先前已有的知識,從而快速學習新的未見事物能力的一種學習定式.元學習的目標是利用已學習的信息,快速適應未學習的新任務.這與實現通用人工智能的目標相契合,對元學習問題的研究也是提高模型的魯棒性和泛化性的關鍵.近年來隨著深度學習的發展,元學習再度成為熱點,目前元學習的研究百家爭鳴、百花齊放. 本文從元學習的起源出發,系統地介紹元學習的發展歷史,包括元學習的由來和原始定義,然后給出當前元學習的通用定義,同時總結當前元學習一些不同方向的研究成果,包括基于度量的元學習方法、基于強泛化新的初始化參數的元學習方法、基于梯度優化器的元學習方法、基于外部記憶單元的元學方法、基于數據增強的元學方法等. 總結其共有的思想和存在的問題,對元學習的研究思想進行分類,并敘述不同方法和其相應的算法.最后論述了元學習研究中常用數據集和評判標準,并從元學習的自適應性、進化性、可解釋性、連續性、可擴展性展望其未來發展趨勢.

引言

隨著計算設備并行計算性能的大幅度 進步,以及近些年深度神經網絡在各個領域 不斷取得重大突破,由深度神經網絡模型衍 生而來的多個機器學習新領域也逐漸成型, 如強化學習、深度強化學習[1] [2] 、深度監督 學習等。在大量訓練數據的加持下,深度神 經網絡技術已經在機器翻譯、機器人控制、 大數據分析、智能推送、模式識別等方面取 得巨大成果[3] [4] [5] 。

實際上在機器學習與其他行業結合的 過程中,并不是所有領域都擁有足夠可以讓 深度神經網絡微調參數至收斂的海量數據, 相當多領域要求快速反應、快速學習,如新 興領域之一的仿人機器人領域,其面臨的現 實環境往往極為復雜且難以預測,若按照傳 統機器學習方法進行訓練則需要模擬所有 可能遇到的環境,工作量極大同時訓練成本 極高,嚴重制約了機器學習在其他領域的擴 展,因此在深度學習取得大量成果后,具有 自我學習能力與強泛化性能的元學習便成 為通用人工智能的關鍵。

元學習(Meta-learning)提出的目的是 針對傳統神經網絡模型泛化性能不足、對新 種類任務適應性較差的特點。在元學習介紹 中往往將元學習的訓練和測試過程類比為 人類在掌握一些基礎技能后可以快速學習并適應新任務,如兒童階段的人類也可以快 速通過一張某動物照片學會認出該動物,即 機 器 學 習 中 的 小 樣 本 學 習 ( Few-shot Learning)[6] [7] ,甚至不需要圖像,僅憑描 述就可學會認識新種類,對應機器學習領域 中的(Zero-shot Learning)[8] ,而不需要大 量該動物的不同照片。人類在幼兒階段掌握 的對世界的大量基礎知識和對行為模式的 認知基礎便對應元學習中的“元”概念,即一 個泛化性能強的初始網絡加上對新任務的 快速適應學習能力,元學習的遠期目標為通 過類似人類的學習能力實現強人工智能,當 前階段體現在對新數據集的快速適應帶來 較好的準確度,因此目前元學習主要表現為 提高泛化性能、獲取好的初始參數、通過少 量計算和新訓練數據即可在模型上實現和 海量訓練數據一樣的識別準確度,近些年基 于元學習,在小樣本學習領域做出了大量研 究[9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] ,同時為模擬 人類認知,在 Zero-shot Learning 方向也進行 了大量探索[18] [19] [20] [21] [22] 。

在機器學習盛行之前,就已產生了元學習的相關概念。當時的元學習還停留在認知 教育科學相關領域,用于探討更加合理的教 學方法。Gene V. Glass 在 1976 年首次提出 了“元分析”這一概念[23] ,對大量的分析結 果進行統計分析,這是一種二次分析辦法。G Powell 使用“元分析”的方法對詞匯記憶 進行了研究[24] ,指出“強制”和“誘導”意象有 助于詞匯記憶。Donald B.Maudsley 在 1979 年首次提出了“元學習”這一概念,將其描述 為“學習者意識到并越來越多地控制他們已 經內化的感知、探究、學習和成長習慣的過 程”,Maudsley 將元學習做為在假設、結構、 變化、過程和發展這 5 個方面下的綜合,并 闡述了相關基本原則[25] 。BIGGS J.B 將元學 習描述為“意識到并控制自己的學習的狀 態” [26] ,即學習者對學習環境的感知。P Adey 將元學習的策略用在物理教學上[27] , Vanlehn K 探討了輔導教學中的元學習方法 [28] 。從元分析到元學習,研究人員主要關 注人是如何意識和控制自己學習的。一個具 有高度元學習觀念的學生,能夠從自己采用 的學習方法所產生的結果中獲得反饋信息,進一步評價自己的學習方法,更好地達到學 習目標[29] 。隨后元學習這一概念慢慢滲透 到機器學習領域。P.Chan 提出的元學習是一 種整合多種學習過程的技術,利用元學習的 策略組合多個不同算法設計的分類器,其整 體的準確度優于任何個別的學習算法[30] [31] [32] 。HilanBensusan 提出了基于元學習的決 策樹框架[33] 。Vilalta R 則認為元學習是通 過積累元知識動態地通過經驗來改善偏倚 的一種學習算法[34] 。

Meta-Learning 目前還沒有確切的定義, 一般認為一個元學習系統需結合三個要求:系統必須包含一個學習子系統;利用以前學 習中提取的元知識來獲得經驗,這些元知識 來自單個數據集或不同領域;動態選擇學習偏差。

元學習的目的就是為了設計一種機器學習模型,這種模型有類似上面提到的人的 學習特性,即使用少量樣本數據,快速學習 新的概念或技能。經過不同任務的訓練后, 元學習模型能很好的適應和泛化到一個新任務,也就學會了“Learning to learn”。

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強化學習(RL)為基于學習的控制提供了一種數學形式,允許通過優化用戶指定的獎勵函數來獲得接近最優的行為。最近,由于在許多領域的出色應用,RL方法受到了相當多的關注,但事實上,RL需要一個基本的在線學習范式,這是其廣泛采用的最大障礙之一。在線交互通常是不切實際的,因為數據收集是昂貴的(例如,在機器人或教育代理中)或危險的(例如,在自動駕駛或醫療保健中)。另一種方法是利用RL算法,在不需要在線交互的情況下有效地利用以前收集的經驗。這被稱為批處理RL、脫機RL或數據驅動RL。這樣的算法對將數據集轉化為強大的決策引擎有著巨大的希望,類似于數據集在視覺和NLP中被證明是成功的關鍵。在本教程中,我們的目標是為讀者提供既可以利用離線RL作為工具,又可以在這個令人興奮的領域進行研究的概念性工具。我們的目標是提供對離線RL的挑戰的理解,特別是在現代深度RL方法的背景下,并描述一些潛在的解決方案。我們將以一種從業者易于理解的方式呈現經典和最新的方法,并討論在這一領域開展研究的理論基礎。我們將以討論待解問題來結束。

//sites.google.com/view/offlinerltutorial-neurips2020/home

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近年來,圖神經網絡(GNNs)由于具有建模和從圖結構數據中學習的能力,在機器學習領域得到了迅猛發展。這種能力在數據具有內在關聯的各種領域具有很強的影響,而傳統的神經網絡在這些領域的表現并不好。事實上,正如最近的評論可以證明的那樣,GNN領域的研究已經迅速增長,并導致了各種GNN算法變體的發展,以及在化學、神經學、電子或通信網絡等領域的突破性應用的探索。然而,在目前的研究階段,GNN的有效處理仍然是一個開放的挑戰。除了它們的新穎性之外,由于它們依賴于輸入圖,它們的密集和稀疏操作的組合,或者在某些應用中需要伸縮到巨大的圖,GNN很難計算。在此背景下,本文旨在做出兩大貢獻。一方面,從計算的角度對GNNs領域進行了綜述。這包括一個關于GNN基本原理的簡短教程,在過去十年中該領域發展的概述,以及在不同GNN算法變體的多個階段中執行的操作的總結。另一方面,對現有的軟硬件加速方案進行了深入分析,總結出一種軟硬件結合、圖感知、以通信為中心的GNN加速方案。

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摘要

本文綜述了遷移學習在強化學習問題設置中的應用。RL已經成為序列決策問題的關鍵的解決方案。隨著RL在各個領域的快速發展。包括機器人技術和游戲,遷移學習是通過利用和遷移外部專業知識來促進學習過程來幫助RL的一項重要技術。在這篇綜述中,我們回顧了在RL領域中遷移學習的中心問題,提供了一個最先進技術的系統分類。我們分析他們的目標,方法,應用,以及在RL框架下這些遷移學習技術將是可接近的。本文從RL的角度探討了遷移學習與其他相關話題的關系,并探討了RL遷移學習的潛在挑戰和未來發展方向。

關鍵詞:遷移學習,強化學習,綜述,機器學習

介紹

強化學習(RL)被認為是解決連續決策任務的一種有效方法,在這種方法中,學習主體通過與環境相互作用,通過[1]來提高其性能。源于控制論并在計算機科學領域蓬勃發展的RL已被廣泛應用于學術界和工業界,以解決以前難以解決的任務。此外,隨著深度學習的快速發展,應用深度學習服務于學習任務的集成框架在近年來得到了廣泛的研究和發展。DL和RL的組合結構稱為深度強化學習[2](Deep Reinforcement Learning, DRL)。

DRL在機器人控制[3]、[4]、玩[5]游戲等領域取得了巨大的成功。在醫療保健系統[6]、電網[7]、智能交通系統[8]、[9]等領域也具有廣闊的應用前景。

在這些快速發展的同時,DRL也面臨著挑戰。在許多強化學習應用中,環境模型通常是未知的,只有收集到足夠的交互經驗,agent才能利用其對環境的知識來改進其性能。由于環境反饋的部分可觀察性、稀疏性或延遲性以及高維觀察和/或行動空間等問題,學習主體在沒有利用任何先驗知識的情況下尋找好的策略是非常耗時的。因此,遷移學習作為一種利用外部專業知識來加速學習過程的技術,在強化學習中成為一個重要的課題。

在監督學習(SL)領域[10]中,TL得到了廣泛的研究。與SL場景相比,由于MDP環境中涉及的組件更多,RL中的TL(尤其是DRL中的TL)通常更復雜。MDP的組件(知識來自何處)可能與知識轉移到何處不同。此外,專家知識也可以采取不同的形式,以不同的方式轉移,特別是在深度神經網絡的幫助下。隨著DRL的快速發展,以前總結用于RL的TL方法的努力沒有包括DRL的最新發展。注意到所有這些不同的角度和可能性,我們全面總結了在深度強化學習(TL in DRL)領域遷移學習的最新進展。我們將把它們分成不同的子主題,回顧每個主題的理論和應用,并找出它們之間的聯系。

本綜述的其余部分組織如下:在第2節中,我們介紹了強化學習的背景,關鍵的DRL算法,并帶來了這篇綜述中使用的重要術語。我們還簡要介紹了與TL不同但又緊密相關的相關研究領域(第2.3節)。

在第3節中,我們采用多種視角來評價TL方法,提供了對這些方法進行分類的不同方法(第3.1節),討論了遷移源和目標之間的潛在差異(第3.2節),并總結了評價TL有效性的常用指標(第3.3節)。

第4節詳細說明了DRL領域中最新的TL方法。特別是,所討論的內容主要是按照遷移知識的形式組織的,如成型的獎勵(4.1節)、先前的演示(4.2節)、專家策略(4.3節),或者按照轉移發生的方式組織的,如任務間映射(4.4節)、學習可轉移表示(4.5節和4.6節)等。我們在第5節討論了TL在DRL中的應用,并在第6節提供了一些值得研究的未來展望。

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深度學習算法已經在圖像分類方面取得了最先進的性能,甚至被用于安全關鍵應用,如生物識別系統和自動駕駛汽車。最近的研究表明,這些算法甚至可以超越人類的能力,很容易受到對抗性例子的攻擊。在計算機視覺中,與之相對的例子是惡意優化算法為欺騙分類器而產生的含有細微擾動的圖像。為了緩解這些漏洞,文獻中不斷提出了許多對策。然而,設計一種有效的防御機制已被證明是一項困難的任務,因為許多方法已經證明對自適應攻擊者無效。因此,這篇自包含的論文旨在為所有的讀者提供一篇關于圖像分類中對抗性機器學習的最新研究進展的綜述。本文介紹了新的對抗性攻擊和防御的分類方法,并討論了對抗性實例的存在性。此外,與現有的調查相比,它還提供了相關的指導,研究人員在設計和評估防御時應該考慮到這些指導。最后,在文獻綜述的基礎上,對未來的研究方向進行了展望。

//www.zhuanzhi.ai/paper/396e587564dc2922d222cd3ac7b84288

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當前的深度學習研究以基準評價為主。如果一種方法在專門的測試集上有良好的經驗表現,那么它就被認為是有利的。這種心態無縫地反映在持續學習的重現領域,在這里研究的是持續到達的基準數據集。核心挑戰是如何保護之前獲得的表示,以免由于迭代參數更新而出現災難性地遺忘的情況。然而,各個方法的比較是與現實應用程序隔離的,通常通過監視累積的測試集性能來判斷。封閉世界的假設仍然占主導地位。假設在部署過程中,一個模型保證會遇到來自與用于訓練的相同分布的數據。這帶來了一個巨大的挑戰,因為眾所周知,神經網絡會對未知的實例提供過于自信的錯誤預測,并在數據損壞的情況下崩潰。在這個工作我們認為值得注意的教訓來自開放數據集識別,識別的統計偏差以外的數據觀測數據集,和相鄰的主動學習領域,數據增量查詢等預期的性能收益最大化,這些常常在深度學習的時代被忽略。基于這些遺忘的教訓,我們提出了一個統一的觀點,以搭建持續學習,主動學習和開放集識別在深度神經網絡的橋梁。我們的結果表明,這不僅有利于每個個體范式,而且突出了在一個共同框架中的自然協同作用。我們從經驗上證明了在減輕災難性遺忘、主動學習中查詢數據、選擇任務順序等方面的改進,同時在以前提出的方法失敗的地方展示了強大的開放世界應用。

//www.zhuanzhi.ai/paper/e5bee7a1e93a93ef97e1c

概述:

隨著實用機器學習系統的不斷成熟,社區發現了對持續學習[1]、[2]的興趣。與廣泛練習的孤立學習不同,在孤立學習中,系統的算法訓練階段被限制在一個基于先前收集的i.i.d數據集的單一階段,持續學習需要利用隨著時間的推移而到來的數據的學習過程。盡管這種范式已經在許多機器學習系統中找到了各種應用,回顧一下最近關于終身機器學習[3]的書,深度學習的出現似乎已經將當前研究的焦點轉向了一種稱為“災難性推理”或“災難性遺忘”的現象[4],[5],正如最近的評論[6],[7],[8],[9]和對深度持續學習[8],[10],[11]的實證調查所表明的那樣。后者是機器學習模型的一個特殊效應,機器學習模型貪婪地根據給定的數據群更新參數,比如神經網絡迭代地更新其權值,使用隨機梯度估計。當包括導致數據分布發生任何變化的不斷到達的數據時,學習到的表示集被單向引導,以接近系統當前公開的數據實例上的任何任務的解決方案。自然的結果是取代以前學到的表征,導致突然忘記以前獲得的信息。

盡管目前的研究主要集中在通過專門機制的設計來緩解持續深度學習中的這種遺忘,但我們認為,一種非常不同形式的災難性遺忘的風險正在增長,即忘記從過去的文獻中吸取教訓的危險。盡管在連續的訓練中保留神經網絡表示的努力值得稱贊,但除了只捕獲災難性遺忘[12]的度量之外,我們還高度關注了實際的需求和權衡,例如包括內存占用、計算成本、數據存儲成本、任務序列長度和訓練迭代次數等。如果在部署[14]、[15]、[16]期間遇到看不見的未知數據或小故障,那么大多數當前系統會立即崩潰,這幾乎可以被視為誤導。封閉世界的假設似乎無所不在,即認為模型始終只會遇到與訓練過程中遇到的數據分布相同的數據,這在真實的開放世界中是非常不現實的,因為在開放世界中,數據可以根據不同的程度變化,而這些變化是不現實的,無法捕獲到訓練集中,或者用戶能夠幾乎任意地向系統輸入預測信息。盡管當神經網絡遇到不可見的、未知的數據實例時,不可避免地會產生完全沒有意義的預測,這是眾所周知的事實,已經被暴露了幾十年了,但是當前的努力是為了通過不斷學習來規避這一挑戰。選擇例外嘗試解決識別不可見的和未知的示例、拒絕荒謬的預測或將它們放在一邊供以后使用的任務,通常總結在開放集識別的傘下。然而,大多數現有的深度連續學習系統仍然是黑盒,不幸的是,對于未知數據的錯誤預測、數據集的異常值或常見的圖像損壞[16],這些系統并沒有表現出理想的魯棒性。

除了目前的基準測試實踐仍然局限于封閉的世界之外,另一個不幸的趨勢是對創建的持續學習數據集的本質缺乏理解。持續生成模型(如[17]的作者的工作,[18],[19],[20],[21],[22]),以及類增量持續學習的大部分工作(如[12]中給出的工作,[23],[24],[25],[26],[27],[28])一般調查sequentialized版本的經過時間考驗的視覺分類基準如MNIST [29], CIFAR[30]或ImageNet[31],單獨的類只是分成分離集和序列所示。為了在基準中保持可比性,關于任務排序的影響或任務之間重疊的影響的問題通常會被忽略。值得注意的是,從鄰近領域的主動機器學習(半監督學習的一種特殊形式)中吸取的經驗教訓,似乎并沒有整合到現代的連續學習實踐中。在主動學習中,目標是學會在讓系統自己查詢接下來要包含哪些數據的挑戰下,逐步地找到與任務解決方案最接近的方法。因此,它可以被視為緩解災難性遺忘的對抗劑。當前的持續學習忙于維護在每個步驟中獲得的信息,而不是無休止地積累所有的數據,而主動學習則關注于識別合適的數據以納入增量訓練系統的補充問題。盡管在主動學習方面的早期開創性工作已經迅速識別出了通過使用啟發式[32]、[33]、[34]所面臨的強大應用的挑戰和陷阱,但后者在深度學習[35]、[36]、[37]、[38]的時代再次占據主導地位,這些挑戰將再次面臨。

在這項工作中,我們第一次努力建立一個原則性和鞏固的深度持續學習、主動學習和在開放的世界中學習的觀點。我們首先單獨回顧每一個主題,然后繼續找出在現代深度學習中似乎較少受到關注的以前學到的教訓。我們將繼續爭論,這些看似獨立的主題不僅從另一個角度受益,而且應該結合起來看待。在這個意義上,我們建議將當前的持續學習實踐擴展到一個更廣泛的視角,將持續學習作為一個總括性術語,自然地包含并建立在先前的主動學習和開放集識別工作之上。本文的主要目的并不是引入新的技術或提倡一種特定的方法作為通用的解決方案,而是對最近提出的神經網絡[39]和[40]中基于變分貝葉斯推理的方法進行了改進和擴展,以說明一種走向全面框架的可能選擇。重要的是,它作為論證的基礎,努力闡明生成建模作為深度學習系統關鍵組成部分的必要性。我們強調了在這篇論文中發展的觀點的重要性,通過實證證明,概述了未來研究的含義和有前景的方向。

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機器人研究的一個長期目標是創建能夠從零開始自動學習復雜控制策略的算法。將這種算法應用到機器人上的挑戰之一是表示的選擇。強化學習(RL)算法已經成功地應用于許多不同的機器人任務中,如帶有機器人手臂的cup中的Ball-in-a-Cup任務和各種機器人世界杯機器人足球啟發的領域。然而,RL算法仍然存在訓練時間長、所需訓練數據量大的問題。為狀態空間、行動空間和策略選擇合適的表示可以大大減少所需的訓練時間和所需的訓練數據。

本文主要研究機器人的深度強化學習。具體來說,狀態空間、動作空間和策略表示的選擇如何減少機器人學習任務的訓練時間和樣本復雜度。特別集中注意兩個主要領域: 1)通過張量狀態-動作空間表示 2)多狀態表示的輔助任務學習

第一個領域探索了在環境變化中改進機器人策略遷移的方法。學習策略的成本可能很高,但是如果策略可以在類似的環境中傳輸和重用,那么訓練成本可以平攤。遷移學習是一個被廣泛研究的領域,涉及多種技術。在這篇論文中,我們著重設計一個易于傳輸的表示。我們的方法將狀態空間和動作空間映射為多維張量,設計成當環境中機器人和其他對象的數量變化時保持固定維數。我們還提出了全卷積Q-Network (FCQN)策略表示,這是一種特殊的網絡架構,與張量表示相結合,允許跨環境大小進行零距離傳輸。我們在模擬的單代理和多代理任務上演示了這種方法,靈感來自于RoboCup Small - Size League (SSL)和Atari Breakout的修改版本。我們還表明,在真實世界的傳感器數據和機器人中使用這樣的表示和模擬訓練策略是可能的。

第二個領域考察了一個機器人深度RL狀態表示的優勢如何彌補另一個機器人深度RL狀態表示的劣勢。例如,我們經常想要利用機器人可用的傳感器來學習任務,其中包括像攝像機這樣的高維傳感器。最近的Deep RL算法可以通過圖像進行學習,但是數據的數量對于真實的機器人來說是難以接受的。或者,可以使用任務完成所需的最小集創建狀態。這樣做的好處是:1)減少策略參數的數量,2)刪除不相關的信息。然而,提取這些特征通常會在工程、額外硬件、校準和實驗室之外的脆弱性方面有很大的成本。我們在仿真和現實世界的多個機器人平臺和任務上演示了這一點。我們證明它在模擬的RoboCup小型聯賽(SSL)機器人上工作。我們還演示了這樣的技術允許在真實的硬件上從零開始學習,通過機器人手臂執行一個球在一個杯子的任務。

//www.ri.cmu.edu/publications/robot-deep-reinforcement-learning-tensor-state-action-spaces-and-auxiliary-task-learning-with-multiple-state-representations/

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小樣本自然語言處理(NLP)是指NLP任務只具有少量標注的樣例。這是人工智能系統必須學會處理的現實挑戰。通常我們依賴于收集更多的輔助信息或開發一個更有效的學習算法。然而,在高容量模型中,一般基于梯度的優化,如果從頭開始訓練,需要對大量帶標記的樣例進行很多參數更新步驟,才能表現良好(Snell et al., 2017)。

如果目標任務本身不能提供更多的信息,如何收集更多帶有豐富標注的任務來幫助模型學習?元學習的目標是訓練一個模型在各種任務上使用豐富的標注,這樣它就可以用少量標記的樣本解決一個新的任務。關鍵思想是訓練模型的初始參數,這樣當參數通過零階或幾個梯度步驟更新后,模型在新任務上有最大的性能。

已經有一些關于元學習的綜述,例如(Vilalta和Drissi, 2002;Vanschoren, 2018;Hospedales等,2020)。然而,本文的研究主要集中在NLP領域,尤其是小樣本的應用。本文試圖對元學習應用于較少次數的神經語言處理提供更清晰的定義、進展總結和一些常用的數據集。

//arxiv.org/abs/2007.09604

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現實網絡由多種相互作用、不斷進化的實體組成,而現有的研究大多將其簡單地描述為特定的靜態網絡,而沒有考慮動態網絡的演化趨勢。近年來,動態網絡的特性跟蹤研究取得了重大進展,利用網絡中實體和鏈接的變化來設計網絡嵌入技術。與被廣泛提出的靜態網絡嵌入方法相比,動態網絡嵌入努力將節點編碼為低維密集表示,有效地保持了網絡結構和時間動態,有利于處理各種下游機器學習任務。本文對動態網絡嵌入問題進行了系統的研究,重點介紹了動態網絡嵌入的基本概念,首次對現有的動態網絡嵌入技術進行了分類,包括基于矩陣分解的、基于躍格的、基于自動編碼器的、基于神經網絡的等嵌入方法。此外,我們仔細總結了常用的數據集和各種各樣的后續任務,動態網絡嵌入可以受益。在此基礎上,提出了動態嵌入模型、大規模動態網絡、異構動態網絡、動態屬性網絡、面向任務的動態網絡嵌入以及更多的嵌入空間等現有算法面臨的挑戰,并提出了未來可能的研究方向。

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當對大量的標記數據集合(如ImageNet)進行訓練時,深度神經網絡展示了它們在特殊監督學習任務(如圖像分類)上的卓越表現。然而,創建這樣的大型數據集需要大量的資源、時間和精力。這些資源在很多實際案例中可能無法獲得,限制了許多深度學習方法的采用和應用。為了尋找數據效率更高的深度學習方法,以克服對大型標注數據集的需求,近年來,我們對半監督學習應用于深度神經網絡的研究興趣日益濃厚,通過開發新的方法和采用現有的半監督學習框架進行深度學習設置。在本文中,我們從介紹半監督學習開始,對深度半監督學習進行了全面的概述。然后總結了在深度學習中占主導地位的半監督方法。

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