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在過去幾年里，注意力和記憶已經成為深度學習的兩個重要的新組成部分。本講座由DeepMind研究科學家Alex Graves講授現在廣泛使用的注意力機制，包括任何深度網絡中的內隱注意力，以及離散和可區分的變體的顯性注意力。然后討論了具有外部記憶的網絡，并解釋了注意力是如何為他們提供選擇性回憶的。它簡要地回顧了Transformer，一種特別成功的注意力網絡類型，最后看可變計算時間，這可以被視為一種形式的“注意力集中”。

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//ua-cam.com/video/AIiwuClvH6k/deepmind-x-ucl-deep-learning-lectures-8-12-attention-and-memory-in-deep-learning.html

Alex Graves在愛丁堡大學(University of Edinburgh)完成了理論物理學的理學學士學位，在劍橋大學(University of Cambridge)完成了數學的第三部分，在IDSIA與尤爾根·施米德胡貝爾(Jurgen Schmidhuber)一起完成了人工智能博士學位，之后在慕尼黑工業大學(technology University of Munich)和杰夫·辛頓(Geoff Hinton)一起完成了博士后學位。他現在是DeepMind的一名研究科學家。他的貢獻包括用于序列標簽的連接主義時態分類算法，隨機梯度變分推理，神經圖靈機/可微分神經計算機架構，以及用于強化學習的A2C算法。

關于講座系列：

深度學習講座系列是DeepMind與UCL人工智能中心之間的合作。在過去的十年中，深度學習已發展成為領先的人工智能范例，使我們能夠以前所未有的準確性和規模從原始數據中學習復雜的功能。深度學習已應用于對象識別，語音識別，語音合成，預測，科學計算，控制等問題。由此產生的應用程序觸及我們在醫療保健和醫學研究，人機交互，通信，運輸，保護，制造以及人類努力的許多其他領域中的所有生活。認識到這一巨大影響，深度學習的先驅獲得了2019年圖靈獎，這是計算機領域的最高榮譽。

在本系列講座中，來自領先的AI研究實驗室DeepMind的研究科學家針對深度學習中的一系列令人興奮的主題進行了12次講座，內容涵蓋了通過圍繞記憶，注意力和生成建模的先進思想來訓練神經網絡的基礎知識，以及重要的 負責任的創新主題。

深度學習注意力與記憶機制

【導讀】圖神經網絡依然是當下的研究熱點之一。DeepMind研究科學家Petar Veli?kovi?在Twitter上開放了自己的劍橋大學博士論文《深度神經網絡結構的》，共有147頁pdf，里面涵蓋了出名的圖神經網絡GAT和Deep Graph Infomax的經典工作。

Petar Veli?kovi?，DeepMind研究科學家。在Pietro Lio的指導下獲得了劍橋大學的計算機科學博士學位。我的研究興趣包括設計操作非平凡結構數據(如圖)的神經網絡架構，以及它們在算法推理和計算生物學中的應用。特別地，我是Graph Attention Network(圖注意力網絡)的第一作者和Deep Graph Infomax的第一作者。我的研究已經在ZDNet等媒體上發表。

//petar-v.com/

深層神經網絡結構的復興

摘要：

使用深度神經網絡的機器學習(“深度學習”)允許直接從原始輸入數據學習復雜特征，完全消除了學習流程中手工“硬編碼”的特征提取。這促使了計算機視覺，自然語言處理，強化學習和生成模型的相關任務性能的提升。這些成功案例幾乎都是與大量帶有標記的訓練樣本(“大數據”)密切相關的，這些示例展示了簡單的網格狀結構(例如文本或圖像)，可通過卷積或循環層加以利用。這是因為神經網絡的自由度非常大，使得它們的泛化能力容易受到過度擬合等影響。然而，在許多領域，廣泛的數據收集并不總是合適的，負擔得起的，甚至是可行的。此外，數據通常以更復雜的結構組織起來——大多數現有的方法都會簡單地拋棄這種結構。這類任務的例子在生物醫學領域非常豐富。我假設，如果深度學習要在這樣的環境中充分發揮其潛力，我們需要重新考慮“硬編碼”方法——通過結構性歸納偏差，將輸入數據中的固有結構假設直接整合到我們的架構和學習算法中。在本文中，我通過開發三個注入結構的神經網絡架構(操作稀疏多模態和圖結構的數據)和一個基于結構的圖神經網絡學習算法直接驗證了這一假設，證明了超越傳統基線模型和算法的性能提升。

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論文結構：

本文主要貢獻的概述。首先，提出了兩種具有特殊結構誘導偏差的多模態學習早期融合模型;一個用于網格結構輸入模式(X‐CNN[176])，另一個用于順序輸入模式(X‐LSTM[177])。接下來，圖卷積層的理想結構偏差在圖注意力網絡(GAT[174])模型中得到了應用，并且第一次同時得到了滿意的結果。最后，通過Deep Graph Infomax (DGI[175])算法成功地引入了局部互信息最大化，將其作為一個無監督學習目標用于圖的結構輸入，允許在學習節點表示時結合圖卷積編碼器引入非常強大的結構誘導偏差。

近年來，人們對學習圖結構數據表示的興趣大增。基于標記數據的可用性，圖表示學習方法一般分為三大類。第一種是網絡嵌入(如淺層圖嵌入或圖自動編碼器)，它側重于學習關系結構的無監督表示。第二種是圖正則化神經網絡，它利用圖來增加半監督學習的正則化目標的神經網絡損失。第三種是圖神經網絡，目的是學習具有任意結構的離散拓撲上的可微函數。然而，盡管這些領域很受歡迎，但在統一這三種范式方面的工作卻少得驚人。在這里，我們的目標是彌合圖神經網絡、網絡嵌入和圖正則化模型之間的差距。我們提出了圖結構數據表示學習方法的一個綜合分類，旨在統一幾個不同的工作主體。具體來說，我們提出了一個圖編碼解碼器模型(GRAPHEDM)，它將目前流行的圖半監督學習算法(如GraphSage、Graph Convolutional Networks、Graph Attention Networks)和圖表示的非監督學習(如DeepWalk、node2vec等)歸納為一個統一的方法。為了說明這種方法的一般性，我們將30多個現有方法放入這個框架中。我們相信，這種統一的觀點既為理解這些方法背后的直覺提供了堅實的基礎，也使該領域的未來研究成為可能。

概述

學習復雜結構化數據的表示是一項具有挑戰性的任務。在過去的十年中，針對特定類型的結構化數據開發了許多成功的模型，包括定義在離散歐幾里德域上的數據。例如，序列數據，如文本或視頻，可以通過遞歸神經網絡建模，它可以捕捉序列信息，產生高效的表示，如機器翻譯和語音識別任務。還有卷積神經網絡(convolutional neural networks, CNNs)，它根據移位不變性等結構先驗參數化神經網絡，在圖像分類或語音識別等模式識別任務中取得了前所未有的表現。這些主要的成功僅限于具有簡單關系結構的特定類型的數據(例如，順序數據或遵循規則模式的數據)。

在許多設置中，數據幾乎不是規則的: 通常會出現復雜的關系結構，從該結構中提取信息是理解對象之間如何交互的關鍵。圖是一種通用的數據結構，它可以表示復雜的關系數據(由節點和邊組成)，并出現在多個領域，如社交網絡、計算化學[41]、生物學[105]、推薦系統[64]、半監督學習[39]等。對于圖結構的數據來說，將CNNs泛化為圖并非易事，定義具有強結構先驗的網絡是一項挑戰，因為結構可以是任意的，并且可以在不同的圖甚至同一圖中的不同節點之間發生顯著變化。特別是，像卷積這樣的操作不能直接應用于不規則的圖域。例如，在圖像中，每個像素具有相同的鄰域結構，允許在圖像中的多個位置應用相同的過濾器權重。然而，在圖中，我們不能定義節點的順序，因為每個節點可能具有不同的鄰域結構(圖1)。此外，歐幾里德卷積強烈依賴于幾何先驗(如移位不變性)，這些先驗不能推廣到非歐幾里德域(如平移可能甚至不能在非歐幾里德域上定義)。

這些挑戰導致了幾何深度學習(GDL)研究的發展，旨在將深度學習技術應用于非歐幾里德數據。特別是，考慮到圖在現實世界應用中的廣泛流行，人們對將機器學習方法應用于圖結構數據的興趣激增。其中，圖表示學習(GRL)方法旨在學習圖結構數據的低維連續向量表示，也稱為嵌入。

廣義上講，GRL可以分為兩類學習問題，非監督GRL和監督(或半監督)GRL。第一個系列的目標是學習保持輸入圖結構的低維歐幾里德表示。第二系列也學習低維歐幾里德表示，但為一個特定的下游預測任務，如節點或圖分類。與非監督設置不同，在非監督設置中輸入通常是圖結構，監督設置中的輸入通常由圖上定義的不同信號組成，通常稱為節點特征。此外，底層的離散圖域可以是固定的，這是直推學習設置(例如，預測一個大型社交網絡中的用戶屬性)，但也可以在歸納性學習設置中發生變化(例如，預測分子屬性，其中每個分子都是一個圖)。最后，請注意，雖然大多數有監督和無監督的方法學習歐幾里德向量空間中的表示，最近有興趣的非歐幾里德表示學習，其目的是學習非歐幾里德嵌入空間，如雙曲空間或球面空間。這項工作的主要動機是使用一個連續的嵌入空間，它類似于它試圖嵌入的輸入數據的底層離散結構(例如，雙曲空間是樹的連續版本[99])。

鑒于圖表示學習領域的發展速度令人印象深刻，我們認為在一個統一的、可理解的框架中總結和描述所有方法是很重要的。本次綜述的目的是為圖結構數據的表示學習方法提供一個統一的視圖，以便更好地理解在深度學習模型中利用圖結構的不同方法。

目前已有大量的圖表示學習綜述。首先，有一些研究覆蓋了淺層網絡嵌入和自動編碼技術，我們參考[18,24,46,51,122]這些方法的詳細概述。其次，Bronstein等人的[15]也給出了非歐幾里德數據(如圖或流形)的深度學習模型的廣泛概述。第三，最近的一些研究[8,116,124,126]涵蓋了將深度學習應用到圖數據的方法，包括圖數據神經網絡。這些調查大多集中在圖形表示學習的一個特定子領域，而沒有在每個子領域之間建立聯系。

在這項工作中，我們擴展了Hamilton等人提出的編碼-解碼器框架，并介紹了一個通用的框架，圖編碼解碼器模型(GRAPHEDM)，它允許我們將現有的工作分為四大類: (i)淺嵌入方法，(ii)自動編碼方法，(iii) 圖正則化方法，和(iv) 圖神經網絡(GNNs)。此外，我們還介紹了一個圖卷積框架(GCF)，專門用于描述基于卷積的GNN，該框架在廣泛的應用中實現了最先進的性能。這使我們能夠分析和比較各種GNN，從在Graph Fourier域中操作的方法到將self-attention作為鄰域聚合函數的方法[111]。我們希望這種近期工作的統一形式將幫助讀者深入了解圖的各種學習方法，從而推斷出相似性、差異性，并指出潛在的擴展和限制。盡管如此，我們對前幾次綜述的貢獻有三個方面

• 我們介紹了一個通用的框架，即GRAPHEDM，來描述一系列廣泛的有監督和無監督的方法，這些方法對圖形結構數據進行操作，即淺層嵌入方法、圖形正則化方法、圖形自動編碼方法和圖形神經網絡。

• 我們的綜述是第一次嘗試從同一角度統一和查看這些不同的工作線，我們提供了一個通用分類(圖3)來理解這些方法之間的差異和相似之處。特別是，這種分類封裝了30多個現有的GRL方法。在一個全面的分類中描述這些方法，可以讓我們了解這些方法究竟有何不同。

• 我們為GRL發布了一個開源庫，其中包括最先進的GRL方法和重要的圖形應用程序，包括節點分類和鏈接預測。我們的實現可以在//github.com/google/gcnn-survey-paper上找到。

題目： Neural Abstractive Summarization with Structural Attention

簡介： 基于RNN的注意力編碼器-解碼器體系結構在新聞文章的抽象摘要方面實現了令人印象深刻的性能。但是，這些方法無法解決文檔句子中的長期依賴性。在多文檔摘要任務中，例如在諸如Yahoo等社區問題解答（CQA）網站中出現的主題中總結流行觀點時，此問題會更加嚴重。這些線索包含的答案通常相互重疊或矛盾。在這項工作中，我們提出了一種基于結構注意力的分層編碼器，以對諸如句子間和文檔間的依存關系進行建模。我們將流行的指針生成器體系結構和從中衍生的某些體系結構設置為基線，并表明它們無法在多文檔設置中生成良好的摘要。我們進一步說明，我們提出的模型在單文檔和多文檔摘要設置中均比基線有了顯著改進–在以前的設置中，它在CNN和CQA數據集上分別比最佳基線低1.31和7.8 ROUGE-1點；在后一種設置中，CQA數據集的性能進一步提高了1.6 ROUGE-1點

題目： Structured GANs

摘要： 我們提出了生成性對抗網絡（GANs），其中生成圖像的對稱性受到控制。這是通過發電機網絡的結構獲得的，而訓練過程和損失保持不變。將對稱GANs應用于空間圖像合成，生成具有不同對稱性的新人臉。我們還提出了一種基于新的一次微調概念的非監督人臉旋轉能力。

作者簡介： Lior Wolf,特拉維夫大學計算機科學學院的教員，也是Facebook人工智能研究中心的研究科學家。個人主頁：//www.cs.tau.ac.il/~wolf/

題目： Graph Neural Networks: A Review of Methods and Applications

摘要： 許多學習任務都需要處理包含元素間豐富關系信息的圖形數據。建模物理系統、學習分子指紋、預測蛋白質界面和疾病分類需要一個模型從圖形輸入中學習。在文本、圖像等非結構化數據的學習等領域，對句子的依存樹、圖像的場景圖等提取的結構進行推理是一個重要的研究課題，同時也需要建立圖形推理模型。圖神經網絡（GNNs）是通過圖節點之間的信息傳遞來獲取圖的依賴性的連接模型。與標準神經網絡不同，圖神經網絡保留了一種狀態，這種狀態可以以任意深度表示來自其鄰域的信息。雖然原始GNNs已經被發現很難訓練到固定的點，但是最近在網絡結構、優化技術和并行計算方面的進展已經使它能夠成功地學習。近年來，基于圖形卷積網絡（GCN）、圖形注意網絡（GAT）、門控圖形神經網絡（GGNN）等圖形神經網絡變體的系統在上述許多任務上都表現出了突破性的性能。在這項調查中，我們提供了一個詳細的檢討現有的圖形神經網絡模型，系統分類的應用，并提出了四個開放的問題，為今后的研究。

作者簡介： Jie Zhou，CS的研究生，從事系統研究，主要研究計算機安全。他畢業于廈門大學，在羅切斯特大學獲得碩士學位及博士學位。

Zhiyuan Liu，清華大學計算機系NLP實驗室副教授。

論文名字

Modeling Musical Structure with Artificial Neural Networks

論文簡介

近年來，人工神經網絡（ANNs）已成為解決現實問題的通用工具。人工神經網絡在音樂相關任務中也取得了巨大的成功，包括音樂摘要和分類、相似性估計、計算機輔助或自主作曲以及自動音樂分析。由于結構是西方音樂的一個基本特征，它在所有這些任務中都扮演著重要的角色。在當前的人工神經網絡體系結構中，一些結構方面的知識尤其具有挑戰性。這尤其適用于中高級的自相似性、音調和節奏關系。在本文中，我將探討ANNs在di中的應用！音樂結構建模的不同方面，找出其中涉及的一些挑戰并提出應對策略。首先，使用受限Boltzmann機器（RBM）的概率估計，研究了一種基于概率自底向上的旋律分割方法。然后，提出了一種自頂向下的方法，將卷積RBM的Gibbs抽樣與梯度下降優化相結合，應用于音樂生成中。此外，我激發了音樂轉換在結構建模中的相關性，并展示了如何使用連接模型門控自動編碼器（GAE）來學習音樂片段之間的轉換。為了學習序列中的變換，我提出了一種特殊的GAE預測訓練，它將復調音樂表示為一系列的間隔。而且這些區間表示在自上而下的重復音樂節的發現中的適用性被證明了。最后，提出了一種GAE的遞歸變體，并將其用于音樂預測和低層重復結構的建模。

論證。

論文作者

Stefan Lattner，來自巴黎索尼計算機科學實驗室（CSL），長期從事人工智能研究，是機器學習領域專家級人物，尤其在人工神經網絡領域頗有建樹。最近一直致力于深度神經網絡與音樂之間的研究，試圖通過深度學習對音樂進行建模，并取得了最大突破。主張機器學習要面向實踐，面向實際，立志解決當前問題，AI必須要有商業驅動，方能足夠長遠的發展。。

論文摘要：

圖無處不在，從引文和社交網絡到知識圖譜(KGs)。它們是最富表現力的數據結構之一，已被用于建模各種問題。知識圖譜是圖中事實的結構化表示，其中節點表示實體，邊表示實體之間的關系。最近的研究已經開發出幾種大型知識圖譜;例如DBpedia、YAGO、NELL和Freebase。然而，它們都是稀疏的，每個實體只有很少的事實。例如，每個實體只包含1.34個事實。在論文的第一部分，我們提出了緩解這一問題的三個解決方案:(1)KG規范化，即(2)關聯提取，它涉及到從非結構化文本中提取實體之間的語義關系的自動化過程;(3)鏈接預測，它包括基于KG中的已知事實推斷缺失的事實。KG的規范化,我們建議CESI(規范化使用嵌入和邊信息),一個新穎的方法執行規范化學習嵌入開放KG。KG嵌入的方法擴展了最新進展將相關NP和關系詞信息原則的方式。對于關系提取，我們提出了一種遠程監督神經關系提取方法，該方法利用KGs中的附加邊信息來改進關系提取。最后，對于鏈路預測，我們提出了擴展ConvE的InteractE，這是一種基于卷積神經網絡的鏈路預測方法，通過三個關鍵思想:特征置換、新穎的特征重塑和循環卷積來增加特征交互的次數。通過對多個數據集的大量實驗，驗證了所提方法的有效性。

傳統的神經網絡如卷積網絡和遞歸神經網絡在處理歐幾里得數據時受到限制。然而，在自然語言處理(NLP)中圖形是很突出的。最近，圖卷積網絡(Graph Convolutional Networks, GCNs)被提出來解決這一缺點，并成功地應用于多個問題。在論文的第二部分，我們利用GCNs來解決文檔時間戳問題，它是文檔檢索和摘要等任務的重要組成部分。

為此，我們提出利用GCNs聯合開發文檔語法和時態圖結構的NeuralDater，以獲得該問題的最新性能。提出了一種靈活的基于圖卷積的詞嵌入學習方法——SynGCN，該方法利用詞的依賴上下文而不是線性上下文來學習更有意義的詞嵌入。在論文的第三部分，我們討論了現有GCN模型的兩個局限性，即(1)標準的鄰域聚合方案對影響目標節點表示的節點數量沒有限制。這導致了中心節點的噪聲表示，中心節點在幾個躍點中幾乎覆蓋了整個圖。為了解決這個缺點，我們提出了ConfGCN(基于信任的GCN)，它通過估計信任來確定聚合過程中一個節點對另一個節點的重要性，從而限制其影響鄰居。(2)現有的GCN模型大多局限于處理無向圖。然而，更一般和更普遍的一類圖是關系圖，其中每條邊都有與之關聯的標簽和方向。現有的處理此類圖的方法存在參數過多的問題，并且僅限于學習節點的表示。我們提出了一種新的圖卷積框架CompGCN，它將實體和關系共同嵌入到一個關系圖中。CompGCN是參數有效的，并且可以根據關系的數量進行擴展。它利用了來自KG嵌入技術的各種實體-關系組合操作，并在節點分類、鏈接預測和圖分類任務上取得了明顯的優勢結果。