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【導讀】本文檔包含加州大學伯克利分校機器學習Jonathan Shewchuk入門課程的課堂講稿。它涵蓋了許多分類和回歸的方法，以及聚類和降維的方法。簡潔明了，是非常合適的機器學習入門學習材料。

內容目錄包括： 介紹 線性分類器和感知器 感知器學習;最大邊緣分類器 軟邊緣支持向量機;特性 機器學習抽象和數值優化 決策理論;生成和判別模型 高斯判別分析，包括QDA和LDA 特征向量與各向異性多元正態分布 各向異性高斯，最大似然估計，QDA和LDA 回歸，包括最小二乘線性回歸和邏輯回歸 更多的回歸;牛頓法;ROC曲線 統計的理由;偏見方差分解 收縮:脊線回歸，子集選擇，套索 內核的訣竅 決策樹 更多的決策樹、集成學習和隨機森林 神經網絡 神經元;神經網絡的變化 更好的神經網絡訓練;卷積神經網絡 無監督學習與主成分分析 奇異值分解;聚類 光譜圖聚類 學習理論 多個特征向量;潛在的因素分析;最近的鄰居 更快的最近鄰居:Voronoi圖和k-d樹

概率圖建模(PGM)提供了一個框架，以設計一個可解釋的生成過程的數據和表達不確定性的未知數。這使得PGM對于理解數據背后的現象和決策非常有用。在可解釋推理是關鍵的領域內，PGM取得了巨大的成功，例如市場營銷、醫學、神經科學和社會科學。然而，PGM往往缺乏靈活性，這阻礙了它在建模大規模高維復雜數據和執行需要靈活性的任務(例如在視覺和語言應用程序中)時的使用。

深度學習(DL)是另一個從數據中建模和學習的框架，近年來取得了巨大的成功。DL功能強大，具有很大的靈活性，但缺乏PGM的可解釋性和校準性。

本文研究了深度概率圖建模(DPGM)。DPGM通過利用DL使PGM更加靈活。DPGM帶來了從數據中學習的新方法，這些方法展示了PGM和DL的優點。

我們在PGM中使用DL來構建具有可解釋潛在結構的靈活模型。我們提出一系列模型擴展指數族主成分分析(EF-PCA)，使用神經網絡提高預測性能，同時加強潛在因素的可解釋性。我們引入的另一個模型類支持在建模順序數據時考慮長期依賴關系，這在使用純DL或PGM方法時是一個挑戰。該序列數據模型類已成功應用于語言建模、情感分析的無監督文檔表示學習、會話建模和醫院再入院預測的患者表示學習。最后，DPGM成功地解決了概率主題模型的幾個突出問題。

在PGM中利用DL也帶來了學習復雜數據的新算法。例如，我們開發了熵正則化對抗學習，這是一種與PGM中使用的傳統最大似然方法不同的學習范式。從DL的角度來看，熵正則化對抗學習為生成式對抗網絡長期存在的模式崩潰問題提供了一種解決方案。

賦予機器以感知三維世界的能力，就像我們人類一樣，是人工智能領域一個基本且長期存在的主題。給定不同類型的視覺輸入，如二維/三維傳感器獲取的圖像或點云，一個重要的目標是理解三維環境的幾何結構和語義。傳統的方法通常利用手工特征來估計物體或場景的形狀和語義。然而，他們很難推廣到新的對象和場景，并努力克服關鍵問題造成的視覺遮擋。相比之下，我們的目標是理解場景和其中的對象，通過學習一般和魯棒的表示使用深度神經網絡，訓練在大規模的真實世界3D數據。為了實現這些目標，本文從單視圖或多視圖的物體級三維形狀估計到場景級語義理解三個方面做出了核心貢獻。

在第3章中，我們從一張圖像開始估計一個物體的完整三維形狀。利用幾何細節恢復密集的三維圖形，提出一種強大的編碼器解碼器結構，并結合對抗式學習，從大型三維對象庫中學習可行的幾何先驗。在第4章中，我們建立了一個更通用的框架來從任意數量的圖像中精確地估計物體的三維形狀。通過引入一種新的基于注意力的聚合模塊和兩階段的訓練算法，我們的框架能夠集成可變數量的輸入視圖，預測穩健且一致的物體三維形狀。在第5章中，我們將我們的研究擴展到三維場景，這通常是一個復雜的個體對象的集合。現實世界的3D場景，例如點云，通常是雜亂的，無結構的，閉塞的和不完整的。在借鑒以往基于點的網絡工作的基礎上，我們引入了一種全新的端到端管道來同時識別、檢測和分割三維點云中的所有對象。

總的來說，本文開發了一系列新穎的數據驅動算法，讓機器感知我們真實的3D環境，可以說是在推動人工智能和機器理解的邊界。

//ora.ox.ac.uk/objects/uuid:5f9cd30d-0ee7-412d-ba49-44f5fd76bf28

Ronghang Hu (胡戎航)

胡戎航(Ronghang Hu)是Facebook人工智能研究(FAIR)的研究科學家。他的研究興趣包括視覺和語言推理和視覺感知。他于2020年在Trevor Darrell教授和Kate Saenko教授的指導下獲得UC Berkeley的計算機科學博士學位。2019年夏天和2017年夏天，他在FAIR做研究實習生，分別與Marcus Rohrbach博士和Ross Girshick博士一起工作。2015年獲得清華大學學士學位。2014年，他在中國科學院計算技術研究所進行研究實習，得到了山時光教授和王瑞平教授的指導。

//ronghanghu.com/

視覺與語言推理的結構化模型

視覺和語言任務(例如回答一個關于圖像的問題，為參考表達做基礎，或遵循自然語言指令在視覺環境中導航)需要對圖像和文本的兩種模式共同建模和推理。我們已經見證了視覺和語言推理的顯著進展，通常是通過在更大的數據集和更多計算資源的幫助下訓練的神經方法。然而，解決這些視覺和語言的任務就像用更多的參數建立模型，并在更多的數據上訓練它們一樣簡單嗎?如果不能，我們怎樣才能建立數據效率高、易于推廣的更好的推理模型呢?

這篇論文用視覺和語言推理的結構化模型為上述問題提供了答案——這些模型的架構考慮了人類語言、視覺場景和代理技能中的模式和規律。我們從表達式的基礎開始，我們在第二章中展示了通過考慮這些表達式中的組合結構，我們提出的組合模塊網絡(CMNs)可以實現更好的準確性和泛化。在第三章中，我們使用基于與問題推理步驟一致的動態組合模塊的端到端模塊網絡(N2NMNs)進一步解決了可視化的問題回答任務。在第四章中，我們擴展了模塊化推理的研究，提出了基于可解釋推理步驟的堆棧神經模塊網絡(SNMNs)。模塊化推理之外,我們也提出構建環境敏感的視覺表征與Language-Conditioned場景圖網絡(LCGNs)。第五章對于關系推理和解決問題的閱讀文本圖像的問答迭代pointer-augmented多通道變形金剛。在第六章，我們說明了嵌入任務也需要結構化模型，并在第7章中提出了說話者-跟隨者模型，其中說話者模型和跟隨者模型互為補充。在所有這些場景中，我們表明，通過考慮任務中的結構和輸入模式，我們的模型的執行和泛化明顯優于非結構化對應模型。

【導讀】牛津大學的博士生Oana-Maria Camburu撰寫了畢業論文《解釋神經網絡 （Explaining Deep Neural Networks）》，系統性介紹了深度神經網絡可解釋性方面的工作，值得關注。

作者介紹：

Oana-Maria Camburu，來自羅馬尼亞，目前是牛津大學的博士生，主修機器學習、人工智能等方向。

Explaining Deep Neural Networks

深度神經網絡在計算機視覺、自然語言處理和語音識別等不同領域取得了革命性的成功，因此越來越受歡迎。然而，這些模型的決策過程通常是無法向用戶解釋的。在各種領域，如醫療保健、金融或法律，了解人工智能系統所做決策背后的原因至關重要。因此，最近研究了幾個解釋神經模型的方向。

在這篇論文中，我研究了解釋深層神經網絡的兩個主要方向。第一個方向由基于特征的事后解釋方法組成，也就是說，這些方法旨在解釋一個已經訓練過的固定模型(事后解釋)，并提供輸入特征方面的解釋，例如文本標記和圖像的超級像素(基于特征的)。第二個方向由生成自然語言解釋的自解釋神經模型組成，也就是說，模型有一個內置模塊，為模型的預測生成解釋。在這些方面的貢獻如下：

• 首先，我揭示了僅使用輸入特征來解釋即使是微不足道的模型也存在一定的困難。我表明，盡管有明顯的隱含假設，即解釋方法應該尋找一種特定的基于真實值特征的解釋，但對于預測通常有不止一種這樣的解釋。我還展示了兩類流行的解釋方法，它們針對的是不同類型的事實基礎解釋，但沒有明確地提及它。此外，我還指出，有時這兩種解釋都不足以提供一個實例上決策過程的完整視圖。

• 其次，我還介紹了一個框架，用于自動驗證基于特征的事后解釋方法對模型的決策過程的準確性。這個框架依賴于一種特定類型的模型的使用，這種模型有望提供對其決策過程的洞察。我分析了這種方法的潛在局限性，并介紹了減輕這些局限性的方法。引入的驗證框架是通用的，可以在不同的任務和域上實例化，以提供現成的完整性測試，這些測試可用于測試基于特性的后特殊解釋方法。我在一個情緒分析任務上實例化了這個框架，并提供了完備性測試s1，在此基礎上我展示了三種流行的解釋方法的性能。

• 第三，為了探索為預測生成自然語言解釋的自解釋神經模型的發展方向，我在有影響力的斯坦福自然語言推斷(SNLI)數據集之上收集了一個巨大的數據集，數據集約為570K人類編寫的自然語言解釋。我把這個解釋擴充數據集稱為e-SNLI。我做了一系列的實驗來研究神經模型在測試時產生正確的自然語言解釋的能力，以及在訓練時提供自然語言解釋的好處。

• 第四，我指出，目前那些為自己的預測生成自然語言解釋的自解釋模型，可能會產生不一致的解釋，比如“圖像中有一只狗。”以及“同一幅圖片中沒有狗”。不一致的解釋要么表明解釋沒有忠實地描述模型的決策過程，要么表明模型學習了一個有缺陷的決策過程。我將介紹一個簡單而有效的對抗性框架，用于在生成不一致的自然語言解釋時檢查模型的完整性。此外，作為框架的一部分，我解決了使用精確目標序列的對抗性攻擊的問題，這是一個以前在序列到序列攻擊中沒有解決的場景，它對于自然語言處理中的其他任務很有用。我將這個框架應用到e-SNLI上的一個最新的神經模型上，并表明這個模型會產生大量的不一致性。

這項工作為獲得更穩健的神經模型以及對預測的可靠解釋鋪平了道路。

地址： //arxiv.org/abs/2010.01496

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連續學習的重現領域，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。****

使用生成模型的無監督學習具有發現3D場景豐富表示的潛力。這種神經場景表示可能隨后支持各種下游任務，從機器人技術到計算機圖形再到醫學成像。然而，現有的方法忽略了場景最基本的屬性之一:三維結構。在這項工作中，我們使神經場景表征與一個感應偏差的三維結構的情況。我們證明了這種歸納偏差如何使無監督的發現幾何和外觀，只給定的二維圖像。通過學習一組這樣的三維結構感知神經表征的分布，我們可以執行聯合重建的三維形狀和外觀只給出一個單一的二維觀察。我們表明，在這個過程中學習到的特征使整個類對象的三維語義分割成為可能，只訓練了30個帶標記的例子，證明了三維形狀、外觀和語義分割之間的緊密聯系。最后，我們討論了場景表示學習在計算機視覺本身中的本質和潛在作用，并討論了未來工作的前景。

在過去的20年里，基因組學、神經科學、經濟學和互聯網服務等許多領域產生了越來越多的大數據集，這些數據集有高維、大樣本，或者兩者兼之。這為我們從數據中檢索和推斷有價值的信息提供了前所未有的機會。同時，也對統計方法和計算算法提出了新的挑戰。一方面，我們希望建立一個合理的模型來捕獲所需的結構，并提高統計估計和推斷的質量。另一方面，面對越來越大的數據集，計算可能成為一個巨大的障礙，以得出有意義的結論。這篇論文站在兩個主題的交叉點，提出了統計方法來捕獲所需的數據結構，并尋求可擴展的方法來優化計算非常大的數據集。我們提出了一種可擴展的靈活框架，用于利用lasso/elastic-net解決大規模稀疏回歸問題; 提出了一種可伸縮的框架，用于在存在多個相關響應和其他細微差別(如缺失值)的情況下解決稀疏縮減秩回歸問題。分別在snpnet和multiSnpnet R包中以PLINK 2.0格式為基因組數據開發了優化的實現。這兩種方法在超大和超高維的英國生物樣本庫研究中得到了驗證，與傳統的預測建模方法相比有了顯著的改進。此外，我們考慮了一類不同的高維問題，異質因果效應的估計。與監督學習的設置不同，這類問題的主要挑戰在于，在歷史數據中，我們從未觀察到硬幣的另一面，因此我們無法獲得處理之間真正差異的基本真相。我們提出適應非參數統計學習方法，特別是梯度增強和多元自適應回歸樣條，以估計處理效果的預測器可用。實現被打包在一個R包causalLearning中。

本備忘單是機器學習手冊的濃縮版，包含了許多關于機器學習的經典方程和圖表，旨在幫助您快速回憶起機器學習中的知識和思想。

這個備忘單有兩個顯著的優點:

1. 清晰的符號。數學公式使用了許多令人困惑的符號。例如，X可以是一個集合，一個隨機變量，或者一個矩陣。這是非常混亂的，使讀者很難理解數學公式的意義。本備忘單試圖規范符號的使用，所有符號都有明確的預先定義，請參見小節。

2. 更少的思維跳躍。在許多機器學習的書籍中，作者省略了數學證明過程中的一些中間步驟，這可能會節省一些空間，但是會給讀者理解這個公式帶來困難，讀者會在中間迷失。

作者Jacob Andreas是自然語言處理的研究者，研究興趣為用語言作為更有效學習的支架和理解模型行為的探針，以及結合深度表示和離散組合性優點的結構化神經方法。近期公開發布了他的博士論文。

博士論文介紹：

本文探討了語言結構在結構和參數化中用于語言處理和其他應用的機器學習模型的方法。作者將該模型應用于問答系統，指令跟蹤，圖像分類等多種任務。

作者首先介紹一類稱為神經模塊網絡（NMN）的模型，并介紹它們在自然語言問答中的應用。NMN旨在實現同時利用深層網絡的表征能力和構成問題的語言結構。我們的方法將問題分解為語言子結構，并使用這些子結構動態地從可重復使用的模塊庫構建網絡。由此產生的復合網絡是共同訓練的。作者并在含有圖像和結構化知識庫的問答數據集上的方法評估模型。隨后，作者將這種思想轉移到策略學習中，研究在面對不同但相似的問題時，怎么組合策略。